專利名稱：差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及甲烷氣體的測量，特別是一種利用光纖光柵濾波器的差分吸收式甲烷氣體傳感器。
背景技術(shù)：
甲烷(CH4)是易燃易爆氣體，是天然氣、沼氣和多種液體燃料的主要成分，是重要的工業(yè)原料和日常生活的燃氣，在大氣中爆炸的下限為5.3％，上限為15％。瓦斯(即甲烷)事故是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，瓦斯爆炸一直是困擾采礦業(yè)的重大難題，造成重大傷亡的事故屢有發(fā)生，給國家和人民帶來巨大的損失。同時甲烷也被認為是溫室效應(yīng)最重要的氣體之一。據(jù)報道，甲烷吸收紅外線的能力是二氧化碳的15倍以上，占據(jù)整個溫室效應(yīng)的百分之十五，且空氣中的甲烷濃度還以每年大約百分之一的速度增長。因此開發(fā)一種安全可靠、高靈敏度的甲烷傳感器具有重大的社會意義和經(jīng)濟意義。
目前，監(jiān)測甲烷濃度有多種方案，按照甲烷檢測原理可以分為光學(xué)式、接觸燃燒式、半導(dǎo)體式、酶和生物式、電化學(xué)直接氧化式。光學(xué)式甲烷傳感器具有許多其他傳感器無法比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、防電磁干擾、防燃防爆、不易中毒、且可用光纖傳輸實現(xiàn)長距離遙測等，特別適合于環(huán)境惡劣的礦井下甲烷的檢測。根據(jù)檢測原理還可分為差分吸收光譜式、折射率式、喇曼光譜式和熒光光譜式。相比之下，差分吸收光譜式具有使用簡便、可靠性高和壽命長等優(yōu)勢，因此受到廣泛重視。差分吸收光譜式是用兩個波長(λ1和λ2)相隔很近(但吸收系數(shù)有很大差別)的單色光同時或相差很短時間內(nèi)通過待測氣體，在波長λ1和λ2下，若氣體的吸收系數(shù)a1和a2可以測量，則氣體濃度c可以從λ1和λ2光的輸入輸出光強的變化量求出，這種方式就稱為差分吸收式。差分吸收式不僅能補償或校準光源強度的不穩(wěn)定性和傳輸線路損耗對測量的影響，而且還能消除背景吸收干擾。
在先技術(shù)之一，“Optical-fiber network system forair-pollution monitoring over a wide area by optical absorptionmethod”，(HUMIO INABA，TAKAO KOBAYASI，MASAYUKI HIRAMA，andMOSTAFA HAMZA，Electron.Lett.，1979，Vol.15，No.23，pp749-751)是采用可調(diào)諧激光器實現(xiàn)氣體的差分吸收光譜式測量。這種技術(shù)中，兩個波長的光進入待測氣體的時間不一樣，因此在消除背景吸收干擾方面存在不足，如要提高消除背景吸收干擾能力，則對可調(diào)諧激光器的調(diào)諧速度要求較高。
在先技術(shù)之二，“差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器的研究”(王玉田，郭增軍，王莉田，光電子·激光，2001，Vol.12，No.7，pp675-678)是利用兩個波長不同的寬帶光源作為差分吸收信號，實現(xiàn)甲烷的差分吸收光譜式測量。其測量裝置主要組成部分包括1.兩個發(fā)光二極管光源；2.兩個干涉濾光片；3.一個光纖耦合器；4.一個氣體吸收池；5.一個光電探測器；6.由計算機構(gòu)成的信號處理系統(tǒng)。該技術(shù)使用兩個寬帶光源，增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性；同時由于是兩個獨立的光源，也無法補償或校準光源強度的不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，達到結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、工作更方便。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，包括寬帶光源，其特征在于還有光纖環(huán)行器、氣體吸收池、光纖光柵濾波器、分波器、光電探測器、信號采集處理系統(tǒng)，其連接關(guān)系如下寬帶光源接光纖環(huán)行器的第一端口，該光纖環(huán)行器的第二端口和氣體吸收池相連，氣體吸收池輸出接光纖光柵濾波器，光纖環(huán)行器的第三端口接分波器的輸入端口，該分波器的兩輸出端口分別經(jīng)兩光電探測器接信號采集處理系統(tǒng)。
所述的光纖光柵濾波器是由兩個均勻光纖光柵級聯(lián)組成的。
所述的光纖光柵濾波器是由一雙波長光纖光柵構(gòu)成的。
所述的光纖光柵濾波器是由取樣光纖光柵構(gòu)成的。
所述的光纖光柵濾波器是由兩個相移光纖光柵構(gòu)成的。
所述的分波器是由一光纖分束器的輸出端分別并接兩個光纖光柵組成的。
所述的分波器是由一光纖環(huán)行器輸出接一個光纖光柵組成的。
本發(fā)明的氣體傳感器具有以下優(yōu)點1.采用光纖光柵濾波器系統(tǒng)產(chǎn)生差分吸收測量所需的窄譜光信號，與在先技術(shù)相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本更低；2.窄譜光信號是同時從同一寬帶光源中提取的，與在先技術(shù)相比，具有消除背景吸收干擾和補償或校準光源強度的不穩(wěn)定的能力。
