專利名稱：分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感、氣體化學(xué)、安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種獲取瓦斯氣體濃度的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法。
背景技術(shù)：
在礦業(yè)安全方面，長期以來，世界各地的重大特大煤礦事故時常發(fā)生，死傷人數(shù)多的則達數(shù)百人。每次重大事故都帶來巨額財產(chǎn)損失，尤其給產(chǎn)業(yè)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(jīng)常發(fā)生。目前，對瓦斯的有效監(jiān)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(huán)境和工作過程進行監(jiān)測控制是一個規(guī)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(zāi)害預(yù)測的關(guān)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?？蓹z測瓦斯氣體的傳感器主要有1962年問世的半導(dǎo)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，已廣泛用于煤氣、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，適于惡劣環(huán)境；其不足是抗高濃沖擊性能差，穩(wěn)定性差，需經(jīng)常調(diào)校，壽命短，響應(yīng)時間較長，存在嚴重的安全隱患。另外，利用光纖實現(xiàn)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(gòu)成；它的優(yōu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布式檢測困難，對傳感環(huán)境要求較高，防振性差。光纖倏逝波瓦斯傳感器是用化學(xué)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(yōu)點是操作簡單，測量速度快，傳感系統(tǒng)可小型化；其存在的缺點主要是傳感器的制作繁瑣且很困難，信號噪聲很大，測量精度不高，傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要高壓分壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。
與本發(fā)明相近的瓦斯傳感系統(tǒng)是基于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(tǒng)。該傳感系統(tǒng)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(guān)B(包括光纖端G)、用光纖串聯(lián)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(lián)的各個傳感器包括光纖環(huán)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?shù)揭粋€傳感器中光纖環(huán)行器的輸入端(端1)，并從端2輸出到透過式氣體吸收室，再被傳輸?shù)揭桓饫w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?shù)焦饫w環(huán)行器的端2，并從其端3通過另一根光纖傳輸?shù)焦忾_關(guān)，光開關(guān)輸出光到光電探測系統(tǒng)；光在兩次經(jīng)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(xiàn)瓦斯氣體的分布式檢測。該傳感器的優(yōu)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(huán)行器的價格很昂貴)，(2)傳感器體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜(需用光纖環(huán)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(huán)境要求較高(需要防塵)，防振性差，(5)使用不方便(需要經(jīng)常清潔透過式氣體吸收室的內(nèi)壁，而這是很麻煩的事)，(6)不能消除環(huán)境溫度和干擾對測量的影響(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(shù)和方法加以克服與改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于針對現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法。本傳感系統(tǒng)的構(gòu)建、裝配和調(diào)試簡單，容易建造大范圍的分布式瓦斯和溫度傳感網(wǎng)絡(luò)；傳感系統(tǒng)中的各個傳感部分完全光纖化，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，分布式檢測容易，對傳感環(huán)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?jié)舛群蜏囟?，可消除溫度、光源和光路上的干擾，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)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(diào)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(diào)器的光纖輸入端，光纖光譜解調(diào)器的數(shù)據(jù)端口通過數(shù)據(jù)接口總線(如USB、RS232、485、GPIB等標準數(shù)據(jù)接口)連接到計算機；光纖鏈路中的各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器置于被測瓦斯氣體中。其中，光纖鏈路是由兩個或兩個以上的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器通過光纖串聯(lián)而成，串聯(lián)相鄰的該類傳感器時，前一個傳感器的后端與后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于對應(yīng)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于對應(yīng)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于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(jié)構(gòu)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于瓦斯氣體(主成分是甲烷)的吸收光譜帶內(nèi)(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(nèi))。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于99％，波長的3dB帶寬大于7nm，耦合效率大于99％的波長帶寬大于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，沒有塑料保護涂敷層。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于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于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于0.5mm(最大距離可達幾十公里)。有短周期光纖光柵的一端作為傳感器的后端，另一端作為前端。
為了保護單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器，在上述制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沖套，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后端，并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(tǒng)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?shù)匠跏级讨芷诠饫w光柵，初始短周期光纖光柵反射其耦合帶內(nèi)的光到寬帶耦合器，其余波長的光傳輸?shù)焦饫w鏈路；在光纖鏈路中，各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的短周期光纖光柵將其對應(yīng)耦合波長帶內(nèi)的光反射返回，該反射光包含了對應(yīng)位置瓦斯氣體的信號光，其余波長的光將被傳輸?shù)胶竺娴钠渌鼏畏词轿⒔Y(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器，后面的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器又將其對應(yīng)的短周期光纖光柵耦合波長帶內(nèi)的光反射返回并作為其瓦斯氣體的信號光；不同單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)，對應(yīng)波長帶內(nèi)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(nèi)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(fā)生全反射并產(chǎn)生倏逝波，倏逝波穿過光纖包層進入瓦斯氣體并被瓦斯氣體吸收；(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(guān)，受瓦斯?jié)舛扔绊懙馁渴挪ǚ祷毓饫w包層，繼續(xù)在其它點產(chǎn)生全反射和倏逝波，并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(chǎn)生多次全反射、倏逝波、被瓦斯氣體吸收并返回光纖包層。