基於光纖布拉格光柵的甲烷濃度傳感的方法和設備的製作方法

2023-08-13 09:45:21 2

專利名稱：基於光纖布拉格光柵的甲烷濃度傳感的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，特別涉及了一種光纖布拉格光柵應用於甲烷濃度傳感的方法以及實現該方法的設備。
背景技術：
在光纖傳感領域，光纖布拉格光柵(fiber bragg grating，FBG)由於其對溫度、應力、折射率變化非常敏感，而成為業內一個非常重要的傳感器件。FBG反射光譜的中心波長與光纖芯層的有效折射率成正比，而光纖芯層的有效折射率受外界的溫度、應力影響，因此測量出FBG反射光譜的中心波長的變化就可以得到外界溫度的變化。
傳統催化氧化法利用甲烷催化氧化元件催化甲烷和氧氣的氧化反應，將化學能轉化為熱能，由熱敏電阻測出溫度的變化，從而得到甲烷濃度值。該方法測量精度較高，但處理電路較複雜，容易受外界電磁幹擾，影響測量準確度；而且處理電路需要電源供電，存在產生電火花的安全隱患。另外，該方法不利於實現分布式傳感。

發明內容
本發明就是針對現有技術的不足，在傳統催化氧化甲烷傳感法的基礎上，提出了一種基於光纖布拉格光柵的甲烷濃度傳感的解決方案，同時提供了實現該方法的設備。
本發明的方法包括以下步驟1、選用波長範圍覆蓋光纖布拉格光柵反射中心波長的寬帶光源，光源帶寬範圍20～60nm；光源發出的光通過環形器打到n(n≥2)個不同反射中心波長的FBG傳感器串聯的FBG陣列上，FBG傳感器貼近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是將甲烷濃度變化轉變為溫度變化，當FBG所處環境甲烷濃度發生變化時，環境溫度隨之發生同方向變化，光纖芯層的有效折射率因此發生變化，導致FBG的反射中心波長發生漂移。FBG的反射中心波長為λ＝2n·Λ (1)其中n表示光纖芯層的有效折射率，Λ表示FBG傳感器光柵常數。
2、FBG反射回來的傳感信號經過一個環形器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上並反射耦合回光纖；通過控制其中一個反射鏡的位置移動，改變兩路信號光之間的相對光程。由於反射鏡的移動而產生的都卜勒頻移為f＝2v/λ (2)其中v表示反射鏡移動的速率，λ表示信號光的波長。
3、兩路信號光在3-dB耦合器中匯合幹涉，幹涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極體轉化為電信號，由數據採集卡採集，進入快速傅立葉變換分析儀(Fast Fourier Transform，FFT)。通過FFT分析儀可以讀出(2)式中的f，由此可以得到信號光的波長λ。
實現上述方案的設備為FBG傳感器通過光纖環形器與寬帶光源光信號連接，反射光通過光纖環形器與光纖耦合器光信號連接。光電二極體的輸入端與3-dB光纖耦合器的一端光信號連接，光電二極體的輸出端與數據採集卡電連接。採集卡與FFT分析儀電連接。3-dB光纖耦合器的另一端分別與兩個光纖準直器光信號連接，對應兩個光纖準直器位置設有兩個反射鏡，其中一個反射鏡通過步進電機控制其位置移動。甲烷催化氧化元件採用成熟的現有產品。
本發明適用於多點的甲烷濃度高精度測量。採用多個不同反射中心波長的FBG傳感器可以實現多個傳感器的復用，實現準分布式傳感。另外，由於光信號由光纖傳輸到遠程解調機構，故解決了原來電學處理系統的易受電磁幹擾、存在電火火安全隱患的問題。