3.充分利用現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)中的成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，利用波分復(fù)用原理，只需改變光纖光柵濾波器中的光纖光柵的組合，就可以方便地實現(xiàn)對不同氣體或多組份氣體的傳感測量。


圖1是本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器實施例1的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光纖光柵濾波器之一結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是光纖光柵濾波器之二結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是光纖光柵濾波器之三結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是光纖光柵濾波器之四結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器實施例2的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明光纖環(huán)形器和光纖光柵組成的分波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是光纖分束器輸入端測得的兩個窄譜光信號的光譜示意圖。
具體實施例方式先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器實施例1的光路結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器由寬帶光源1、光纖環(huán)行器2、氣體吸收池3、光纖光柵濾波器4、分波器5、光電探測器6、7、信號采集處理系統(tǒng)8組成，其連接關(guān)系如下寬帶光源1接光纖環(huán)行器2的第一端口，該光纖環(huán)行器2的第二端口和氣體吸收池3相連，氣體吸收池3的輸出接光纖光柵濾波器4，光纖環(huán)行器2的第三端口接分波器5的輸入端口，該分波器5的兩輸出端分別經(jīng)兩光電探測器6、7接信號采集處理系統(tǒng)8。
本發(fā)明的原理是利用光纖光柵優(yōu)良的窄帶濾波特性來實現(xiàn)差分吸收光譜法氣體測量的。寬帶光源1發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)光纖環(huán)行器2進入氣體吸收池3。從氣體吸收池3出來的光信號進入光纖光柵濾波器4，經(jīng)過光纖光柵濾波器4的波長選擇性反射濾波后形成兩個窄譜光信號。其中一個窄譜光信號的中心波長λ1對應(yīng)待測氣體的特征吸收譜線，待測氣體在該波長處的吸收系數(shù)較大，另一個窄譜光信號的中心波長λ2位于待測氣體的吸收系數(shù)譜線之外，待測氣體在該波長處的吸收系數(shù)很小或等于零。這兩個窄譜光信號再次通過氣體吸收池3后的光信號經(jīng)過環(huán)行器2的第3端口進入分波器5，分波器5將兩個窄譜光信號分開并從不同的端口輸出，中心波長λ1的窄譜光信號進入光電探測器6，中心波長λ2的窄譜光信號進入光電探測器7。光電探測器6和光電探測器7將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后送入信號采集處理系統(tǒng)8進行差分處理。其處理原理如公式(1)所示c=1α(λ1)-α(λ2)I(λ2)-I(λ1)I(λ2)---(1)]]>其中α(λ1)和α(λ2)分別為氣體在波長λ1和λ2處的吸收系數(shù)，I(λ1)和I(λ2)分別為光電探測器6和光電探測器7接收的光信號強度，c為待測氣體濃度。這樣就實現(xiàn)了基于光纖光柵濾波器的差分吸收式光纖甲烷氣體的測量。
光纖光柵濾波器4是本發(fā)明產(chǎn)生兩個用于差分吸收的窄譜光信號的關(guān)鍵技術(shù)，本發(fā)明提出可采用四種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這一目的。
本發(fā)明的光纖光柵濾波器之一，如圖2所示。
該光纖光柵濾波器由寫入單模光纖芯徑10中的均勻光纖光柵11和均勻光纖光柵12級聯(lián)組成，9為單模光纖包層。均勻光纖光柵11和均勻光纖光柵12的中心波長分別對應(yīng)于兩個用于差分吸收的窄譜光信號的中心波長λ1和λ2。
本發(fā)明的光纖光柵濾波器之二，如圖3所示。
該光纖光柵濾波器由寫入單模光纖芯徑10中的雙波長光纖光柵13構(gòu)成。雙波長光纖光柵13的兩個反射波長分別對應(yīng)于兩個用于差分吸收的窄譜光信號的中心波長λ1和λ2。
本發(fā)明的光纖光柵濾波器之三，如圖4所示。
該光纖光柵濾波器由寫入單模光纖芯徑10中的取樣光纖光柵14構(gòu)成。取樣光纖光柵14的反射峰有兩個分別對應(yīng)于兩個用于差分吸收的窄譜光信號的中心波長λ1和λ2。
本發(fā)明的光纖光柵濾波器之四，如圖5所示。
該光纖光柵濾波器由寫入單模光纖芯徑10中的相移光纖光柵15和相移光纖光柵16級聯(lián)組成。相移光纖光柵15反射譜中的透射峰和相移光纖光柵16反射譜中的透射峰分別對應(yīng)于兩個用于差分吸收的窄譜光信號的中心波長λ1和λ2。
