分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法

2023-05-04 01:44:46

專利名稱：分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感、氣體化學、安全技術領域，具體涉及一種獲取瓦斯氣體濃度的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法。
背景技術：
在礦業安全方面，長期以來，世界各地的重大特大煤礦事故時常發生，死傷人數多的則達數百人。每次重大事故都帶來巨額財產損失，尤其給產業工人的生命帶來無法挽回的損失，給家庭和社會都造成了威脅。煤礦事故的主要原因之一是高濃度瓦斯引起的爆炸，煤礦瓦斯爆炸在全世界都經常發生。目前，對瓦斯的有效監測和控制還是一個世界性難題，人們投入了大量的人力和財力來研究這一問題，但收效甚微。對煤礦礦井的環境和工作過程進行監測控制是一個規避這些惡性事故的有效方法，其中最重要也最主要的是瓦斯(主成分是甲烷)氣體濃度的檢測與控制。瓦斯傳感器是礦井瓦斯綜合治理和災害預測的關鍵裝備，受到人們的廣泛重視。
瓦斯傳感器是一種氣體傳感器。可檢測瓦斯氣體的傳感器主要有1962年問世的半導體金屬氧化物傳感器、接觸燃燒式傳感器以及光纖吸收式傳感器，已廣泛用於煤氣、液化石油氣、天然氣及礦井瓦斯氣體的檢測與報警。接觸燃燒式氣體傳感器分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式，這種傳感器的靈敏度高，價格便宜，適於惡劣環境；其不足是抗高濃衝擊性能差，穩定性差，需經常調校，壽命短，響應時間較長，存在嚴重的安全隱患。另外，利用光纖實現的瓦斯傳感器主要包括光纖氣室吸收式瓦斯傳感器和光纖倏逝波瓦斯傳感器。光纖氣室吸收式瓦斯傳感器由兩根光纖和兩個凹面反射鏡構成；它的優點是可以遙測，電氣絕緣，無安全隱患；其缺點是傳感器體積大，結構複雜，分布式檢測困難，對傳感環境要求較高，防振性差。光纖倏逝波瓦斯傳感器是用化學腐蝕或機械磨蝕的方法去除多模光纖的包層而形成的；該傳感器的優點是操作簡單，測量速度快，傳感系統可小型化；其存在的缺點主要是傳感器的製作繁瑣且很困難，信號噪聲很大，測量精度不高，傳感系統的結構相對複雜，需要高壓分壓系統和冷卻系統。
與本發明相近的瓦斯傳感系統是基於氣室吸收式瓦斯傳感器而形成的一種分布式光纖瓦斯傳感系統。該傳感系統的光纖光路部分如圖1所示，包括一根輸入光纖A、一個光開關B(包括光纖端G)、用光纖串聯的多個光纖傳感器S1～S16(目前最多為16個)、多根返回光纖C1～C16(每個傳感器有一根返回光纖)；串聯的各個傳感器包括光纖環行器(D1～D16)、透過式氣體吸收室(E1～E16)和短周期光纖光柵(F1～F16)。其傳感原理是光通過一根光纖傳輸到一個傳感器中光纖環行器的輸入端(端1)，並從端2輸出到透過式氣體吸收室，再被傳輸到一根光纖中的短周期光纖光柵，部分波長的光被反射回透過式氣體吸收室；再次透過該氣體吸收室的光被傳輸到光纖環行器的端2，並從其端3通過另一根光纖傳輸到光開關，光開關輸出光到光電探測系統；光在兩次經過透過式氣體吸收室時被其中的瓦斯所吸收，通過測量光的吸收量來測量瓦斯氣體的濃度；每個傳感器只取一個窄帶光的光強，不同的傳感器選用不同的窄帶的光，這樣就可以實現瓦斯氣體的分布式檢測。該傳感器的優點是可以遙測，電氣絕緣，無安全隱患。其缺點是(1)每個傳感器的成本高(光纖環行器的價格很昂貴)，(2)傳感器體積較大且結構複雜(需用光纖環行器和透過式氣體吸收室)，(3)分布式檢測困難(每個傳感器需要一根獨立的光纖，布線很困難)，(4)對傳感環境要求較高(需要防塵)，防振性差，(5)使用不方便(需要經常清潔透過式氣體吸收室的內壁，而這是很麻煩的事)，(6)不能消除環境溫度和幹擾對測量的影響(不能得到傳感點的溫度信息，且僅獲取每個傳感器的光強信息)。這些不足和缺陷有待新的技術和方法加以克服與改進。

發明內容
本發明的目的就在於針對現有技術存在的上述不足，提供一種獲取瓦斯氣體濃度的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法。本傳感系統的構建、裝配和調試簡單，容易建造大範圍的分布式瓦斯和溫度傳感網絡；傳感系統中的各個傳感部分完全光纖化，體積小，結構簡單，成本較低，分布式檢測容易，對傳感環境要求不高，使用方便，清潔比較容易，防振性好。其傳感方法可同時檢測瓦斯濃度和溫度，可消除溫度、光源和光路上的幹擾，測試結果穩定可靠。
本發明的技術方案如下本分布式微結構光纖瓦斯傳感系統包含有寬帶光源、光纖、寬帶耦合器、初始短周期光纖光柵、光纖鏈路、光纖光譜解調器和計算機；寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的輸出端通過光纖連接到初始短周期光纖光柵，初始短周期光纖光柵的另一端通過光纖連接到光纖鏈路的前端，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖連接到光纖光譜解調器的光纖輸入端，光纖光譜解調器的數據埠通過數據接口總線(如USB、RS232、485、GPIB等標準數據接口)連接到計算機；光纖鏈路中的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器置於被測瓦斯氣體中。其中，光纖鏈路是由兩個或兩個以上的單反式微結構光纖瓦斯傳感器通過光纖串聯而成，串聯相鄰的該類傳感器時，前一個傳感器的後端與後一個傳感器的前端相連，最前一個傳感器的前端作為光纖鏈路的前端，同一光纖鏈路中任意兩個傳感器的短周期光纖光柵反射中心波長之間的間距大於對應兩個短周期光纖光柵反射波長帶3dB帶寬之和的一半，而任何相鄰兩個傳感器的短周期光纖光柵反射中心波長之間的間距小於對應兩個短周期光纖光柵反射波長帶3dB帶寬之和的2倍；寬帶光源的光譜包含瓦斯氣體的一個或多個吸收光譜帶；初始短周期光纖光柵的中心波長與光纖鏈路中任意傳感器的短周期光纖光柵反射中心波長之間的間距大於初始短周期光纖光柵和其它任意短周期光纖光柵的反射波長帶3dB帶寬之和的一半。
