一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統的製作方法

2024-03-10 10:09:15 1

一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，包括光源、光學強度調製器、光纖環形器、光纖傳感頭、光電探測器和信號處理單元；所述光纖環形器與光纖傳感頭和光電探測器之間分別設置有密集波分復用器，所述兩個密集波分復用器之間的光路一一對應。本實用新型解決了目前國內外的光纖氫氣傳感系統僅能實現單點測量，而無法對待測對象或待測區域進行大數量點數的陣列式或區域覆蓋式氫氣監測的難題。
【專利說明】一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及傳感技術及氫氣監測領域，特別是涉及一種可實現多點監測的波 分復用光纖氫氣傳感系統。

【背景技術】
[0002] 隨著現代工業的發展，氫氣作為一種重要的工業原料在電力、航天、航空、航海、化 工等各部門得到了廣泛的應用，但氫氣的不確定性洩漏可能危害生命或對工業設備及所處 環境造成極大的破壞，因此，如何對氫氣及其濃度進行快速精確的在線測量變得越來越重 要。
[0003] 在眾多領域中都需要對氫氣及其濃度進行監測，且大多處於較為複雜、危險和幹 擾大的環境中，在這種情況下，科學家們都認為不能採用電子式的氫氣傳感系統，因為其傳 感部分為電子器件，信號傳輸載體為導線，這會導致電磁幹擾和電火花，前者影響所處環境 中的電子系統，後者會在包含含能材料的環境中（尤其是核電站中）引起災難性的後果。為 了避免電子式氫氣傳感系統的潛在危險，國外開始重點研究光纖氫氣傳感系統，因為該類 傳感系統在氫氣監測方面具有極為突出的優勢：一是安全性高，可靠性好，因為傳感部分和 傳輸部分均使用光纖，其內部傳輸光信號，具有良好的電絕緣性和抗電磁幹擾性，能避免產 生電火花，對被測環境幹擾小；二是體積小，重量輕，可以任意彎曲，柔韌性極好，可以安裝 在狹小空間內，且安裝簡單，成本低；三是靈敏度高，響應時間短；四是環境適應性好，光纖 材料在高溫、高壓、低溫和強腐蝕等惡劣環境下性能穩定。
[0004] 進行氫氣監測的各類應用場合，均提出了對待測對象或待測區域進行大數量點數 的陣列式或區域覆蓋式監測的要求，例如在上述核電站、航天/航空飛行器的發動機、潛艇 燃料、電站汽輪發電機機組等領域中，均需對多個部件或在多個位置監測氫氣，但在國內外 的相關研究中，目前已有的光纖氫氣傳感系統僅能在待測對象上或區域中進行單點測量， 即1套光纖氫氣傳感系統僅能實現1個點的氫氣監測，更多點數的測量，需通過多套光纖傳 感系統的疊加實現，隨著測量點數的增多，其整套系統的複雜度、成本和體積均大幅增加， 因此難以採用常規光纖氫氣傳感系統的簡單疊加方式實現大數量點(幾點、十幾點乃至數 十點）測量，從而急需研製一種能夠實現對待測對象或待測區域進行大數量點數的陣列式 或區域覆蓋式氫氣監測的新型光纖氫氣傳感系統。 實用新型內容
[0005] 本實用新型針對上述存在的問題，提出一種波分復用光纖氫氣傳感系統，能夠滿 足對待測對象或待測區域進行大數量點數的陣列式或區域覆蓋式氫氣監測的要求。
[0006] 本實用新型採用如下技術方案：一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系 統，包括光源、光學強度調製器、光纖環形器、光纖傳感頭、光電探測器和信號處理單元；所 述光源輸出的雷射經光學強度調製器進行幅度調製，調製後的雷射通過光纖環形器進入光 纖傳感頭，光纖傳感頭將反射的光信號經過光纖環形器到光電探測器解析後到信號處理單 元，最後輸出；所述光源為寬帶光源，所述光纖環形器與光纖傳感頭和光電探測器之間分別 設置有密集波分復用器，所述兩個密集波分復用器之間的光路一一對應。
[0007] 在上述技術方案中，所述密集波分復用器與光纖傳感頭之間設置有可調光纖延遲 線。
[0008] 在上述技術方案中，所述密集波分復用器的每一路光路分別與一個光纖傳感頭連 接，且每一路光路中設置一根可調光纖延遲線。
