双栅光纤微腔瓦斯传感系统及传感方法技术方案

本发明专利技术公开一种双栅光纤微腔瓦斯传感系统及传感方法。该双栅光纤微腔瓦斯传感系统由宽带光源、光纤、宽带耦合器、双栅光纤微腔瓦斯传感器、光谱解调器和计算机构成。所述双栅光纤微腔瓦斯传感器由两段光纤、两个短周期光纤光栅、两个光纤自准直透镜和支承体构成。其传感方法是先标定出传感器的常数、温度对敏感系数的影响因子，再传感出被测的瓦斯气体浓度。该双栅光纤微腔瓦斯传感系统的装配和调试简单，传感器体积小，结构简单，可实现遥测。其传感方法消除了光源、光路干扰和温度波动的影响，可同时实现瓦斯浓度和温度的检测，精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于分析仪器、气体化学、安全
，具体涉及一种。
技术介绍
每次重大特大煤矿事故都带来巨额财产损失，尤其给矿业工人的生命带来无法挽回的损失。煤矿事故的主要原因之一是瓦斯引起的爆炸。对煤矿井瓦斯(主成分是甲烷CH4)气体浓度的检测与控制是一个规避煤矿恶性事故的有效方法。瓦斯传感器及其系统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。瓦斯传感是一种气体传感。目前，矿井瓦斯传感器主要有半导体气敏元件、电化学传感器、载体催化元件、光干涉或红外吸收型传感器等。半导体气敏元件的精度低、零漂大、稳定性和选择性差。电化学传感器的精度和稳定性好，其不足是寿命短、价格高。载体催化瓦斯传感器具有方便和价格低的优点，其不足是反应慢、稳定性差、寿命短、易波动激活及中毒、温湿度影响大、对瓦斯选择性差、抗高浓冲击性差、存在安全隐患等。光干涉式瓦斯传感器的零漂低稳定性好，其不足是选择性差、干扰大。根据传光形式，红外吸收型瓦斯传感器可分为自由空间式和波导光纤式两种，其优点是精度高、零漂低、选择性好、寿命和校正周期长。自由空间式瓦斯传感器的不足是防尘性差、温湿度影响大、稳定性差、价格高。光纤瓦斯传感器根据光的作用方式可有倏逝波型和White气室吸收式传感器，其共同优点是可遥测、电气绝缘、无安全隐患。光纤倏逝波型瓦斯传感器的不足是制作困难、信号噪声大、精度低、探测系统复杂。光纤White气室吸收式瓦斯传感器具有体积大、准直装配困难、防振性和温度稳定性差、环境适应性弱、光损失和干扰大等不足。与本专利技术相近的是基于光纤White吸收气室和短周期光纤光栅(短周期光纤光栅也称为Bragg光纤光栅或布拉格光纤光栅)而形成的光纤瓦斯传感系统，目前有两种结构的传感系统。一类传感系统是通过压电陶瓷和光纤光栅得到波长调制的反射光源，传输到White吸收气室被甲烷气体吸收，用2个光电探测器分别获取被瓦斯吸收后的二次谐波分量光信号及光纤光栅的透射光信号，相除后得瓦斯传感数据。另一类是双波长差分式光纤光栅瓦斯传感系统其光源光在White吸收气室被瓦斯气体吸收后，被2个短周期光纤光栅反射回两个波长的光；该两波长光被2个光纤耦合器和1个光纤隔离器或2个光纤环行器分离开，再分别传到2个光电探测器被转换为电信号，最后由数据采集与处理系统得到瓦斯浓度数据。这些传感系统具有遥测、精度高、电气绝缘、无安全隐患等优点；其缺点包括光纤White气室吸收式瓦斯传感器的所有不足(如前述)，同时还包括传感器成本高(光纤隔离器或环行器昂贵)、系统结构复杂、环境温度影响大(不能温度补偿)等不足。这些不足有待新的技术和方法加以克服与改进。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种具有结构和装调简单、可同时检测瓦斯浓度和温度、其传感器体积小、准直容易、成本较低、防振性和温度稳定性好、光损失和干扰小等特点的双栅光纤微腔瓦斯传感系统；本专利技术的另一目的是提供一种能进行温度补偿校正、精度高的瓦斯浓度传感方法。本专利技术的技术方案如下双栅光纤微腔瓦斯传感系统，其特征在于由宽带光源A、光纤B1～B3、宽带耦合器Cw、双栅光纤微腔瓦斯传感器S、光谱解调器D和计算机E组成；宽带光源A通过光纤B1连接到宽带耦合器Cw的一个输入端，宽带耦合器Cw的输出端通过光纤B3连接到双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，宽带耦合器Cw的另一个输入端通过光纤B2连接到光谱解调器D的光纤输入端，光谱解调器D的数据端口通过数据接口线连接到计算机E；所述双栅光纤微腔瓦斯传感器包括第一光纤和第二光纤、第一自准直透镜和第二自准直透镜、第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅、支承体，其中第一光纤的一个端面位于第一自准直透镜的焦点并与第一自准直透镜固连在一起，该第一自准直透镜固定连接在支承体上，在支承体上相距第一自准直透镜一段距离处固定连接有第二自准直透镜，第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的空间构成为微腔，第二光纤的一个端面位于第二自准直透镜的焦点并与第二自准直透镜固定连接在一起，第二光纤上写有第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅；第一短周期光纤光栅的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带外，第二短周期光纤光栅的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带内，第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅的反射中心波长之间的间隔大于其反射波长带的3dB带宽之和的一半；第二光纤是双栅光纤微腔瓦斯传感器的后端，第一光纤是双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端。