專利名稱：基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感裝置，尤其是一種基于懸掛芯光纖的分布式氣體傳感器
背景技術(shù)：
易燃、易爆、有毒氣體的生產(chǎn)、運輸及使用過程中一旦發(fā)生泄漏，將會引發(fā)中毒、火 災(zāi)甚至爆炸等事故，嚴重危害人民的生命和財產(chǎn)安全。當泄漏事故發(fā)生后需要迅速尋找泄 漏點。通常由于管線或井道較長、泄漏點隱蔽等原因，漏點的位置較難確定。因此，進行氣 體的分布式測量對于確定氣體的漏點具有重要意義。眾所周知，光纖氣體傳感器具有電絕 緣、抗電磁干擾、可遠距離在線測量等特點。先前技術(shù)也出現(xiàn)了利用光纖研制分布式氣體 傳感器的例子。例如周孟然等利用多個氣體吸收池，結(jié)合傳導光纖研制了分布式光纖傳 感瓦斯氣體系統(tǒng)(分布式光纖傳感瓦斯氣體系統(tǒng)的研究，中國安全科學學報，2007，17 (8)， 167-170)。這些傳感裝置利用光纖通過不同的原理(例如氣體吸收或者干涉原理)實現(xiàn)了 氣體泄漏的分布式測量，但是傳感裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，體積大，分布點受光纖數(shù)目的限制。 該類傳感器以光纖裸漏纖芯為傳感單元，纖芯直徑一般較小，所以強度差，不能大范圍裸 漏。傳感部位必須置于樣品室或者套管內(nèi)，否則容易受損，這又增加了傳感器的體積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)集成、感應(yīng)面積大的基于懸掛芯光纖的分布式光 纖氣體傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的光纖分布式氣體傳感器包括光源、光時域反射計、耦合連接器和光纖；所 述的光纖由標準光纖和與標準光纖耦合的懸掛芯光纖構(gòu)成；所述的懸掛芯光纖的纖芯與包 層間具有一條延光纖軸向的一維孔道，所述一維孔道的形狀為圓形或者“D”形，纖芯的折射 率高于包層的折射率，纖芯緊貼懸掛于一維孔道內(nèi)壁或部分嵌于包層內(nèi)，在整個懸掛芯光 纖長度范圍內(nèi)的包層上帶有裸露結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可以包括1、所述的裸露結(jié)構(gòu)是在包層上開有側(cè)拋口的連續(xù)分布結(jié)構(gòu)。2、所述的裸露結(jié)構(gòu)是在包層上間隔開有微孔的點分布結(jié)構(gòu)。3、在懸掛芯光纖的纖芯表面有氣體敏感層。4、所述的氣體敏感層是采用這樣的方法得到的Pt/W03敏感層將0. 5M的 Na2WO4 · H2O溶液通過陽離子交換樹脂過濾，得到透明的黃色溶液，將起催化作用的4ml含 0. 125M的Pt (NH3)2 (NO2)2以及H2PtCl6的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液體中，懸掛芯 光纖先用堿液處理，然后浸泡在上述配好的溶液中，并以lcm/s的速度緩慢提拉，形成膜后 在室溫下干燥2h，在馬富爐內(nèi)燒結(jié)lh，溫度為500°C，最后在光纖表面形成Pt與W的摩爾比 為1 13的敏感膜。
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)集成、感應(yīng)面積大的全光纖倏逝波氣體在線傳感器。本發(fā)明涉及的傳感光纖具備懸掛芯光纖的結(jié)構(gòu)特征。該光纖顯著的特點是纖芯與 包層間具有一條延光纖軸向的一維孔道，其形狀可以為圓形或者“D”形，孔道可以位于光纖 內(nèi)部的各個位置。高折射率纖芯緊貼孔道內(nèi)壁并懸掛于孔道內(nèi)的任意位置(部分嵌于包層 之中)，圍成孔道的微管為低折射率的光纖包層，光纖的端面如圖1所示。該懸掛光纖一端 焊接標準光纖，并進行熔融拉錐，提高光耦效率(如圖2)。在整個懸掛光纖長度范圍內(nèi)，光 纖包層帶有裸露結(jié)構(gòu)，其分布可以是連續(xù)或者為點分布，這可以使氣體進入光纖內(nèi)部，并將 懸掛纖芯暴露于氣體氛圍之中(如圖3)。對于具有敏感性的分子，可以在懸掛光纖纖芯表 面修飾氣體敏感層，以增加傳感器靈敏度。這種懸掛的光纖結(jié)構(gòu)既可以使氣體與纖芯接觸， 也可以使纖芯得到保護，提高傳感光纖的強度。