[0009] 在上述技術方案中，所述每一根可調光纖延遲線與光纖傳感頭與密集波分復用器 之間分別設置有用於連接的光纖法蘭。
[0010] 在上述技術方案中，所述可調光纖延遲線的長度可調。
[0011] 在上述技術方案中，所述與光電探測器連接的密集波分復用器的每一路光路連接 一個獨立的光電探測器。
[0012] 在上述技術方案中，所述光纖環形器可用光纖耦合器替換。
[0013] 本實用新型中，所述密集波分復用器為光纖通信領域的常用元器件，可有1--4 (1 路分為4路，後同）、1--8、1--16等多種規格，即是說一臺密集波分復用器最大可以滿足64 個探測點的數據採集，且該技術為成熟技術。
[0014] 本實用新型中，所述光纖傳感頭為單端反射式的全光纖結構，在其端面鍍有氫敏 材料構成的反射膜，所述氫敏材料對氫氣較為敏感，主要包括純鈀膜、鈀銅合金膜、鈀銀合 金膜和鈕金合金膜。
[0015] 本實用新型中，所述光纖法蘭為光纖及其接頭的連接元件，為光纖通信領域的常 用元器件，一般有FC、SC、LC等類型，其連接簡單可靠。
[0016] 本實用新型中，所述信號處理單元包含模擬部分和數字部分，採用微弱信號檢測 技術和特定的信號處理算法，獲得氫氣數據，並可通過輸出接口將該數據發送到顯示設備。
[0017] 本實用新型的基本工作流程為：光源輸出的雷射被所述光學強度調製器進行幅度 調製，被調製後的雷射通過所述光纖環形器進入密集波分復用器，並被解復用成波長不同 的多路雷射，通過多根可調光纖延遲線傳輸至不同位置處的多個光纖傳感頭，並在所處位 置監測氫氣及其濃度；帶有各個位置氫氣信息的多路傳感光信號，被光纖傳感頭的反射膜 反射，經過密集波分復用器和光纖環形器，返回至光電探測器，被轉換成電信號後，進入信 號處理單元進行相關處理，即可得到各個位置的氫氣數據。
[0018] 本實用新型的優點在於：解決了目前國內外的光纖氫氣傳感系統僅能實現單點 測量，而無法對待測對象或待測區域進行大數量點數的陣列式或區域覆蓋式氫氣監測的難 點。
[0019] 優點一：僅僅通過增加兩個密集波分復用器，一臺傳感系統主機便可搭配多個(具 體數量等於密集波分復用器的通道數）傳感頭使用，即採用一套系統便可實現多點（具體數 量等於密集波分復用器的通道數）氫氣監測，同時監測點的數量可隨著密集波分復用器通 道數量的增加而增加，易於調整。
[0020] 優點二：多個光纖傳感頭共用一臺傳感系統主機，共享所需器材，大幅度節省了器 材數量、系統體積和成本，監測點數量越多，節省幅度越大。
[0021] 優點三：通過多個長度可調節的光纖延遲線，可將多個光纖傳感頭放置於不同距 離的多個監測位置，減小了對傳感系統主機安裝地點的限制，以及主機安裝地點與監測點 之間的距離限制；
[0022] 優點四：光纖傳感頭和可調光纖延遲線通過光纖法蘭與傳感系統主機進行連接， 易於安裝和更換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 本實用新型將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：
[0024] 圖1是光纖氫氣傳感系統的基本結構；
[0025] 圖2是波分復用光纖氫氣傳感系統的基本結構；
[0026] 圖中：1_寬帶光源；2_光學強度調製器；3_光纖環形器；4_光纖傳感頭；5_光 電探測器；6-信號處理單元；7-數據輸出及顯示；8-傳感系統主機；9-密集波分復用器； 10-光纖法蘭；11-可調光纖延遲線。

【具體實施方式】
[0027] 本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0028] 光纖氣體傳感系統大多利用氣體光譜吸收原理，即每一種氣體都有其固有的吸收 光譜，當光源(一般使用近紅外和紅外波段的光源，因為該波段的光纖技術和所涉及的器件 較為成熟）的發射波長與氣體的特徵吸收峰波長相吻合時，就會發生共振吸收，其吸收強度 與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體及其濃度。基於氣體光譜吸收 原理，目前開發了多種光纖氣體傳感系統，且技術成熟，已有商業化的產品並得到了實際應 用，可對二氧化碳co 2、甲燒CH4、水蒸氣H20、二氧化氮N02、一氧化碳C0、乙炔C 2H2、硫化氫 H2S、氨氣NH3等多種氣體進行檢測。