本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器實施例2的光路結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。本發(fā)明差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，包括寬帶光源1、光纖環(huán)行器2、氣體吸收池3、光纖光柵17、光纖光柵18、光纖分束器19、光纖光柵20、光纖光柵21、光電探測器6、光電探測器7和信號采集處理系統(tǒng)8。在該實施例中，分波器5由光纖分束器19、光纖光柵20和光纖光柵21組成。分波器5的功能還可以采用其它方式實現(xiàn)，例如采用光纖環(huán)形器+光纖光柵濾波器方式，如圖7所示；還可以采用多層介質(zhì)膜濾波器和陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用器構(gòu)成。
寬帶光源1發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)光纖環(huán)行器2進入氣體吸收池3。從氣體吸收池3出來的光信號中對應(yīng)光纖光柵17和光纖光柵18反射波長的信號經(jīng)過光纖光柵17和光纖光柵18的反射再次通過氣體吸收池3，光纖光柵17的中心波長對應(yīng)待測氣體的特征吸收譜線λ1，待測氣體在該波長處的吸收系數(shù)較大，光纖光柵18的中心波長λ2位于待測氣體的系數(shù)譜線之外，待測氣體在該波長處的吸收系數(shù)很小或等于零。再次通過氣體吸收池3的光信號經(jīng)過環(huán)行器2進入光纖分束器19，光纖分束器19將光信號等功率分成兩路，一路通過光纖光柵20濾波后進入光電探測器6，另一路通過光纖光柵21濾波后進入光電探測器7。光纖光柵20的中心波長和光纖光柵18相同，光纖光柵21的中心波長和光纖光柵17相同，這樣，待測氣體吸收系數(shù)大的波長信號進入光電探測器6，待測氣體吸收系數(shù)小的波長信號進入光電探測器7。光電探測器6和光電探測器7將光信號轉(zhuǎn)換為電信號后送入信號采集處理系統(tǒng)8進行差分處理，這樣就實現(xiàn)了基于光纖光柵濾波器的差分吸收式光纖甲烷氣體測量。
具體元器件為寬帶光源為中心波長在1.3微米波段的發(fā)光二極管，光纖光柵17、21和24的中心波長為1.318微米，光纖光柵18和20為1.331微米，甲烷對1.318微米光幾乎不吸收，而在1.331微米處的吸收很強。在光纖分束器19輸入端測試的光譜如圖8所示，可以看到產(chǎn)生的兩個窄譜光信號光譜。
權(quán)利要求
1.一種差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，包括寬帶光源(1)，其特征在于還有光纖環(huán)行器(2)、氣體吸收池(3)、光纖光柵濾波器(4)、分波器(5)、光電探測器(6、7)、信號采集處理系統(tǒng)(8)，其連接關(guān)系如下寬帶光源(1)接光纖環(huán)行器(2)的第一端口，該光纖環(huán)行器(2)的第二端口和氣體吸收池(3)相連，氣體吸收池(3)輸出接光纖光柵濾波器(4)，光纖環(huán)行器(2)的第三端口接分波器(5)的輸入端口，該分波器(5)的兩輸出端口分別經(jīng)兩光電探測器(6、7)接信號采集處理系統(tǒng)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的光纖光柵濾波器(4)是由兩個均勻光纖光柵(11、12)級聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的光纖光柵濾波器(4)是由雙波長光纖光柵(13)構(gòu)成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的光纖光柵濾波器(4)是由取樣光纖光柵(14)構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的光纖光柵濾波器(4)是由相移光纖光柵(15)和相移光纖光柵(16)構(gòu)成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的分波器(5)是由光纖分束器(19)的輸出分別并接兩個光纖光柵(20)和光纖光柵(21)組成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，其特征在于所述的分波器(5)是由光纖環(huán)行器(22)輸出接一個光纖光柵(20)組成的。
全文摘要
一種差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器，包括寬帶光源，其特征在于還有光纖環(huán)行器、氣體吸收池、光纖光柵濾波器、分波器、光電探測器、信號采集處理系統(tǒng)，其連接關(guān)系如下寬帶光源接光纖環(huán)行器的第一端口，該光纖環(huán)行器的第二端口和氣體吸收池相連，氣體吸收池輸出接光纖光柵濾波器，光纖環(huán)行器的第三端口接分波器的輸入端口，該分波器的兩輸出端口分別經(jīng)兩光電探測器接信號采集處理系統(tǒng)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低和消除干擾的能力。
文檔編號G01N21/25GK1544918SQ200310108619
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者趙浩, 蔡海文, 林楓, 瞿榮輝, 方祖捷, 崔洪亮, 趙 浩 申請人:上海波匯通信科技有限公司, 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所