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，并作為信號光傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)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?shù)焦饫w光譜解調(diào)器，計算機通過光纖光譜解調(diào)器獲取各個短周期光纖光柵反射光的光譜數(shù)據(jù)(包括其波長和幅值)，并計算出各個單反式微結(jié)構(gòu)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(guān)，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，并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(tǒng)就可得到沿光纖鏈路上各個傳感器分布的瓦斯?jié)舛群蜏囟葴y量值。
本分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(diào)器同時獲取各個傳感器的反射光譜數(shù)據(jù)(包括波長和幅值數(shù)據(jù))并傳輸?shù)接嬎銠C，計算機根據(jù)這些光譜數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]、敏感系數(shù)k2[i]、校正系數(shù)k3[i]和初始常數(shù)a0[i]([]和其中的數(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的序號，從光纖鏈路的前端到后端依序遞增排序，最前端傳感器的序號為1，最后端傳感器的序號為N；i也表示傳感系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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)首先是獲取標定系數(shù)時需要用到的數(shù)據(jù)(a)光纖鏈路中各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為參考溫度T0而瓦斯?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為參考溫度T0而瓦斯?jié)舛葹閰⒖紳舛菴1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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為標定溫度Tr而瓦斯?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為標定溫度Tr而瓦斯?jié)舛葹閰⒖紳舛菴1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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)后，計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算本傳感系統(tǒng)中光纖鏈路上的各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]、敏感系數(shù)k2[i]、校正系數(shù)k3[i]和初始常數(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]為k1[i]=Tr-T0λr[i]-λ0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；i是各個單反式微結(jié)構(gòu)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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的校正系數(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為Tr且瓦斯?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹镃1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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的初始常數(shù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的序號；I3[i]是溫度為標定溫度Tr且瓦斯?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器分布式地置于被測瓦斯氣體中，此時計算機從光纖光譜解調(diào)器獲取的光譜數(shù)據(jù)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)然后，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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)；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)最后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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結(jié)構(gòu)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]ΔT[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的序號，對應(yīng)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)、校正系數(shù)和初始常數(shù)，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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于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(shù)據(jù)后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、光源及光路上干擾的影響較小。
本分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法的優(yōu)點本分布式瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法的優(yōu)點是(1)本傳感系統(tǒng)中的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器是在一段完整的光纖上實現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，體積小，防振性好，測量范圍寬(可達0～17％)，抗高濃沖擊性能好，反應(yīng)時間快，壽命長，不需經(jīng)常調(diào)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(tǒng)及傳感方法可實現(xiàn)大范圍內(nèi)瓦斯的分布式檢測，系統(tǒng)布線簡單，整體成本低，也可實現(xiàn)遙測，無中繼遙測距離可達10公里以上，算法的規(guī)律性強，計算較簡單；(3)該傳感系統(tǒng)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(yīng)傳感器瓦斯?jié)舛葴y量的影響。