光纖鏈路中的每個單反式微結構光纖瓦斯傳感器，它是在光纖上相距一定距離寫有兩個長周期光纖光柵，作為兩個耦合器，這兩個長周期光纖光柵的諧振耦合中心波長、帶寬和耦合效率相近，它們的波長諧振耦合帶位於瓦斯氣體(主成分是甲烷)的吸收光譜帶內(即近紅外強吸收光譜帶1120～1150nm帶或1150～1170nm帶或1640～1680nm帶或2350～2390nm帶內)。兩個長周期光纖光柵之間的距離為5-800mm，其中心波長處的耦合效率大於99％，波長的3dB帶寬大於7nm，耦合效率大於99％的波長帶寬大於3nm。兩個長周期光纖光柵之間的部分或整段光纖包層是裸露的，沒有塑料保護塗敷層。在兩個長周期光纖光柵之外寫有一個短周期光纖光柵，這個短周期光纖光柵的耦合效率大於90％，其諧振中心波長在長周期光纖光柵的諧振中心波長附近，到長周期光纖光柵的諧振中心波長的間距小於長周期光纖光柵耦合效率99％的波長帶寬的四分之一；短周期光纖光柵到相鄰長周期光纖光柵的距離大於0.5mm(最大距離可達幾十公裡)。有短周期光纖光柵的一端作為傳感器的後端，另一端作為前端。
為了保護單反式微結構光纖瓦斯傳感器，在上述製作了兩個長周期光纖光柵、光纖包層、一個短周期光纖光柵的這段傳感段光纖之外套有一保護套，保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把光纖粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別有一個過渡緩衝套，在保護套外有一透氣的防塵薄層，在保護套兩端的表面標識有傳感器的前端和後端，並標識有該傳感器中短周期光纖光柵的耦合中心波長。
本傳感系統的分布式傳感過程是光源的光通過光纖和寬帶耦合器傳輸到初始短周期光纖光柵，初始短周期光纖光柵反射其耦合帶內的光到寬帶耦合器，其餘波長的光傳輸到光纖鏈路；在光纖鏈路中，各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵將其對應耦合波長帶內的光反射返回，該反射光包含了對應位置瓦斯氣體的信號光，其餘波長的光將被傳輸到後面的其它單反式微結構光纖瓦斯傳感器，後面的單反式微結構光纖瓦斯傳感器又將其對應的短周期光纖光柵耦合波長帶內的光反射返回並作為其瓦斯氣體的信號光；不同單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵具有不同的耦合波長帶，反射返回不同光波長的光，因此不同波長帶的光譜信息代表了不同位置的瓦斯氣體濃度和溫度信息。在各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器中，(1)其兩個長周期光纖光柵和一個短周期光纖光柵的諧振波長帶都在瓦斯氣體的吸收光譜帶內，對應波長帶內的光纖芯中的光到達一個長周期光纖光柵時，長周期光纖光柵諧振波長帶內的光被耦合到光纖包層中傳輸；(2)光纖包層中的光在光纖包層與瓦斯氣體的接觸界面上發生全反射並產生倏逝波，倏逝波穿過光纖包層進入瓦斯氣體並被瓦斯氣體吸收；(3)倏逝波的穿透深度和被吸收的光能量與瓦斯氣體的濃度有關，受瓦斯濃度影響的倏逝波返回光纖包層，繼續在其它點產生全反射和倏逝波，並被瓦斯氣體吸收和影響；(4)當光纖包層的光到達第二個長周期光纖光柵時，又被耦合到光纖芯中傳輸；(5)光到達第二個短周期光纖光柵時，該短周期光纖光柵諧振中心波長處的光被反射回來；被反射回的光到達第二個長周期光纖光柵時再次被耦合到光纖包層，又在光纖包層與瓦斯氣體的接觸界面產生多次全反射、倏逝波、被瓦斯氣體吸收並返回光纖包層。返回光纖包層的光再次到達第一個長周期光纖光柵時又被耦合到光纖芯，並作為信號光傳輸到檢測系統或單元。初始短周期光纖光柵和光纖鏈路中各個傳感器的短周期光纖光柵反射返回到寬帶耦合器的信號光被傳輸到光纖光譜解調器，計算機通過光纖光譜解調器獲取各個短周期光纖光柵反射光的光譜數據(包括其波長和幅值)，並計算出各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的瓦斯氣體濃度和溫度。在計算機獲取的各個短周期光纖光柵反射的信號光包括了強度和中心波長信息，其信號光的中心波長僅與溫度有關，由此可確定出溫度；而強度信息受瓦斯氣體濃度的影響，用信號光強計算瓦斯氣體的濃度，並以獲取的溫度值來校正瓦斯氣體濃度的測量值。這樣，本傳感系統就可得到沿光纖鏈路上各個傳感器分布的瓦斯濃度和溫度測量值。
本分布式微結構光纖瓦斯傳感系統獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法是光纖鏈路上的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器感知各個傳感器處的瓦斯氣體的濃度和溫度信息，光纖光譜解調器同時獲取各個傳感器的反射光譜數據(包括波長和幅值數據)並傳輸到計算機，計算機根據這些光譜數據計算得到各個傳感器處瓦斯氣體的溫度和濃度測量值；其具體步驟為步驟1是標定光纖鏈路上各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]、敏感係數k2[i]、校正係數k3[i]和初始常數a0[i]([]和其中的數值表示序號，即方括號中的i表示光纖鏈路中各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號，從光纖鏈路的前端到後端依序遞增排序，最前端傳感器的序號為1，最後端傳感器的序號為N；i也表示傳感系統中各個短周期光纖光柵的序號，初始短周期光纖光柵的序號為0，從光纖鏈路前端開始的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器中的短周期光纖光柵的序號為i，i＝0、1、2、3......N，以下序號i與此相同)(1)首先是獲取標定係數時需要用到的數據(a)