本發(fā)明的光纖分布式氣體傳感器包括光源、光時域反射計、耦合連接器、懸掛芯光 纖。光源發(fā)出的光經(jīng)過標準光纖后被耦合進入裸露的懸掛芯光纖或者外面包有敏感層的懸 掛芯光纖。當懸掛芯光纖上的某個位置接觸到泄露氣體時，在纖芯表面對倏逝波產(chǎn)生吸收 或者引起纖芯表面敏感層折射率變化，由此引起該處光纖特征改變。利用光時域反射計測 量瑞利背向散射信號，獲取光纖各點損耗信息，從而判斷氣體泄漏點位置。本發(fā)明以懸掛光纖為傳感單元，實現(xiàn)了多點檢測的分布式傳感器設(shè)計，通過技術(shù) 成熟的光時域反射計與懸掛芯光纖的結(jié)合，實現(xiàn)光波信號的調(diào)制，同時代替了傳統(tǒng)的氣室 結(jié)構(gòu)，省略了光纖與氣室的光路準直、耦合連接等部分，顯著簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳感器的 體積。該傳感器可以對礦井、輸氣管道等多種場合進行布設(shè)長距離傳感裝置，對氣體泄漏做 出快速響應(yīng)并對漏點做出準確判斷。


圖1懸掛芯光纖端面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2懸掛芯光纖與標準光纖的耦合連接、拉錐示意圖；圖3a-圖3b懸掛光纖包層兩種裸漏結(jié)構(gòu)示意圖；圖4基于懸掛光纖的甲烷分布式氣體傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5基于懸掛光纖的氫氣分布式氣體傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1-3，本發(fā)明涉及的懸掛芯光纖具有懸掛的纖芯1結(jié)構(gòu)，纖芯與包層3之間 具有裸漏的敞開一維孔道結(jié)構(gòu)2。敞開結(jié)構(gòu)可以通過紫外顯微加工方法在適當位置對懸掛 光纖包層打孔4實現(xiàn)，孔直徑為微米量級。除利用顯微加工以外，還可以直接對光纖包層進 行連續(xù)側(cè)面拋光制造缺陷5。實例一煤礦重大動力災(zāi)害(瓦斯煤塵爆炸、煤與瓦斯突出、沖擊地壓等)的威脅 嚴重地限制了礦井生產(chǎn)能力，造成巨大的經(jīng)濟損失，也影響到煤炭生產(chǎn)對國民經(jīng)濟快速發(fā) 展的保障作用。研究煤礦瓦斯災(zāi)害信息的特征，探索瓦斯信息采集的新方法；研究低成本、 分布式井下動態(tài)信息的檢測、處理，構(gòu)建煤礦監(jiān)測預(yù)警應(yīng)急信息系統(tǒng)平臺，已經(jīng)迫在眉睫， 為當前煤炭工業(yè)所急需。下面結(jié)合具體甲烷檢測實例對本發(fā)明作進一步說明。
光脈沖采用OTDR內(nèi)波長為1.33 μ m的光源，發(fā)射波長位于CH4的復合頻位置 (v2+2V3)。0TDR7的光脈沖(20-100ns)經(jīng)耦合器8進入標準光纖9，然后經(jīng)過熔融點進入 懸掛光纖10，在纖芯傳輸時產(chǎn)生倏逝波。0TDR7連接控制計算機6為加強倏逝波強度，將懸 掛光纖纏繞于直徑為2mm的纜繩11表面，使光纖存在一定彎曲度，光纖纏繞螺距為2cm，整 根懸掛光纖長度為l_2km，懸掛纖芯為整體分布式裸露。然后將光纖鋪設(shè)在礦井隧道內(nèi)部。 當懸掛光纖某處接觸到甲烷氣體時，倏逝波場與經(jīng)包層擴散入空腔氣室的甲烷分子進行作 用，產(chǎn)生吸收。<formula>formula see original document page 5</formula>(1)甲烷對脈沖信號的吸收增加了光纖在該處的損耗，攜帶該處信息的背向瑞利散射 信號光延光纖返回至輸入端，光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換裝置變成電信號，電信號經(jīng)放大以及A/D 轉(zhuǎn)換后經(jīng)OTDR內(nèi)部信號處理芯片得出光纖上各點的靜態(tài)和動態(tài)的損耗特征譜，進而快速 診斷泄露點位置X，的位置與延遲時間τ的關(guān)系見(1)式。實例二 氫氣是一種極具前景的環(huán)保、高效的能源氣體，但其使用及貯存都具有很 高的危險性。當氫氣含量在4%-74. 5%時，遇到火花則有可能引起爆炸事故。目前，對于 氫氣濃度的檢測一般采用固態(tài)氫傳感器，但它主要是用于較低氫濃度的探測，在高濃度條 件下，因為電信號易引起爆炸。光纖氫傳感器采用的都是光信號，使其可以應(yīng)用于飛行器燃 料貯箱這樣工作條件惡劣的環(huán)境中。下面繼續(xù)結(jié)合具體氫氣檢測實例對本分布式氣體傳感 器作進一步說明。懸掛光纖長度為l_2km，懸掛纖芯為點分布式裸露，每隔50m設(shè)置一個裸露點，每 個裸露部位的長度為15cm。裸露的懸掛芯采用Pt/W03敏感膜包圍，其中Pt與W的摩爾比 為1 13，這種敏感膜采用Sol-gel技術(shù)制備。將0. 5M的Na2W04 ·Η20溶液通過陽離子交 換樹脂過濾，得到透明的黃色溶液。將其催化作用的4ml含0. 125M的Pt (NH3) 2 (N02) 2以 及H2PtC16的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液體中。懸掛光纖在制備敏感膜前先用堿 液處理，然后浸泡在上述配好的溶液中，并以lcm/s的速度緩慢提拉。形成膜后在室溫下干 燥2h，在馬富爐內(nèi)燒結(jié)lh，溫度為500°C，最后在光纖表面形成W03敏感膜。