圖1是分布式光纖氣室吸收式瓦斯傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是本專利涉及的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖3是本專利涉及的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本專利涉及的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)的局部細化圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明參見圖2，本傳感系統(tǒng)中的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)有光纖涂覆層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，過渡緩沖套10。其中，光纖材料是石英，在去除了塑料保護涂層的一段光纖上設(shè)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％，其耦合效率大于99％的波長帶寬均為3.5nm；在這兩個長周期光纖光柵之外設(shè)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，其余處的光纖包層有塑料保護涂層；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(shè)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(shè)有一個過渡緩沖套，在保護套外設(shè)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“后端”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(jié)構(gòu)，另外再構(gòu)成兩個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器，這兩個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與上述的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)基本相同，其不同之處在于其中一個單反式微結(jié)構(gòu)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“后端”和“1161.7nm”；而另一個單反式微結(jié)構(gòu)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“后端”和“1162.7nm”。在構(gòu)成了這三個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器后，通過光纖把標識有“1160.7nm”的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的“后端”與標識有“1161.7nm”的單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的“后端”與標識有“1162.7nm”的單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的“前端”相連。這樣就構(gòu)成了由三個單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)有寬帶光源A、光纖B1～B4、寬帶耦合器Cw、多個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器S1～SN組成的光纖鏈路，以及光纖光譜解調(diào)器D、計算機E。其構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)器D(其波長分辨率為0.01nm，可測最小幅值為-70dBm，波長解調(diào)時間為1秒)的光纖輸入端，光纖光譜解調(diào)器D的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)中，光源的光通過光纖和寬帶耦合器傳輸?shù)匠跏级讨芷诠饫w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(diào)器，作為光源和光路的初始參考信號，其余波長處的光傳輸?shù)焦饫w鏈路上的各個單反式微結(jié)構(gòu)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(jīng)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并被傳輸?shù)焦饫w光譜解調(diào)器；這樣，光纖鏈路上三個傳感器反射到光纖光譜解調(diào)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(yīng)位置的瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，其窄波長帶光的中心波長受溫度的影響；光纖光譜解調(diào)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(shù)據(jù)，并通過GPIB數(shù)據(jù)接口將其送到計算機E；計算機獲取這些光譜數(shù)據(jù)，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(jù)這四個窄帶光的光強和中心波長計算出三個傳感器對應(yīng)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(jié)構(gòu)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(diào)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(shù)據(jù)并傳輸?shù)接嬎銠C；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(jù)這四個窄帶光的光強和中心波長計算出三個傳感器對應(yīng)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系數(shù)k1[i]、敏感系數(shù)k2[i]、校正系數(shù)k3[i]和初始常數(shù)a0[i](i＝1、2、3)(1)光纖鏈路中的三個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為參考溫度T0＝10℃而瓦斯?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為參考溫度T0＝10℃而瓦斯?jié)舛葹?％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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為標定溫度Tr＝25℃而瓦斯?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器同時被置于溫度為標定溫度Tr＝25℃而瓦斯?jié)舛葹?％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(shù)據(jù)代入前述標定溫度系數(shù)k1[i]、敏感系數(shù)k2[i]、校正系數(shù)k3[i]和初始常數(shù)a0[i]的計算公式，得到光纖鏈路上三個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]、敏感系數(shù)k2[i]、校正系數(shù)k3[i]和初始常數(shù)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?jié)舛?1)光纖鏈路的三個傳感器被分布于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(jù)前述測試時的計算公式，以及步驟1得到的部分光譜數(shù)據(jù)、三個傳感器的系數(shù)k1[i]、k2[i]、k3[i]和初始常數(shù)a0[i](i＝1、2、3)，計算出光纖鏈路上三個傳感器處相對于參考溫度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(jié)構(gòu)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(tǒng)的濃度分辨率可小于0.1％，溫度分辨率為1℃，傳感器之間的空間分布距離可小于15cm，其測量時間可小于2秒。
權(quán)利要求
1.分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于它包括寬帶光源、寬帶耦合器、初始短周期光纖光柵、光纖鏈路、光纖光譜解調(diào)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(diào)器的光纖輸入端，光纖光譜解調(diào)器的數(shù)據(jù)端口通過數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器通過光纖串聯(lián)而成的；單反式微結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(jié)構(gòu)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于對應(yīng)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(jù)權(quán)利要求1所述的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖鏈路中的各個單反式微結(jié)構(gòu)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(lián)，前一個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的后端與后一個單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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于對應(yīng)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(jié)構(gòu)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于99％，長周期光纖光柵耦合效率大于99％的波長帶寬大于3nm，短周期光纖光柵到相鄰長周期光纖光柵的距離大于0.5mm，短周期光纖光柵耦合效率大于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于長周期光纖光柵99％耦合效率的波長帶寬的四分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于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(jié)構(gòu)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沖套，在保護套外有透氣的防塵薄層。