光纖鏈路中各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵反射光的幅值和中心波長分別為I0[i]和λ0[i]，i＝0、1、2、3......N；(b)光纖鏈路中各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為參考濃度C1的氣體盒中，計算機獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵反射光的幅值分別為I1[i]，i＝0、1、2、3......N；(c)光纖鏈路中各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為標定溫度Tr而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵反射光的幅值和中心波長分別為I2[i]和λr[i]，i＝0、1、2、3......N；(d)光纖鏈路中各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為標定溫度Tr而瓦斯濃度為參考濃度C1的氣體盒中，計算機獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵反射光的幅值分別為I3[i]，i＝0、1、2、3......N。(2)在得到上述數據後，計算機根據這些數據計算本傳感系統中光纖鏈路上的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]、敏感係數k2[i]、校正係數k3[i]和初始常數a0[i]，i＝0、1、2、3......N，其具體計算公式如下(a)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]為k1[i]=Tr-T0r[i]-0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；i是各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號，i＝1、2、3......N；λ0[i]是溫度為T0且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λr[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(b)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數k2[i]為k2[i]=C1ln{I3[i]I2[i-1]I3[i-1]I2[i]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(c)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的校正係數k3[i]為k3[i]=C1ln{I1[i]I3[i-1]I1[i-1]I3[i]}(Tr-T0)ln{I2[i-1]I3[i]I2[i-1]I3[I-1]}]]>
其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；Tr是標定溫度，T0是參考溫度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I1[i]是溫度為T0而瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(d)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的初始常數a0[i]為a0[i]=C1ln{I0[i]I0[I-1]}ln{I2[i]I3[I-1]I2[I-1]I3[I]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0[i]是溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；步驟2是測試瓦斯氣體的濃度和溫度(1)首先，光纖鏈路中的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器分布式地置於被測瓦斯氣體中，此時計算機從光纖光譜解調器獲取的光譜數據中得到各個短周期光纖光柵反射光的幅值和中心波長分別為I[i]和λ[i]，i＝0、1、2、3......N；(2)然後，計算得到各個傳感器處的溫度變化量，光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量ΔT[i]為ΔT[i]＝k1[i]{λ[i]-λ0[i]}其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號；k1[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數；λ0[i]是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ[i]是測試時獲取的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；
(3)最後計算得到沿光纖鏈路上各個傳感器分布的瓦斯氣體濃度，分布式微結構光纖瓦斯傳感系統計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的瓦斯氣體濃度C[i]為C[i]=k2[i]ln{I[i]I[i-1]}+k3[i]T[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號，對應不同傳感器的分布位置；k2[i]、k3[i]和a0[i]分別是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數、校正係數和初始常數，由步驟1的標定過程得到；ΔT[i]是測試時計算得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量；I[i]是測試時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值；I[i-1]是測試時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值。
