一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统，由可调谐激光光源、偏振控制器、密集型波分复用器、光纤延迟线组、光纤环形器组、光纤环形器1端、光纤环形器2端、光纤环形器3端、光纤传感器组、倾斜布拉格光栅、钯薄膜、单模光纤组、错位结构组、多模光纤组、光纤传感分析仪；通过通道数为1‑10个的密集型波分复用器分为1‑10道波长不同的探测光，探测光通过1‑10条不同长度的光纤延迟线到达不同位置处的1‑10个光纤传感器。后向传输来的1‑10道信号光通过光纤环形器组进入单模光纤组，由错位结构耦合到多模光纤组中的纤芯模式，使用光纤传感分析系统监测1‑10道信号光中最衰减共振包络中心的波长偏移，便可大氛围，灵敏，精确的监测氢气的浓度变化。

A Wavelength Division Multiplexing Optical Fiber Sensing System for Measuring Hydrogen Concentration at Multiple Points

The invention discloses a wavelength division multiplexing optical fiber sensing system capable of measuring hydrogen concentration at multiple points. The system consists of a tunable laser source, a polarization controller, a dense wavelength division multiplexer, an optical fiber delay line group, an optical fiber loop group, an optical fiber loop 1 end, two ends of an optical fiber loop, three ends of an optical fiber loop, an optical fiber sensor group, an inclined Bragg grating, a palladium film, a single mode optical fiber group, and a dislocation. Structural group, multi-mode optical fiber group, optical fiber sensor analyzer; through the channel number of 1 10 dense wavelength division multiplexer divided into 1 10 different wavelength detection light, detection light through 1 10 different length of optical fiber delay line to reach 1 10 optical fiber sensors at different locations. The backward 1_10 channel signal light enters the single mode optical fiber group through the optical fiber annulus group. The staggered structure is coupled to the core mode in the multimode optical fiber group. The wavelength shift of the most attenuated resonance envelope center in the 1_10 channel signal light can be monitored by the optical fiber sensing analysis system, and the hydrogen concentration can be monitored in a large atmosphere, sensitively and accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统
本专利技术提出了一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统，属于光纤传感

技术介绍