4.由權(quán)利要求1或2所述的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于光纖鏈路上的各個單反式微結(jié)構(gòu)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(diào)器獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器反射返回的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接嬎銠C；計算機根據(jù)各個短周期光纖光柵的光譜數(shù)據(jù)和遞推相對比值法，以前一個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵反射光的幅值作為后一個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的參考信號，來計算后一個單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)、敏感系數(shù)、校正系數(shù)和初始常數(shù)，然后是測試計算出所述各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于參考溫度的溫度變化量，最后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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]為k1[i]=Tr-T0λr[i]-λ0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；[]和其中的數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的個數(shù)，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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的校正系數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹镃1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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的初始常數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)；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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結(jié)構(gòu)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]ΔT[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)；k3[i]是標定時得到的第i個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的校正系數(shù)；a0[i]是標定時得到的第i個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的初始常數(shù)；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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于參考溫度的溫度變化量。
5.由權(quán)利要求3所述的分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)的傳感方法，其特征在于光纖鏈路上的各個單反式微結(jié)構(gòu)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(diào)器獲取初始短周期光纖光柵和各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器反射返回的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接嬎銠C；計算機根據(jù)各個短周期光纖光柵的光譜數(shù)據(jù)和遞推相對比值法，以前一個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器中短周期光纖光柵反射光的幅值作為后一個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的參考信號，來計算后一個單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)、敏感系數(shù)、校正系數(shù)和初始常數(shù)，然后是測試計算出所述各個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于參考溫度的溫度變化量，最后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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)k1[i]為k1[i]=Tr-T0λr[i]-λ0[i]]]>其中，Tr是標定溫度，T0是參考溫度；[]和其中的數(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的個數(shù)，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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的校正系數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹镃1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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的初始常數(shù)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(jié)構(gòu)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?jié)舛葹镃1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?jié)舛葹?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?jié)舛葹?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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的溫度系數(shù)；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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)計算得到的光纖鏈路中第i個單反式微結(jié)構(gòu)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]ΔT[i]+a0[i]]]>其中，i＝1、2、3......N，表示單反式微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的敏感系數(shù)；k3[i]是標定時得到的第i個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的校正系數(shù)；a0[i]是標定時得到的第i個單反式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器的初始常數(shù)；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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器處相對于參考溫度的溫度變化量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法，分布式微結(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感系統(tǒng)由經(jīng)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(jié)構(gòu)光纖瓦斯傳感器、光纖鏈路、光纖光譜解調(diào)器和計算機構(gòu)成；其中單反式微結(jié)構(gòu)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系數(shù)和敏感系數(shù)，再測試出各個傳感點被測的瓦斯氣體濃度。該傳感系統(tǒng)的構(gòu)建、裝配和調(diào)試簡單，功能強，可同時實現(xiàn)瓦斯和溫度的分布式檢測和遙測，測試結(jié)果穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2005年11月22日
發(fā)明者曾祥楷 申請人:重慶工學(xué)院