這樣，在得到光譜數據後就測量出了沿光纖鏈路上各個傳感器分布的瓦斯氣體濃度，其測量值受溫度、光源及光路上幹擾的影響較小。
本分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法的優點本分布式瓦斯傳感系統及傳感方法的優點是(1)本傳感系統中的單反式微結構光纖瓦斯傳感器是在一段完整的光纖上實現的，其結構穩定，體積小，防振性好，測量範圍寬(可達0～17％)，抗高濃衝擊性能好，反應時間快，壽命長，不需經常調校傳感器，沒有氣體吸收氣室，使用維護方便，塵埃的清潔簡單容易，電氣絕緣，不燃燒，絕對安全，無安全隱患；(2)本傳感系統及傳感方法可實現大範圍內瓦斯的分布式檢測，系統布線簡單，整體成本低，也可實現遙測，無中繼遙測距離可達10公裡以上，算法的規律性強，計算較簡單；(3)該傳感系統可同時獲取瓦斯氣體的濃度和溫度分布信息，其傳感方法消除了分布溫度對對應傳感器瓦斯濃度測量的影響。


圖1是分布式光纖氣室吸收式瓦斯傳感系統結構圖；圖2是本專利涉及的單反式微結構光纖瓦斯傳感器結構圖；圖3是本專利涉及的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統結構圖；圖4是本專利涉及的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統的局部細化圖。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明參見圖2，本傳感系統中的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的結構有光纖塗覆層1、光纖包層2、光纖纖芯3、長周期光纖光柵LPFG14、長周期光纖光柵LPFG25，短周期光纖光柵6、保護套7，塵埃過濾薄層8，固化膠9，過渡緩衝套10。其中，光纖材料是石英，在去除了塑料保護塗層的一段光纖上設有長度約20mm的兩個長周期光纖光柵；這兩個長周期光纖光柵相距10cm，它們的耦合中心波長都為1160nm，其3dB帶寬均為10nm，其中心波長處的耦合效率均為99.7％，其耦合效率大於99％的波長帶寬均為3.5nm；在這兩個長周期光纖光柵之外設有一個短周期光纖光柵，該短周期光纖光柵到相鄰的長周期光纖光柵的距離是4mm，其長度為5mm，其耦合效率為95％，其3dB波長帶寬為0.4nm，其諧振中心波長為1160.7nm；兩個長周期光纖光柵之間的光纖包層是裸露的，其餘處的光纖包層有塑料保護塗層；在有兩個長周期光纖光柵和一個短周期光纖光柵的這段光纖之外設有一保護套，保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把光纖粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別設有一個過渡緩衝套，在保護套外設有一透氣的防塵薄層，在靠近短周期光纖光柵的這段保護套外表面標識有「後端」和「1160.7nm」，在保護套另一端的外表面標識有「前端」。按照上述相似的組成結構，另外再構成兩個單反式微結構光纖瓦斯傳感器，這兩個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的結構及其參數與上述的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的結構和參數基本相同，其不同之處在於其中一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的兩個長周期光纖光柵耦合中心波長為1161nm，其短周期光纖光柵的諧振中心波長為1161.7nm，在靠近短周期光纖光柵的保護套外表面標識有「後端」和「1161.7nm」；而另一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的兩個長周期光纖光柵的耦合中心波長為1162nm，其短周期光纖光柵的諧振中心波長為1162.7nm，在靠近短周期光纖光柵的這段保護套外表面標識有「後端」和「1162.7nm」。在構成了這三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器後，通過光纖把標識有「1160.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的「後端」與標識有「1161.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的「前端」相連，再通過光纖把標識有「1161.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的「後端」與標識有「1162.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的「前端」相連。這樣就構成了由三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器組成的光纖鏈路(N＝3)，標識有「1160.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的「前端」是該光纖鏈路的前端。
