微系统光纤瓦斯传感器、传感系统及传感方法技术方案

本发明专利技术公开一种微系统光纤瓦斯传感器、传感系统及其传感方法。微系统光纤瓦斯传感器由一段光纤上的两个短周期光纤光栅和两个长周期光纤光栅形成；由该微系统光纤瓦斯传感器形成的传感系统包括宽带光源、宽带耦合器、微系统光纤瓦斯传感器、光纤光谱解调器、计算机；其传感方法是先标定出传感器的温度系数和敏感系数，再测试出被测的瓦斯气体浓度。该传感器的制作简单，体积小，功能强，可实现瓦斯和温度的同时检测；其传感系统的构建、装配和调试简单，可基于光纤链路实现遥测，测试结果稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光纤传感、气体化学、安全
，具体涉及一种。
技术介绍
在矿业安全方面，长期以来，世界各地的重大特大煤矿事故时常发生，死伤人数多的则达数百人。每次重大事故都带来巨额财产损失，尤其给产业工人的生命带来无法挽回的损失，给家庭和社会都造成了威胁。煤矿事故的主要原因之一是高浓度瓦斯引起的爆炸，煤矿瓦斯爆炸在全世界都经常发生。我国煤矿的40％都是高瓦斯和突出矿井，存在严重的安全问题。目前，对瓦斯的有效监测和控制还是一个世界性难题，人们投入了大量的人力和财力来研究这一问题，但收效甚微。对煤矿矿井的环境和工作过程进行监测控制是一个规避这些恶性事故的有效方法，其中最重要也最主要的是瓦斯(主成分是甲烷)气体浓度的检测与控制。瓦斯传感器是矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键装备，受到人们的广泛重视。瓦斯传感器是一种气体传感器。国外从上世纪30年代开始研究开发气体传感器。可检测瓦斯气体的传感器主要有1962年问世的半导体金属氧化物传感器、接触燃烧式传感器，以及光纤气室吸收式传感器。现在用得比较多的是接触燃烧式瓦斯传感器，已广泛用于煤气、液化石油气、天然气及矿井瓦斯气体的检测与报警。我国煤矿业基本上都是使用这类传感器。接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式。其原理是气敏材料在通电状态下，瓦斯经氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，通过测量电阻变化来测量气体浓度。这种传感器的优点是对瓦斯气体很有效，灵敏度高，价格便宜，适于矿井隧道、化工厂等恶劣环境。但该接触燃烧式瓦斯传感器还存在很多问题抗高浓冲击性能差，稳定性差；传感器需要经常频繁的调校，每2周需调校一次；在矿井高湿度条件下，瓦斯传感元件的使用寿命短，通常只有1年；传感器通过在传感表面催化燃烧来检测瓦斯，而瓦斯是易燃易爆气体，这本身就是一个严重的事故诱导源；传感器对瓦斯的反应时间较长，约为30秒，难于及时检测和控制。与本专利技术相近的是光纤瓦斯传感器，包括光纤气室吸收式瓦斯传感器和光纤倏逝波瓦斯传感器。光纤气室吸收式瓦斯传感器的结构如图1所示，其传感原理是光纤A1将光源传输到一个由两个凹面反射镜D1和D2组成的气室，瓦斯气体B0充填在气室中；光C0在气室中多次来回反射，并被瓦斯气体吸收而衰减；衰减后的光被耦合到另一根光纤A2，再传输到光电探测器并转换成电信号。数据采集及处理系统根据电信号数据来计算瓦斯的浓度。该传感器的优点是传感头和检测系统是分离的，可以遥测，电气绝缘，无安全隐患。其缺点是(1)传感器体积大，结构复杂，分布式检测困难；(2)对传感环境要求较高，煤尘容易粘附到两个凹面反射镜而致使光学反射面失效；(3)凹面反射镜面在气室的内壁，镜面上煤尘的清洁比较困难；(4)传感器中多个部件的相对位置须精确对准，其防振性差，装配比较困难。光纤倏逝波瓦斯传感器是用化学腐蚀或机械磨蚀的方法去除多模光纤的包层而形成的。其传感原理是光传输到去除了光纤包层的光纤芯时，光在光纤芯与瓦斯气体的交界面处产生倏逝波；该倏逝波穿过光纤进入瓦斯气体，并被瓦斯气体吸收而衰减，其衰减量与瓦斯气体的浓度有关；衰减后的倏逝波又返回光纤芯，继续在光纤芯中传输和产生倏逝波，并被瓦斯气体吸收而衰减；最后，被瓦斯气体吸收而衰减后的光在有光纤包层的光纤中传输到探测器，数据采集与处理系统获取光的衰减量信息并计算出与光纤芯表面接触的瓦斯气体的浓度。该传感器的优点是(1)操作简单，测量速度快；(2)相对其它传感系统来说，基于倏逝波的瓦斯传感系统可以小型化。但目前这种光纤倏逝波瓦斯传感器还存在一些缺点(1)传感器的制作繁琐且很困难，需要通过化学腐蚀或磨蚀方法去除光纤包层，而光纤包层的去除位置难于精确控制。