基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统技术方案

本发明专利技术公开的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。本发明专利技术能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。

A multiplexed optical fiber gas sensing system based on weak fiber Bragg grating and optical time domain reflectometry

Optical fiber gas sensing system and weak fiber grating based on OTDR is disclosed, distributed feedback laser, acousto-optic modulator, three port circulator, optical fiber delay in turn connected to any function transmitter connected with the acousto-optic modulator, distributed feedback laser output optical detection to acousto-optic modulator, arbitrary function generator output signal driving acousto optic modulator to modulate the probe modulation, acousto-optic modulator pulse generated by light passing through the three port circulator to delay optical fiber, optical pulse through the cross distribution of weak optical fiber grating and a gas absorption chamber, a weak reflection signal of fiber grating obtained before and after the gas absorption chamber, the reflected signal through the optical fiber delay, three port circulator output to the data acquisition module. The invention can realize methane concentration, long distance and multi-point methane concentration demodulation and online monitoring, realize methane gas concentration detection and location information acquisition through a serial optical fiber link.

【技术实现步骤摘要】
基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统
专利技术涉及光纤传感领域的技术，具体涉及一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的多点复用、实时测量的高可靠性光纤气体传感系统。
技术介绍
在石油化工、矿井、冶金等行业，都要求对气体的浓度进行实时测量和定位，特别是对于甲烷气体的检测。甲烷气体用途广泛，是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，同时也是重要的工业原料。甲烷无色无味且易燃易爆，在大气中的爆炸范围是4.9vol.%~15vol.%。传统的基于电化学的电气体传感器在实际使用中存在一些问题，诸如带电不安全、使用寿命短、稳定性差、易爆炸等安全性方面的问题。光纤气体传感器因其传感原理不同于电气体传感器，所以并不存在上述问题，因此而成为了气体传感领域的一个重要研究方向。传统的光纤气体传感器通常是基于气体的强度吸收谱，采用直接吸收法、频率调制法或波长扫描法。这些技术在实现高精度测量前提下，难以实现实时探测、定位和多点复用。为了解决传统光纤气体传感器的限制，一种基于光相干域反射仪（OCDR）的复用式光纤甲烷传感系统[S.Li,X.Y.Fan,Q.W.Liu,Z.Y.He,MultiplexedFiber-opticMethaneSensorsBasedonOpticalCoherenceDomainReflectometry,in:AsiaCommunicationsandPhotonicsConference2015,OpticalSocietyofAmerica,HongKong,2015,pp.ASu2A.144.]被提出，气体浓度的变化对应光强度的改变，该技术通过测量光强度的衰减和对传感单元的定位实现复用式传感。但是OCDR系统复杂，稳定性差，不适用于对稳定性要求高的长距离传感。光时域反射仪技术（OTDR）多用于测量光纤接头损耗、定位光纤定位点以及对光纤损耗分布等测试，是光缆线路维护必不可少的工具。本专利技术利用反射式光纤光栅作为参考点，通过在光纤链路中加入一个光时域反射仪，向待测光纤链路中注入特定宽度和波长的脉冲光，以实现对链路中存在光纤光栅的位置进行检测。