參見圖3，本傳感系統的結構有寬帶光源A、光纖B1～B4、寬帶耦合器Cw、多個單反式微結構光纖瓦斯傳感器S1～SN組成的光纖鏈路，以及光纖光譜解調器D、計算機E。其構成方法是中心波長約1160nm、帶寬約40nm的寬帶光源A通過光纖B1連接到寬帶耦合器Cw的一個輸入端，寬帶耦合器Cw的輸出端通過光纖B3連接到初始短周期光纖光柵GO的一端，初始短周期光纖光柵GO的另一端通過光纖B4連接到光纖鏈路的前端(即標有「1160.7nm」的單反式微結構光纖瓦斯傳感器的前端)，寬帶耦合器Cw的另一輸入端通過光纖B2連接到光纖光譜解調器D(其波長解析度為0.01nm，可測最小幅值為-70dBm，波長解調時間為1秒)的光纖輸入端，光纖光譜解調器D的數據輸出端通過GPIB接口總線連接到計算機。初始短周期光纖光柵GO的諧振中心波長為1159.7nm，其反射率(諧振耦合率)為90％，其耦合波長帶的3dB帶寬為0.4nm。在本分布式微結構光纖瓦斯傳感系統中，光源的光通過光纖和寬帶耦合器傳輸到初始短周期光纖光柵，其1159.7nm波長附近的光被初始短周期光纖光柵反射到光纖光譜解調器，作為光源和光路的初始參考信號，其餘波長處的光傳輸到光纖鏈路上的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器；在光纖鏈路的各個傳感器中，長周期光纖光柵耦合波長帶(包括其中心波長)的光將經過兩個長周期光纖光柵的耦合、全反射及其倏逝波作用、瓦斯氣體的吸收、短周期光纖光柵的反射、再耦合和再吸收等過程，其中短周期光纖光柵中心波長處的光將返回到寬帶耦合器並被傳輸到光纖光譜解調器；這樣，光纖鏈路上三個傳感器反射到光纖光譜解調器的光是1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近的三個窄波長帶的光，這三個窄波長帶光的幅值受對應位置的瓦斯濃度的影響，其窄波長帶光的中心波長受溫度的影響；光纖光譜解調器D獲取初始短周期光纖光柵和光纖鏈路上各個傳感器的反射光的光譜數據，並通過GPIB數據接口將其送到計算機E；計算機獲取這些光譜數據，分別以序號0、1、2、3來標識1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近的窄帶光，再根據這四個窄帶光的光強和中心波長計算出三個傳感器對應位置的溫度和瓦斯氣體濃度。
本實施例獲取分布瓦斯氣體濃度的傳感方法是光纖鏈路上的三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器感知三個不同位置的瓦斯氣體濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取初始短周期光纖光柵和三個傳感器在1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近的反射光譜數據並傳輸到計算機；計算機以序號i＝0、1、2、3來分別標識1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近的窄帶光，再根據這四個窄帶光的光強和中心波長計算出三個傳感器對應位置的溫度和瓦斯氣體濃度的測量值。其具體步驟為步驟1是標定三個傳感器的溫度係數k1[i]、敏感係數k2[i]、校正係數k3[i]和初始常數a0[i](i＝1、2、3)(1)光纖鏈路中的三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為參考溫度T0＝10℃而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近窄帶光的光強和中心波長分別為I0[i]和λ0[i]，i＝0、1、2、3；(2)光纖鏈路中的三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為參考溫度T0＝10℃而瓦斯濃度為4％的氣體盒中，計算機獲取1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近窄帶光的光強分別為I1[i]，i＝0、1、2、3；(3)光纖鏈路中的三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為標定溫度Tr＝25℃而瓦斯濃度為0的氣體盒中，計算機獲取1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近窄帶光的光強和中心波長分別為I2[i]和λr[i]，i＝0、1、2、3；(4)光纖鏈路中的三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器同時被置於溫度為標定溫度Tr＝25℃而瓦斯濃度為4％的氣體盒中，計算機獲取1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近窄帶光的光強分別為I3[i]，i＝0、1、2、3；(5)將獲取的上述數據代入前述標定溫度係數k1[i]、敏感係數k2[i]、校正係數k3[i]和初始常數a0[i]的計算公式，得到光纖鏈路上三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]、敏感係數k2[i]、校正係數k3[i]和初始常數a0[i](i＝1、2、3)。步驟2是測試光纖鏈路上三個傳感器處分布的瓦斯濃度(1)光纖鏈路的三個傳感器被分布於三個不同位置的瓦斯氣體中，計算機獲取1159.7nm、1160.7nm、1161.7nm和1162.7nm波長附近窄帶光的光強和中心波長分別為I[i]和λ[i]，i＝0、1、2、3；(2)根據前述測試時的計算公式，以及步驟1得到的部分光譜數據、三個傳感器的係數k1[i]、k2[i]、k3[i]和初始常數a0[i](i＝1、2、3)，計算出光纖鏈路上三個傳感器處相對於參考溫度T0＝10℃的溫度變化量ΔT[i](i＝1、2、3)，再計算出光纖鏈路上三個傳感器處分布的瓦斯氣體濃度C[i](i＝1、2、3)。這樣就得到光纖鏈路上三個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處分布的瓦斯氣體濃度的測量值。該傳感系統的濃度解析度可小於0.1％，溫度解析度為1℃，傳感器之間的空間分布距離可小於15cm，其測量時間可小於2秒。