[0029] 儘管光譜吸收原理可以對多種氣體進行檢測，但卻不適用於氫氣，因為氫氣的吸 收譜線為0. 37mm?0. 66mm，與光纖技術最成熟的紅外波段之間沒有交集，從而缺乏很多必 需的光纖器件。經過多年的發展，國內外最終採用了一種新型的光纖傳感技術來檢測氫氣， 其原理是利用金屬鈀對氫氣的溶解度和選擇性很高，採用鈀或鈀合金薄膜作為敏感材料， 通過光纖技術測量薄膜的透射率、折射率等物理性能的改變(影響傳輸光的相位、光強等參 數)，以之檢測氫氣及其濃度的變化。
[0030] 國內外研究的光纖氫氣傳感系統一般米用圖1所不的結構，包括光源1、光學強度 調製器2、光纖環形器3、光纖傳感頭4、光電探測器5、信號處理單元6、數據輸出及顯示7等 模塊，其中除去光纖傳感頭4外，其餘6個模塊組成了光纖氫氣傳感系統主機8。
[0031] 光源1發出的直流光經過光學強度調製器2後，被調製成交流光，再經過光纖環形 器3輸出至監測點處的光纖傳感頭4。光纖傳感頭4的端面鍍有一層鈀或鈀合金薄膜，從而 注入光纖傳感頭4的光會在該端面上產生反射，當光纖傳感頭4感應到氫氣時，鈀與氫作用 並引起膜層反射率發生變化，並反映在反射光的強度(光功率）變化上。載有氫氣信息的傳 感光信號返回光纖環形器3,並經由光纖環形器3輸出至光電探測器5,轉換為電壓信號並 送入信號處理單元6進行相關處理，即可得到該處監測點的氫氣信息。最後，通過數據輸出 及顯示7,將獲得的數據發送到後繼設備。
[0032] 在核電站、航天/航空飛行器的發動機、潛艇燃料、電站汽輪發電機機組等領域 中，均需對多個部件或在多個位置監測氫氣，但圖1所示的光纖氫氣傳感系統僅能在待測 對象上或區域中進行單點測量，即1套光纖氫氣傳感系統(包括1臺傳感系統主機8和1個 光纖傳感頭4)僅能實現1個點的氫氣監測，更多點數的測量，需通過多套光纖傳感系統的 疊加實現，隨著測量點數的增多，其整套系統(尤其是傳感系統主機8)的複雜度、成本和體 積均大幅增加，因此難以採用常規光纖氫氣傳感系統的簡單疊加方式實現大數量點(幾點、 十幾點乃至數十點）測量，從而急需研製一種能夠對待測對象或待測區域進行大數量點數 的陣列式或區域覆蓋式氫氣監測的新型光纖氫氣傳感系統。
[0033] 本案如圖2所示的新型波分復用光纖氫氣傳感系統包括傳感系統主機8 (-臺）、 可調光纖延遲線11 (多根，不同長度）和光纖傳感頭4 (多個，處於不同監測點)，其中傳感 系統主機8包括寬帶光源1、光學強度調製器2、光纖環形器3、光電探測器5、信號處理單元 6、數據輸出及顯示7、密集波分復用器9、光纖法蘭10等模塊。
[0034] 密集波分復用器9為光纖通信領域的常用器件，含多個通道，其功能是將不同波 長的多束光信號復用至一根光纖上，或將復用在一根光纖中的多個波長的光信號按波長分 隔開。密集波分復用器9的各個通道均有其通道的中心波長h (i=l?n，其中η為密集波 分復用器9的通道數量，各個通道的中心波長均需按照ITU標準進行設定）和通道帶寬，即 存在濾波效應，只有波長與li匹配且處於通道帶寬範圍內的光信號才能通過該通道，簡而 言之，波長為li的光信號僅能通過密集波分復用器9中中心波長為^的通道。密集波分復 用器9技術成熟，價格便宜，一般有1--4、1--8、1--16等多種規格，圖2中以1--8規格的產 品為例進行說明，如前所述，該產品可將不同波長（li?1 8)的八束光信號復用至1根光纖 上，或將復用在1根光纖中的八個波長（h?18)的光信號按波長分割開，並輸出至八根光 纖。
[0035] 寬帶光源1發出的直流寬譜光(光譜寬度覆蓋li?18)經過光學強度調製器2後， 被調製成交流寬譜光，再經過光纖環形器3輸出至密集波分復用器9,被密集波分復用器9 分割成八束窄帶光，各束窄帶光的波長與密集波分復用器9的各通道中心波長一一對應， 為h?1 8，且各束窄帶光的光譜寬度與所述密集波分復用器9的通道帶寬一致。