氢能是一种储量丰富、无污染的新能源。一般条件下，空气中的氢气含量处于4%~74.4%时，极易被引燃和发生剧烈爆炸。因此，安全可靠、高灵敏度、成本低廉的氢气传感器具有重要的研究价值，能实现大范围多点监测氢气的传感系统更是研究的重要方向。表面等离子共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）传感技术是一种光电传感技术，其灵敏度能够达到10-6RIU（RefractiveIndexUnit）。光纤SPR传感装置体积小，结构多样，适合远程多点测量，并且SPR信号不易受到机械结构、温度、湿度等外界因素的干扰。但光纤SPR传感装置的制作工艺复杂，信号响应强度有限，易受系统自身噪声的影响。倾斜布拉格光栅（TiltedFiberBraggGrating，TFBG）是一种光纤光栅，其栅格周期与光纤光栅（FiberBraggGrating，FBG）接近，但光栅的波矢方向和光纤的轴向方向成一定夹角。与光纤光栅相比，倾斜布拉格光栅不仅能将入射光耦合为后向传输的纤芯模式，还可以将部分入射光耦合为后向传输的包层模式，具有广泛的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统，可调谐激光光源发出的光极化后形成P偏振光，P偏振光通过密集型波分复用器形成N道（N为密集型波分复用器通道数）波长不同的探测光，N道探测光通过N条不同长度的光纤延迟线到达不同位置处的N个光纤传感器。由于倾斜布拉格光栅的作用，大部分P偏振光被耦合到后向传输的包层模式，后向传输的N道信号光通过光纤环形器组进入单模光纤组，由错位结构组耦合到多模光纤组的纤芯模式，最终在光纤传感分析系统上形成N道信号光谱。当光纤传感器外部氢气浓度发生改变时，电介质层的局部折射率变化，强烈的改变了钯薄膜和电介质层之间的表面等离子体激元的相速度，进而改变了后向传输包层模式的波长，对比分析光纤传感分析系统上的信号光谱，即可实现多点精确测量氢气浓度。本专利技术通过以下技术方案实现：由可调谐激光光源（1）、偏振控制器（2）、密集型波分复用器（3）、光纤延迟线组（4）、光纤环形器组（5）、光纤环形器1端（6）、光纤环形器2端（7）、光纤环形器3端（8）、光纤传感器（9）、倾斜布拉格光栅（10）、钯薄膜（11）、单模光纤组（12）、错位结构（13）、多模光纤组（14）、光纤传感分析仪（15）；其中密集型波分复用器（3）通道数为1-10个，光纤环形器组（5）由1-10个相同的光纤环形器组成，光纤延迟线组（4）由1-10根不同长度的单模光纤组成，光纤传感器组（9）由1-10个刻有相同规格的倾斜布拉格光栅（10）并且上表面镀有钯薄膜（11）的光纤传感器组成；采用磁控溅射法在倾斜布拉格光栅（10）的上半表面溅射的一层厚度为30-50nm的钯薄膜（11），使得镀有半表面钯薄膜（11）的倾斜布拉格光栅（10）既具有倾斜光纤光栅特性，可以利用其布拉格波长进行温度补偿，还可以利用其截止波长来识别外界环境折射率；同时还可以利用上表面的钯膜实现表面等离子共振，用于本专利技术的氢气传感；单模光纤组（12）由1-10条相同的单模光纤组成，错位结构组（15）由1-10个相同的错位结构组成，多模光纤组（14）由1-10条相同的多模光纤组成，偏振控制器（2）左端与可调谐激光光源（1）连接，右端通过连接光纤与密集波分复用器（3）连接，密集型波分复用器（3）连接光纤延迟线组（4）中的1-10根光纤延迟线左端，光纤延迟线组（4）中的1-10根光纤延迟线右端一一对应的连接着光纤环形器组（5）中的1-10个光纤环形器1端（6），光纤环形器组（5）中的1-10个光纤环形器2端（7）一一对应的连接着光纤传感器组（9）中的1-10个光纤传感器，光纤环形器组（5）中的1-10个光纤环形器3端（8）一一对应连接着单模光纤组（12）中的1-10条单模光纤左端，单模光纤组（12）中的1-10条单模光纤右端通过错位结构组（13）一一对应的连接着多模光纤组（14）中的1-10条多模光纤左端，多模光纤组（14）右端连接着光纤传感分析系统（15）。所述的可调谐激光光源（1）的波长范围为1310nm~1550nm。所述的倾斜布拉格光栅（10）由单模光纤通过相位匹配的方法制作而成，光栅长度为10mm，光栅周期为556.6nm，倾斜角度为10°。所述的钯薄膜（11）是采用磁控溅射法在倾斜布拉格光栅（10）的上半表面上溅射的一层相对均匀的，厚度为30〜50nm的钯薄膜（11）。只在倾斜布拉格光纤光栅（10）的上半表面镀膜的好处在于使得该结构既具有倾斜光纤光栅特性，可以利用其布拉格波长进行温度补偿，还可以利用其截止波长来识别外界环境折射率；同时还可以利用上表面的钯膜实现表面等离子共振，用于本专利技术的氢气传感。所述的单模光纤组（12）中的单模光纤纤芯直径为9μm，包层直径为125μm，多模光纤组（14）中的多模光纤纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm。由于倾斜布拉格光栅（10）后向耦合的包层模式容易衰减，而该系统需要进行大范围多点测量，所以需要通过错位结构组（13）将单模光纤组（12）中传输的易衰减的包层模式尽可能的耦合到多模光纤组（14）的纤芯模式中，减少损耗。本专利技术的工作原理是：偏振控制器（2）将可调谐激光光源（1）发出的光极化为在倾斜布拉格光栅（10）倾斜光栅平面内线性偏振的P偏振光，通过通道数为N的密集型波分复用器（3）分为N道波长不同的探测光，N道探测光通过N条不同长度的光纤延迟线到达不同位置处的N个光纤传感器。