權利要求
1.分布式微結構光纖瓦斯傳感系統，其特徵在於它包括寬帶光源、寬帶耦合器、初始短周期光纖光柵、光纖鏈路、光纖光譜解調器和計算機；寬帶光源通過光纖連接到寬帶耦合器的一個輸入端，寬帶耦合器的輸出端通過光纖連接到初始短周期光纖光柵，初始短周期光纖光柵通過光纖連接到光纖鏈路的前端，寬帶耦合器的另一個輸入端通過光纖連接到光纖光譜解調器的光纖輸入端，光纖光譜解調器的數據埠通過數據接口線連接到計算機；光纖鏈路是由兩個或兩個以上的單反式微結構光纖瓦斯傳感器通過光纖串聯而成的；單反式微結構光纖瓦斯傳感器包括光纖上相隔一定距離的兩個長周期光纖光柵和在這兩個長周期光纖光柵之外的一個短周期光纖光柵，這兩個長周期光纖光柵具有相近的耦合中心波長、帶寬和耦合效率，這兩個長周期光纖光柵的諧振波長帶都在瓦斯氣體的吸收光譜帶內，這兩個長周期光纖光柵之間的光纖包層是裸露的，該短周期光纖光柵的反射中心波長在長周期光纖光柵的諧振中心波長附近；初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器短周期光纖光柵中的任何兩個短周期光纖光柵的反射中心波長的間隔大於對應兩個短周期光纖光柵反射波長帶的3dB帶寬之和的一半。
2.根據權利要求1所述的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統，其特徵在於光纖鏈路中的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器按其短周期光纖光柵反射中心波長的遞增或遞減的順序串聯，前一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的後端與後一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的前端連接，初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感短周期光纖光柵中的任何相鄰兩個短周期光纖光柵的反射中心波長的間隔小於對應兩個短周期光纖光柵反射波長帶的3dB帶寬之和的2倍；單反式微結構光纖瓦斯傳感器中，兩個長周期光纖光柵之間的距離為5-800mm，長周期光纖光柵中心波長處的耦合效率大於99％，長周期光纖光柵耦合效率大於99％的波長帶寬大於3nm，短周期光纖光柵到相鄰長周期光纖光柵的距離大於0.5mm，短周期光纖光柵耦合效率大於90％，短周期光纖光柵中心波長到長周期光纖光柵耦合中心波長的間距小於長周期光纖光柵99％耦合效率的波長帶寬的四分之一。
3.根據權利要求1或2所述的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統，其特徵在於在光纖鏈路上的包含了兩個長周期光纖光柵、光纖包層和一個短周期光纖光柵的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器之外套有一保護套，各個保護套上有小孔，在靠近保護套的兩端部用固化膠把傳感光纖段粘貼到保護套上，在保護套的兩端部分別有一個過渡緩衝套，在保護套外有透氣的防塵薄層。
4.由權利要求1或2所述的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統的傳感方法，其特徵在於光纖鏈路上的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器感知各個探測點的瓦斯氣體濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器反射返回的光譜數據並傳輸到計算機；計算機根據各個短周期光纖光柵的光譜數據和遞推相對比值法，以前一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵反射光的幅值作為後一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的參考信號，來計算後一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的瓦斯氣體的溫度和濃度；其具體步驟為先標定光纖鏈路上各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數、敏感係數、校正係數和初始常數，然後是測試計算出所述各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量，最後再用遞推相對比值法測試計算出各個被測點的瓦斯氣體濃度；其標定和測試時的計算公式分別為(1)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]為k1[i]=Tr-T0r[i]-0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；[]和其中的數值表示序號，[]中的值既可表示初始短周期光纖光柵和單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號，也可表示初始短周期光纖光柵和單反式微結構光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵的反射光譜帶的序號，初始短周期光纖光柵的序號為0，從光纖鏈路的前端開始依序遞增地對各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵編號為1、2、3.....N，N為光纖鏈路中單反式微結構光纖瓦斯傳感器的個數，i＝0、1、2、3......N，以下同；該式中i＝1、2、3......N；λ0[i]是溫度為T0且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