將上述光纖延管道等氫氣輸送裝置進行鋪設(shè)。OTDR光源采用1.3μπι LD，脈沖寬 度為20ns。同樣，光脈沖經(jīng)耦合器進入標準光纖，然后進入懸掛光纖，在纖芯傳輸時產(chǎn)生倏 逝波。當懸掛光纖某處接觸到H2時，氫分子與敏感層發(fā)生如下作用2xH2 — xHadxHad+W03 — HxWO3首先，氫氣在Pt催化作用下分解為氫原子，然后氫原子與WO3反應(yīng)生成HxW03。敏 感層12接觸到氫前后性質(zhì)發(fā)生明顯改變，顏色有原來的半透明的淺灰色變成藍黑色，這說 明敏感膜對光的吸收向長波移動。此外，由于WO3和HxWO3的介電系數(shù)不同，敏感膜在接觸 到氫氣后折射率也發(fā)生了變化。由此可見，PVWO3敏感膜的改變引起相應(yīng)的倏逝場吸收系 數(shù)及薄層折射率的改變，光纖內(nèi)部傳播的光功率在相應(yīng)位置也會引起強烈變化。然后通過 檢測背向瑞利散射信號可判斷泄露點位置。敏感層的可逆反應(yīng)可以通過如下反應(yīng)實現(xiàn)2HxW03+0 . 5x02 — 2W03+xH20
將傳感層暴露于O2中，使HxWO3重新發(fā)生氧化反應(yīng) 。
權(quán)利要求
一種基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，包括光源、光時域反射計、耦合連接器和光纖；其特征是所述的光纖由標準光纖和與標準光纖耦合的懸掛芯光纖構(gòu)成；所述的懸掛芯光纖的纖芯與包層間具有一條延光纖軸向的一維孔道，所述一維孔道的形狀為圓形或者“D”形，纖芯的折射率高于包層的折射率，纖芯緊貼懸掛于一維孔道內(nèi)壁或部分嵌于包層內(nèi)，在整個懸掛芯光纖長度范圍內(nèi)的包層上帶有裸露結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是所述 的裸露結(jié)構(gòu)是在包層上開有側(cè)拋口的連續(xù)分布結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是所述 的裸露結(jié)構(gòu)是在包層上間隔開有微孔的點分布結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是 在懸掛芯光纖的纖芯表面有氣體敏感層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是所述 的氣體敏感層是采用這樣的方法得到的Pt/W03敏感層將0. 5M的Na2WO4 -H2O溶液通過陽 離子交換樹脂過濾，得到透明的黃色溶液，將起催化作用的4ml含0. 125M的Pt (NH3) 2 (NO2) 2 以及H2PtCl6的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液體中，懸掛芯光纖先用堿液處理，然后 浸泡在上述配好的溶液中，并以lcm/s的速度緩慢提拉，形成膜后在室溫下干燥2h，在馬富 爐內(nèi)燒結(jié)lh，溫度為500°C，最后在光纖表面形成Pt與W的摩爾比為1 13的敏感膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是 懸掛芯光纖纏繞于纜繩表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是懸掛 芯光纖纏繞于纜繩表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器，其特征是懸掛 芯光纖纏繞于纜繩表面。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于懸掛芯光纖的分布式光纖氣體傳感器。包括光源、光時域反射計、耦合連接器和光纖；所述的光纖由標準光纖和與標準光纖耦合的懸掛芯光纖構(gòu)成；所述的懸掛芯光纖的纖芯與包層間具有一條延光纖軸向的一維孔道，所述一維孔道的形狀為圓形或者“D”形，纖芯的折射率高于包層的折射率，纖芯緊貼懸掛于一維孔道內(nèi)壁或部分嵌于包層內(nèi)，在整個懸掛芯光纖長度范圍內(nèi)的包層上帶有裸露結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能實現(xiàn)光波信號的調(diào)制，顯著簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳感器的體積。該傳感器可以對礦井、輸氣管道等多種場合進行布設(shè)長距離傳感裝置，對氣體泄漏做出快速響應(yīng)并對漏點做出準確判斷。
文檔編號G01N21/31GK101825563SQ201010153628
公開日2010年9月8日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者楊興華, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學