探测光传播到倾斜布拉格光栅（10）中时，大部分P偏振光被耦合到后向传输的包层模式，作为相位匹配的结果，P偏振光共振的光谱位置取决于其最衰减包层模式的有效折射率。因此，可以使用单个共振的光谱偏移来测量光纤涂层和环境的变化。外界氢气与钯薄膜（11）的结合引起了电介质层的局部折射率变化，强烈的改变了钯薄膜（11）和电介质层之间的表面等离子体激元的相速度，从而改变P偏振光最衰减包层模式的波长。后向传输来的N道信号光通过光纤环形器组（5）进入单模光纤组（12），由错位结构组（13）耦合到多模光纤组（14）中的纤芯模式，使用光纤传感分析系统（15）监测N道信号光中最衰减共振包络中心的波长偏移，便可大氛围，灵敏，精确的监测氢气的浓度变化。本专利技术的有益效果是：基于倾斜布拉格光栅的光纤氢气传感器不需要设计复杂的光学结构，光在光纤中从光源到光纤传感分析仪一直保持被引导，即只在传感器感受器区域里与光纤的紧邻环境发生相互作用，这使制造这种光纤氢气传感器的成本便宜；表面等离子共振效应的高度灵敏使得可以精确监测氢气与钯薄膜结合的SPR信号变化，进而能够大幅提高氢气浓度的检测限；N个光纤氢气传感器共用一台主机，共用所需器材，大幅度节省了器材数量、系统体积和成本，监测点N数量越多，节省幅度越大；激光器为光纤氢气传感系统中成本占比最高的器材，本专利技术利用密集型波分复用器的波长分割功能将一个可调谐激光光源输出的激光分成多路（具体数量等于密集型波分复用器通道数），起到了多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统，其特征在于：由可调谐激光光源(1)、偏振控制器(2)、密集型波分复用器(3)、光纤延迟线组(4)、光纤环形器组(5)、光纤环形器1端(6)、光纤环形器2端(7)、光纤环形器3端(8)、光纤传感器(9)、倾斜布拉格光栅(10)、钯薄膜(11)、单模光纤组(12)、错位结构(13)、多模光纤组(14)、光纤传感分析仪(15)；其中密集型波分复用器(3)通道数为1‑10个，光纤环形器组(5)由1‑10个相同的光纤环形器组成，光纤延迟线组(4)由1‑10根不同长度的单模光纤组成，光纤传感器组(9)由1‑10个刻有相同规格的倾斜布拉格光栅(10)并且上表面镀有钯薄膜(11)的光纤传感器组成；采用磁控溅射法在倾斜布拉格光栅(10)的上半表面溅射的一层厚度为30‑50nm的钯薄膜(11)，使得镀有半表面钯薄膜(11)的倾斜布拉格光栅(10)既具有倾斜光纤光栅特性，可以利用其布拉格波长进行温度补偿，还可以利用其截止波长来识别外界环境折射率；同时还可以利用上表面的钯膜实现表面等离子共振，用于本专利技术的氢气传感；单模光纤组(12)由1‑10条相同的单模光纤组成，错位结构组(15)由1‑10个相同的错位结构组成，多模光纤组(14)由1‑10条相同的多模光纤组成，偏振控制器(2)左端与可调谐激光光源(1)连接，右端通过连接光纤与密集波分复用器(3)连接，密集型波分复用器(3)连接光纤延迟线组(4)中的1‑10根光纤延迟线左端，光纤延迟线组(4)中的1‑10根光纤延迟线右端一一对应的连接着光纤环形器组(5)中的1‑10个光纤环形器1端(6)，光纤环形器组(5)中的1‑10个光纤环形器2端(7)一一对应的连接着光纤传感器组(9)中的1‑10个光纤传感器，光纤环形器组(5)中的1‑10个光纤环形器3端(8)一一对应连接着单模光纤组(12)中的1‑10条单模光纤左端，单模光纤组(12)中的1‑10条单模光纤右端通过错位结构组(13)一一对应的连接着多模光纤组(14)中的1‑10条多模光纤左端，多模光纤组(14)右端连接着光纤传感分析系统(15)。...

【技术特征摘要】
1.一种可多点测量氢气浓度的波分复用光纤传感系统，其特征在于：由可调谐激光光源(1)、偏振控制器(2)、密集型波分复用器(3)、光纤延迟线组(4)、光纤环形器组(5)、光纤环形器1端(6)、光纤环形器2端(7)、光纤环形器3端(8)、光纤传感器(9)、倾斜布拉格光栅(10)、钯薄膜(11)、单模光纤组(12)、错位结构(13)、多模光纤组(14)、光纤传感分析仪(15)；其中密集型波分复用器(3)通道数为1-10个，光纤环形器组(5)由1-10个相同的光纤环形器组成，光纤延迟线组(4)由1-10根不同长度的单模光纤组成，光纤传感器组(9)由1-10个刻有相同规格的倾斜布拉格光栅(10)并且上表面镀有钯薄膜(11)的光纤传感器组成；采用磁控溅射法在倾斜布拉格光栅(10)的上半表面溅射的一层厚度为30-50nm的钯薄膜(11)，使得镀有半表面钯薄膜(11)的倾斜布拉格光栅(10)既具有倾斜光纤光栅特性，可以利用其布拉格波长进行温度补偿，还可以利用其截止波长来识别外界环境折射率；同时还可以利用上表面的钯膜实现表面等离子共振，用于本发明的氢气传感；单模光纤组(12)由1-10条相同的单模光纤组成，错位结构组(15)由1-10个相同的错位结构组成，多模光纤组(14)由1...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈常宇，肖亦可，宫佳琦，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33