λr[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(2)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數k2[i]為k2[i]=C1ln{I3[i]I2[i-1]I3[i-1]I2[i]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(3)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的校正係數k3[i]為k3[i]=C1ln{I1[i]I3[i-1]I1[i-1]I3[i](Tr-T0)ln{I2[i-1]I3[i]I2[i]I3[i-1]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；Tr是標定溫度，T0是參考溫度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I1[i]是溫度為T0而瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(4)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的初始常數a0[i]為a0[i]=C1ln{I0[i]I0[i-1]}ln{I2[i]I3[i-1]I2[i-1]I3[i]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0[i]是溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(5)測試時，光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量ΔT[i]為ΔT[i]＝k1[i]{λ[i]-λ0[i]}其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；k1[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數；λ0[i]是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ[i]是測試時獲取的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(6)測試時，分布式微結構光纖瓦斯傳感系統計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的被測瓦斯氣體濃度C[i]為C[i]=k2[i]ln{I[i]I[i-1]}+k3[i]T[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；k2[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數；k3[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的校正係數；a0[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的初始常數；I[i]是測試時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值；I[i-1]是測試時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；ΔT[i]是測試時計算得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量。
5.由權利要求3所述的分布式微結構光纖瓦斯傳感系統的傳感方法，其特徵在於光纖鏈路上的各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器感知各個探測點的瓦斯氣體濃度和溫度信息，光纖光譜解調器獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器反射返回的光譜數據並傳輸到計算機；計算機根據各個短周期光纖光柵的光譜數據和遞推相對比值法，以前一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵反射光的幅值作為後一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的參考信號，來計算後一個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的瓦斯氣體的溫度和濃度；其具體步驟為先標定光纖鏈路上各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數、敏感係數、校正係數和初始常數，然後是測試計算出所述各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量，最後再用遞推相對比值法測試計算出各個被測點的瓦斯氣體濃度；其標定和測試時的計算公式分別為(1)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數k1[i]為k1[i]=Tr-T0r[i]-0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；[]和其中的數值表示序號，[]中的值既可表示初始短周期光纖光柵和單反式微結構光纖瓦斯傳感器的序號，也可表示初始短周期光纖光柵和單反式微結構光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵的反射光譜帶的序號，初始短周期光纖光柵的序號為0，從光纖鏈路的前端開始依序遞增地對各個