[0036] 傳感系統主機8輸出的八束波長為h?18的窄帶光，通過八根不同長度的可調光 纖延遲線11，傳輸至八個處於不同監測點的光纖傳感頭4,以感應該監測點處的氫氣信息。 傳感系統主機8 (-臺）、可調光纖延遲線11 (八根，不同長度)和光纖傳感頭4 (八個，處於 不同監測點)之間通過光纖法蘭10進行連接，其連接簡單可靠，易於在使用過程中更換不同 的可調光纖延遲線11和光纖傳感頭4,直至滿足測量需求
[0037] 八個光纖傳感頭4感應到八個監測點的氫氣信息，帶有該信息的八束窄帶光(波 長li?18)被各自對應的光纖傳感頭4反射，通過各自對應的可調光纖延遲線11傳輸回傳 感系統主機8,並在密集波分復用器9處被復用成一束寬譜光，通過光纖環形器3傳輸至後 端光路。
[0038] 帶有八個監測點氫氣信息的1束寬譜光，被第二個密集波分復用器9再次分割成 波長為li?18的八束窄帶光，通過八個光電探測器5,將八束窄帶光分別轉換成各自一一 對應的八路電壓信號，送入信號處理單元6進行相關處理。因為密集波分復用器9各個通 道的波長區分作用，八路電壓信號與八個監測點的光纖傳感頭4 一一對應(對應關係如圖 2所示)，從而可以利用這八路電壓信號分別得到八個不同監測點的氫氣信息，不會產生混 淆。
[0039] 最後，通過數據輸出及顯示7,將獲得的數據發送到後繼設備。
[0040] 上述內容中，是以1--8規格的密集波分復用器9為例進行相關說明，可更換為 1--4、1--16以及其他規格，在其他部分不做任何變動的情況下，即可實現4、16以及其他數 量監測點數的氫氣監測。
[0041] 本實用新型並不局限於前述的【具體實施方式】。本實用新型擴展到任何在本說明 書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組 合。
【權利要求】
1. 一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，包括光源、光學強度調製器、 光纖環形器、光纖傳感頭、光電探測器和信號處理單元；所述光源輸出的雷射經光學強度調 制器進行幅度調製，調製後的雷射通過光纖環形器進入光纖傳感頭，光纖傳感頭將反射的 光信號經過光纖環形器到光電探測器解析後到信號處理單元，最後輸出；其特徵為所述光 源為寬帶光源，所述光纖環形器與光纖傳感頭和光電探測器之間分別設置有密集波分復用 器，所述兩個密集波分復用器之間的光路一一對應。
2. 根據權利要求1所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述密集波分復用器與光纖傳感頭之間設置有可調光纖延遲線。
3. 根據權利要求2所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述密集波分復用器的每一路光路分別與一個光纖傳感頭連接，且每一路光路中設置一 根可調光纖延遲線。
4. 根據權利要求3所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述每一根可調光纖延遲線與光纖傳感頭與密集波分復用器之間分別設置有用於連接 的光纖法蘭。
5. 根據權利要求3所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述可調光纖延遲線的長度可調。
6. 根據權利要求1所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述與光電探測器連接的密集波分復用器的每一路光路連接一個獨立的光電探測器。
7. 根據權利要求1所述的一種可實現多點監測的波分復用光纖氫氣傳感系統，其特徵 為所述光纖環形器可用光纖耦合器替換。
【文檔編號】G01N21/39GK203838058SQ201420227086
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】李建中, 雷江波, 劉俊 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所