圖1為本發明的整體結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，寬帶光源1與光纖環形器2的①端光信號連接，光纖環形器2的②端與FBG傳感器3光信號連接。甲烷催化氧化元件4與FBG傳感器3位置配合連接。光纖環形器2的③端與光纖耦合器5光信號連接。光電二極體9的輸入端與3-dB光纖耦合器5的一端光信號連接，光電二極體9的輸出端與數據採集卡10電連接。數據採集卡10與FFT分析儀11電連接。3-dB光纖耦合器5的另一端分別與兩個光纖準直器6光信號連接，對應兩個光纖準直器6位置設有兩個反射鏡7，其中一個反射鏡通過步進電機8控制其位置移動。將上述FBG傳感器3作為甲烷濃度傳感器放置在被測點，寬帶光源1和信號解調部分都在監測中心，寬帶光通過單模光纖進入FBG傳感器3，再由單模光纖將信號光傳回監測中心進行信號解調與處理。
選用波長範圍為60nm(可以覆蓋光纖布拉格光柵反射中心波長的寬帶)光源，光源發出的光通過光纖環形器打到FBG傳感器陣列上，FBG傳感器貼近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是將甲烷濃度變化轉變為溫度變化，當FBG所處環境甲烷濃度發生變化時，環境溫度隨之發生同方向變化，光纖芯層的有效折射率因此發生變化，導致FBG的反射中心波長發生漂移。FBG的反射中心波長為λ＝2n·Λ (1)其中n表示光纖芯層的有效折射率，Λ表示FBG傳感器光柵常數。
FBG反射回來的傳感信號經過一個環形器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上並反射耦合回光纖；通過控制其中一個反射鏡的位置移動，改變兩路信號光之間的相對光程。由於反射鏡的移動而產生的都卜勒頻移為
f＝2v/λ(2)其中v表示反射鏡移動的速率，λ表示信號光的波長。
兩路信號光在3-dB耦合器中匯合幹涉，幹涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極體轉化為電信號，由數據採集卡採集，進入FFT(FastFourier Transform)分析儀。通過FFT分析儀可以讀出(2)式中的f，由此可以得到信號光的波長λ。
權利要求
1.基於光纖布拉格光柵的甲烷濃度傳感的方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)選用波長範圍覆蓋光纖布拉格光柵反射中心波長的寬帶光源，光源帶寬範圍20～60nm；光源發出的光通過環形器打到n個不同反射中心波長的FBG傳感器串聯的FBG陣列上，n≥2；FBG傳感器貼近甲烷催化氧化元件放置，甲烷催化氧化元件的作用是將甲烷濃度變化轉變為溫度變化，當FBG所處環境甲烷濃度發生變化時，環境溫度隨之發生同方向變化，光纖芯層的有效折射率因此發生變化，導致FBG的反射中心波長發生漂移，FBG的反射中心波長為λ＝2n·Λ(1)其中n表示光纖芯層的有效折射率，Λ表示FBG傳感器光柵常數；(2)FBG反射回來的傳感信號經過一個環形器進入一個3-dB光纖耦合器，3-dB光纖耦合器將光信號分成等光強的兩束；兩束等光強的信號光分別通過光纖準直器入射到反射鏡上並反射耦合回光纖；通過控制其中一個反射鏡的位置移動，改變兩路信號光之間的相對光程，由於反射鏡的移動而產生的都卜勒頻移為f＝2v/λ(2)其中v表示反射鏡移動的速率，λ表示信號光的波長；(3)兩路信號光在3-dB耦合器中匯合幹涉，幹涉信號經3-dB耦合器的一臂，由光電二極體轉化為電信號，由數據採集卡採集，進入快速傅立葉變換分析儀；通過傅立葉變換分析儀讀出(2)式中的f，由此得到信號光的波長λ。
2.採用權利要求1方法所使用的設備，其特徵在於該設備中FBG傳感器通過光纖環形器與寬帶光源光信號連接，反射光通過光纖環形器與光纖耦合器光信號連接；光電二極體的輸入端與3-dB光纖耦合器的一端光信號連接，光電二極體的輸出端與數據採集卡電連接；採集卡與FFT分析儀電連接；3-dB光纖耦合器的另一端分別與兩個光纖準直器光信號連接，對應兩個光纖準直器位置設有兩個反射鏡，其中一個反射鏡通過步進電機控制其位置移動。
全文摘要
本發明涉及一種光纖布拉格光柵應用於甲烷濃度傳感的方法以及實現該方法的設備。本發明中FBG傳感器通過光纖環形器與寬帶光源連接，反射光通過光纖環形器與光纖耦合器連接；光電二極體的輸入端與3－dB光纖耦合器的一端連接，光電二極體的輸出端與數據採集卡電連接；採集卡與FFT分析儀電連接；3－dB光纖耦合器的另一端分別與兩個光纖準直器連接，對應兩個光纖準直器位置設有兩個反射鏡，其中一個反射鏡通過步進電機控制其位置移動。本發明適用於多點的甲烷濃度高精度測量，並解決了易受電磁幹擾、存在電火火安全隱患的問題。
文檔編號G01N21/00GK1904659SQ200610052880
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月10日 優先權日2006年8月10日
發明者劉國榮, 周斌, 管祖光, 何賽靈 申請人:浙江大學