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵編號為1、2、3.....N，N為光纖鏈路中單反式微結構光纖瓦斯傳感器的個數，i＝0、1、2、3......N，以下同；該式中i＝1、2、3......N；λ0[i]是溫度為T0且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λr[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(2)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數k2[i]為k2[i]=C1ln{I3[i]I2[i-1]I3[i-1]I2[i]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(3)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的校正係數k3[i]為k3[i]=C1ln{I1[i]I3[i-1]I1[i-1]I3[i]}(Tr-T0)ln{I2[i-1]I3[i]I2[i]I3[i-1]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；Tr是標定溫度，T0是參考溫度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I1[i]是溫度為T0而瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I1[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(4)光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的初始常數a0[i]為a0[i]=C1ln{I0[i]I0[i-1]}ln{I2[i]I3[i-1]I2[i-1]I3[i]}]]>其中，C1是標定時瓦斯氣體的參考濃度；i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為C1時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I3[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I2[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I2[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；I0[i]是溫度為參考溫度T0而瓦斯濃度為0時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值，I0[i-1]是此時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；(5)測試時，光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量ΔT[i]為ΔT[i]＝k1[i]{λ[i]-λ0[i]}其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；k1[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的溫度係數；λ0[i]是標定過程中溫度為參考溫度T0時的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；λ[i]是測試時獲取的第i個短周期光纖光柵反射光的中心波長；(6)測試時，分布式微結構光纖瓦斯傳感系統計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處的被測瓦斯氣體濃度C[i]為C[i]=k2[i]ln{I[i]I[i-1]}+k3[i]T[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結構光纖瓦斯傳感器或其中的短周期光纖光柵及其反射光譜帶的序號；k2[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的敏感係數；k3[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的校正係數；a0[i]是標定時得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器的初始常數；I[i]是測試時第i個短周期光纖光柵反射光的幅值；I[i-1]是測試時第i-1個短周期光纖光柵反射光的幅值；ΔT[i]是測試時計算得到的第i個單反式微結構光纖瓦斯傳感器處相對於參考溫度的溫度變化量。
全文摘要
本發明公開一種分布式微結構光纖瓦斯傳感系統及傳感方法，分布式微結構光纖瓦斯傳感系統由經光纖連接的寬帶光源、寬帶耦合器、初始短周期光纖光柵、串行連接的多個單反式微結構光纖瓦斯傳感器、光纖鏈路、光纖光譜解調器和計算機構成；其中單反式微結構光纖瓦斯傳感器由一段光纖上的一個短周期光纖光柵和兩個長周期光纖光柵形成。其獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法是先標定出各個傳感器的溫度係數和敏感係數，再測試出各個傳感點被測的瓦斯氣體濃度。該傳感系統的構建、裝配和調試簡單，功能強，可同時實現瓦斯和溫度的分布式檢測和遙測，測試結果穩定可靠。
文檔編號G01N21/01GK1766570SQ20051005739
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月22日 優先權日2005年11月22日
發明者曾祥楷 申請人:重慶工學院