同时，化学腐蚀或磨蚀光纤包层后的光纤芯表面是粗糙的非光学界面，影响界面处的光学性能，信号光的噪声很大，影响了测量精度。(2)传感系统采用的是单光路强度测量方法，光源、光路和电路系统的波动和干扰对传感系统的可靠性和准确性的影响很大，难于实现更高精度的生物分子测量和分析。(3)系统结构相对复杂，其探测器一般用光电倍增管，需要高压分压系统和冷却系统。这些不足和缺陷有待新的技术和方法加以克服与改进，以便更好地推广应用该生物传感技术。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于针对现有技术存在的上述部分不足，提供一种。本传感器完全光纤化，体积小，结构简单，分布式检测容易；对传感环境要求不高，矿井中的煤尘仅粘附到光纤包层的表面上，清洁比较容易；在外部结构上，传感器仅是一段光纤，没有位置对准和连接问题，其防振性好；其传感系统的构建、装配和调试简单，使用方便，容易建造光纤分布式瓦斯和温度传感网络，可同时检测瓦斯浓度和温度，测试结果稳定可靠。本专利技术的技术方案如下本微系统光纤瓦斯传感器，它是在光纤上相距一定距离写有两个长周期光纤光栅，作为两个耦合器，这两个长周期光纤光栅的谐振耦合中心波长、带宽和耦合效率相近，它们的波长谐振耦合带位于瓦斯气体(主成分是甲烷)的吸收光谱带内(即近红外强吸收光谱带1120～1150nm带或1150～1170nm带或1640～1680nm带或2350～2390nm带内)。两个长周期光纤光栅之间的距离为5-800mm，其中心波长处的耦合效率大于99％，波长的3dB带宽大于7nm，耦合效率大于99％的波长带宽大于3nm。两个长周期光纤光栅之间的部分或整段光纤包层是裸露的，没有塑料保护涂敷层。在两个长周期光纤光栅之外写有两个短周期光纤光栅，这两个短周期光纤光栅的耦合效率均大于90％；其谐振中心波长在长周期光纤光栅的谐振中心波长附近，到长周期光纤光栅的谐振中心波长的间距小于长周期光纤光栅耦合效率99％的波长带宽的一半；两个短周期光纤光栅谐振中心波长的间隔大于这两个短周期光纤光栅3dB带宽之和的一半，而小于长周期光纤光栅99％耦合效率的波长带宽的一半，每个短周期光纤光栅到相邻长周期光纤光栅的距离大于0.5mm(最大距离可达几十公里)。为了保护微系统光纤瓦斯传感器，在上述制作了两个长周期光纤光栅、光纤包层、两个短周期光纤光栅的这段光纤之外套有一保护套，保护套上有小孔，在靠近保护套的两端部用固化胶把光纤粘贴到保护套上，在保护套的两端部分别有一个过渡缓冲套，在保护套外有一透气的防尘薄层。在保护套两端的表面标识有对应端短周期光纤光栅的谐振中心波长。本传感器的传感原理是(1)在微系统光纤瓦斯传感器中，两个长周期光纤光栅和两个短周期光纤光栅的谐振波长带都在瓦斯气体的吸收光谱带内。光纤芯中的光首先到达一个短周期光纤光栅(此为参考光纤光栅)，参考光纤光栅的耦合谐振波长带内的光被反射回去，作为参考光，其余波长的光继续传输到一个长周期光纤光栅。(2)光纤芯的光到达长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅谐振波长带内的光被耦合到光纤包层中传输。(3)光纤包层中的光在光纤包层与瓦斯气体的接触界面上发生全反射并产生倏逝波，倏逝波穿过光纤包层进入瓦斯气体并被瓦斯气体吸收。(4)倏逝波的穿透深度和被吸收的光能量与瓦斯气体的浓度有关，受瓦斯浓度影响的倏逝波返回光纤包层，继续在其它点产生全反射和倏逝波，并被瓦斯气体吸收和影响。(5)当光纤包层的光到达第二个长周期光纤光栅时，又被耦合到光纤芯中传输。(6本文档来自技高网...

【技术保护点】
微系统光纤瓦斯传感器，其特征在于：它在一根光纤上相隔一定距离写有两个长周期光纤光栅，在两个长周期光纤光栅之外的两边各有一个短周期光纤光栅；该光纤有光纤芯和光纤包层，光纤包层在光纤芯之外；这两个长周期光纤光栅具有相近的耦合中心波长、带宽和耦合效率，作为两个耦合器；两个短周期光纤光栅的反射中心波长在长周期光纤光栅的谐振中心波长附近，两反射中心波长的间隔大于两个短周期光纤光栅反射波长３ｄＢ带宽之和的一半；这两个长周期光纤光栅的谐振波长带都在瓦斯气体的吸收光谱带内，两个长周期光纤光栅之间的光纤包层是裸露的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾祥楷，彭东林，
申请(专利权)人：重庆工学院，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]