当甲烷气体发生泄露时，由于气体对特定光频率的吸收，通过对气体吸收室前后相邻参考点的差分，可以得到相对光强的变化，从而实现对气体浓度信息的探测。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。技术方案：本专利技术所述的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。弱光纤光栅与气体吸收室交叉连接，作为测量的参考点，弱光纤光栅的反射率和3dB带宽可定制，以满足不同探测灵敏度和复用数量的要求，也使反射峰不易受温度和应变的影响；三端口环形器用于实现光脉冲入射到弱光纤光栅并经过同一链路返回到数据采集模块。进一步完善上述技术方案，所述分布式反馈激光器连接有反馈控制模块，反馈控制模块包括温度控制单元和电流控制单元、用于稳定所述分布式反馈激光器的波长。进一步地，所述分布式反馈激光器输出探测光的波长处于1650nm波段，对应甲烷气体的吸收峰波长。进一步地，所述延迟光纤为任意长度的标准单模光纤。延迟光纤长度可灵活调整，以满足不同传感距离的要求。进一步地，所述任意函数发生器产生宽度为10ns以上、重复频率为1kHz以上的电信号。声光调制器经过任意函数发生器驱动，用于把连续的光波切割成特定重复频率和宽度的脉冲。进一步地，所述气体吸收室包括单模尾纤、入气口和出气口，单模尾纤用于探测光耦合，入气口和出气口用来注入和排出甲烷气体。气体吸收室长度16cm，单模尾纤为标准单模光纤。进一步地，所述弱光纤光栅为N个、N≥2，所述气体吸收室为N-1个。弱光纤光栅与气体吸收室交叉分布，数量灵活可变，探测光在气体吸收室与甲烷作用后，弱光纤光栅作为参考点，通过对气体吸收室前后参考点信号的差分，可以得到甲烷浓度信息。进一步地，所述数据采集模块包括光电探测器、模数转换器，所述光电探测器的输入端与所述三端口环形器的一个输出端连接；所述模数转换器的输入端与光电探测器的输出端连接；模数转换器的输出端与上位机相连，上位机用于处理采集到的数字信号和实时显示。光电探测器用于光电转换，模数转换器将模拟信号进行数字转换用于后期数据处理。有益效果：本专利技术通过分布式反馈激光器产生连续光，通过声光调制器调制成脉冲光，任意函数发生器产生对应重复频率和宽度的电信号驱动声光调制器；脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，最后入射到待测链路中；探测光在气体吸收室与甲烷作用，由于部分光能量被气体吸收导致光强度发生衰减，从而引起气体吸收室前后相邻弱光纤光栅反射峰的强度变化，以气体吸收室前后相邻的弱光纤光栅作为参考点，该强度变化和位置信息可以通过光时域反射仪技术解调，其输出与气体浓度成正比，其测量的空间分辨率是由声光调制器产生的脉冲宽度决定；待测信号通过光电探测器经模数转换器保存到上位机，在上位机中实现对信号差分解调以及测量参量的实时显示。本专利技术能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取，且不局限于测量甲烷气体浓度，通过改变激光器和弱光纤光栅的波长，可扩展到不同种类气体浓度的测量。附图说明图1为本专利技术装置图；图2为本专利技术基于弱光纤光栅进行甲烷气体检测的示意图；图3为本专利技术在宽度为100ns的光脉冲注入条件下，在5km延迟光纤中使用光时域反射仪技术得到的分布式反射光强的测量结果图；图4本专利技术得到的检测结果图，当甲烷气体浓度变化时，探测光强度也随着浓度而变化，（a）为第一个气体吸收室；（b）为第二个气体吸收室；图5为本专利技术测量的甲烷气体浓度对应的强度衰减关系，（a）第一个气体吸收室，线性拟合度0.99939；（b）为第二个气体吸收室，线性拟合度0.99748；图中：1-反馈控制模块、2-分布式反馈激光器、3-任意函数发生器、4-声光调制器、5-三端口环形器、6-5km延迟光纤、7-第一光纤光栅、8-第一气体吸收室、9-第二光纤光栅、10-第二气体吸收室、11-第三光纤光栅、12-光电探测器、13-模数转换器、14-上位机、15-入气口、16-出气口、17-第一准直透镜、18-第二准直透镜。具体实施方式下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例1：如图1所示的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，包括反馈控制模块1、分本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，其特征在于：包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。

【技术特征摘要】
1.基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，其特征在于：包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。2.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，其特征在于：所述分布式反馈激光器连接有反馈控制模块，反馈控制模块包括温度控制单元和电流控制单元、用于稳定所述分布式反馈激光器的波长。3.根据权利要求1或2所述的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，其特征在于：所述分布式反馈激光器输出探测光的波长处于1650nm波段...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊昕昱，何祖源，刘庆文，苏坷，
申请(专利权)人：江苏中能光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32