在本传感系统的双栅光纤微腔瓦斯传感器中，位于第一自准直透镜焦点的第一光纤的端面与第一自准直透镜的光轴垂直；位于第二自准直透镜焦点的第二光纤的端面与第二自准直透镜的光轴垂直；第一自准直透镜的光轴和第二自准直透镜的光轴同轴，第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的距离约为3-500mm；第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅的反射中心波长处的3dB波长带宽均约为0.02-0.5nm，这两个短周期光纤光栅的反射中心波长处的反射率均大于50％，这两个短周期光纤光栅之间的距离大于0.5mm，这两个短周期光纤光栅到第二光纤任意端面的距离大于5mm。在双栅光纤微腔瓦斯传感器中，支承体上连接有一保护盖；保护盖在第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的位置处有透气孔，在靠近两个短周期光纤光栅处有透气孔，在各透气孔处覆盖有防尘透气薄层；在靠近保护盖及支承体的两端部通过固化胶分别连接有第一光纤缓冲护套和第二光纤缓冲护套。本传感系统获取瓦斯气体浓度的传感方法，其具体步骤是(i)先标定本传感系统中双栅光纤微腔瓦斯传感器的初始常数、温度校正参数，(ii)然后由双栅光纤微腔瓦斯传感器的反射光感知瓦斯浓度和温度信息，由光谱解调器获取所述反射光的光谱数据并传输到计算机，(iii)最后由计算机根据光谱数据、初始常数、温度校正参数计算得到敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度值；其特征在于1)宽带光源A的光通过光纤B1、宽带耦合器Cw和光纤B3传输到双栅光纤微腔瓦斯传感器的第一光纤，经第一自准直透镜准直后成为平行光而进入微腔，被微腔内的瓦斯气体吸收，再经第二自准直透镜耦合到第二光纤，被第二光纤上的第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅反射返回所述两个短周期光纤光栅反射中心波长附近的窄带光；2)所述两个短周期光纤光栅反射返回的光经第二自准直透镜准直后成为平行光而再次进入微腔，被微腔内的瓦斯气体再吸收，再经第一自准直透镜耦合到第一光纤，并经光纤B3、宽带耦合器Cw和光纤B2传输到光谱解调器；3)计算机通过光谱解调器获取所述两个短周期光纤光栅反射光的光谱，以第一短周期光纤光栅反射光的幅值作为参考信号，以第二短周期光纤光栅反射光的幅值作为瓦斯浓度信号，以第二短周期光纤光栅反射光的反射中心波长作为温度信号，计算机根据所述参考信号、瓦斯浓度信号、温度信号、初始常数、温度校正参数计算得到实际传感温度时的敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度的测量值；其标定和传感时的计算公式分别为(a)标定的传感器初始常数a0为a0=1n]]>其中，I1(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第一短周期光纤光栅的反射光幅值；I2(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第二短周期光纤光栅的反射光幅值；(b)温度校正参数k0k0=1C0{1n-a0}]]>其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
双栅光纤微腔瓦斯传感系统，其特征在于：由宽带光源Ａ、光纤Ｂ１～Ｂ３、宽带耦合器Ｃｗ、双栅光纤微腔瓦斯传感器Ｓ、光谱解调器Ｄ和计算机Ｅ组成；宽带光源Ａ通过光纤Ｂ１连接到宽带耦合器Ｃｗ的一个输入端，宽带耦合器Ｃｗ的输出端通过光纤Ｂ３连接到双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，宽带耦合器Ｃｗ的另一个输入端通过光纤Ｂ２连接到光谱解调器Ｄ的光纤输入端，光谱解调器Ｄ的数据端口通过数据接口线连接到计算机Ｅ；所述双栅光纤微腔瓦斯传感器Ｓ包括第一光纤（２）和第二光纤（１０）、第一自准直透镜（５ ）和第二自准直透镜（６）、第一短周期光纤光栅（８）和第二短周期光纤光栅（９）、支承体（３），其中第一光纤（２）的一个端面位于第一自准直透镜（５）的焦点并与第一自准直透镜（５）固连在一起，该第一自准直透镜（５）固定连接在支承体（３）上，在支承体（３）上相距第一自准直透镜（５）一段距离处固定连接有第二自准直透镜（６），第一自准直透镜（５）和第二自准直透镜（６）之间的空间构成为微腔，第二光纤（１０）的一个端面位于第二自准直透镜（６）的焦点并与第二自准直透镜（６）固定连接在一起，第二光纤（１０）上写有第一短周期光纤光栅（８）和第二短周期光纤光栅（９）；第一短周期光纤光栅（８）的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带外，第二短周期光纤光栅（９）的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带内，第一短周期光纤光栅（８）和第二短周期光纤光栅（９）的反射中心波长之间的间隔大于其反射波长带的３ｄＢ带宽之和的一半；第二光纤（１０）是双栅光纤微腔瓦斯传感器的后端，第一光纤（２）是双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端。...

【技术特征摘要】

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