分布式微结构光纤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分布式微结构光纤瓦斯传感系统及传感方法，分布式微结构光纤瓦斯传感系统由经光纤连接的宽带光源、宽带耦合器、初始短周期光纤光栅、串行连接的多个单反式微结构光纤瓦斯传感器、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机构成；其中单反式微结构光纤瓦斯传感器由一段光纤上的一个短周期光纤光栅和两个长周期光纤光栅形成。其获取瓦斯气体浓度的传感方法是先标定出各个传感器的温度系数和敏感系数，再测试出各个传感点被测的瓦斯气体浓度。该传感系统的构建、装配和调试简单，功能强，可同时实现瓦斯和温度的分布式检测和遥测，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
，具体涉及一种获取瓦斯气体浓度的。
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。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。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吸收式传感器，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。接触燃烧式气体传感器分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式，这种传感器的灵敏度高，价格便宜，适于恶劣环境；其不足是抗高浓冲击性能差，稳定性差，需经常调校，寿命短，响应时间较长，存在严重的安全隐患。另外，利用光纤实现的瓦斯传感器主要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由两根光纤和两个凹面反射镜构成；它的优点是可以遥测，电气绝缘，无安全隐患；其缺点是传感器体积大，结构复杂，分布式检测困难，对传感环境要求较高，防振性差。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；该传感器的优点是操作简单，测量速度快，传感系统可小型化；其存在的缺点主要是传感器的制作繁琐且很困难，信号噪声很大，测量精度不高，传感系统的结构相对复杂，需要高压分压系统和冷却系统。与本专利技术相近的瓦斯传感系统是基于气室吸收式瓦斯传感器而形成的一种分布式光纤瓦斯传感系统。该传感系统的光纤光路部分如图1所示，包括一根输入光纤A、一个光开关B(包括光纤端G)、用光纤串联的多个光纤传感器S1～S16(目前最多为16个)、多根返回光纤C1～C16(每个传感器有一根返回光纤)；串联的各个传感器包括光纤环行器(D1～D16)、透过式气体吸收室(E1～E16)和短周期光纤光栅(F1～F16)。其传感原理是光通过一根光纤传输到一个传感器中光纤环行器的输入端(端1)，并从端2输出到透过式气体吸收室，再被传输到一根光纤中的短周期光纤光栅，部分波长的光被反射回透过式气体吸收室；再次透过该气体吸收室的光被传输到光纤环行器的端2，并从其端3通过另一根光纤传输到光开关，光开关输出光到光电探测系统；光在两次经过透过式气体吸收室时被其中的瓦斯所吸收，通过测量光的吸收量来测量瓦斯气体的浓度；每个传感器只取一个窄带光的光强，不同的传感器选用不同的窄带的光，这样就可以实现瓦斯气体的分布式检测。该传感器的优点是可以遥测，电气绝缘，无安全隐患。其缺点是(1)每个传感器的成本高(光纤环行器的价格很昂贵)，(2)传感器体积较大且结构复杂(需用光纤环行器和透过式气体吸收室)，(3)分布式检测困难(每个传感器需要一根独立的光纤，布线很困难)，(4)对传感环境要求较高(需要防尘)，防振性差，(5)使用不方便(需要经常清洁透过式气体吸收室的内壁，而这是很麻烦的事)，(6)不能消除环境温度和干扰对测量的影响(不能得到传感点的温度信息，且仅获取每个传感器的光强信息)。这些不足和缺陷有待新的技术和方法加以克服与改进。
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不足，提供一种获取瓦斯气体浓度的。本传感系统的构建、装配和调试简单，容易建造大范围的分布式瓦斯和温度传感网络；传感系统中的各个传感部分完全光纤化，体积小，结构简单，成本较低，分布式检测容易，对传感环境要求不高，使用方便，清洁比较容易，防振性好。其传感方法可同时检测瓦斯浓度和温度，可消除温度、光源和光路上的干扰，测试结果稳定可靠。本专利技术的技术方案如下本分布式微结构光纤瓦斯传感系统包含有宽带光源、光纤、宽带耦合器、初始短周期光纤光栅、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机；宽带光源通过光纤连接到宽带耦合器的一个输入端，宽带耦合器的输出端通过光纤连接到初始短周期光纤光栅，初始短周期光纤光栅的另一端通过光纤连接到光纤链路的前端，宽带耦合器的另一个输入端通过光纤连接到光纤光谱解调器的光纤输入端，光纤光谱解调器的数据端口通过数据接口总线(如USB、RS232、485、GPIB等标准数据接口)连接到计算机；光纤链路中的各个单反式微结构光纤瓦斯传感器置于被测瓦斯气体中。其中，光纤链路是由两个或两个以上的单反式微结构光纤瓦斯传感器通过光纤串联而成，串联相邻的该类传感器时，前一个传感器的后端与后一个传感器的前端相连，最前一个传感器的前端作为光纤链路的前端，同一光纤链路中任意两个传感器的短周期光纤光栅反射中心波长之间的间距大于对应两个短周期光纤光栅反射波长带3dB带宽之和的一半，而任何相邻两个传感器的短周期光纤光栅反射中心波长之间的间距小于对应两个短周期光纤光栅反射波长带3dB带宽之和的2倍；宽带光源的光谱包含瓦斯气体的一个或多个吸收光谱带；初始短周期光纤光栅的中心波长与光纤链路中任意传感器的短周期光纤光栅反射中心波长之间的间距大于初始短周期光纤光栅和其它任意短周期光纤光栅的反射波长带3dB带宽之和的一半。光纤链路中的每个单反式微结构光纤瓦斯传感器，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一个短周期光纤光栅，这个短周期光纤光栅的耦合效率大于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％的波长带宽的四分之一；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)。有短周期光纤光栅的一端作为传感器的后端，另一端作为前端。为了保护单反式微结构光纤瓦斯传感器，在上述制作了两个长周期光纤光栅、光纤包层、一个短周期光纤光栅的这段传感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传感器的前端和后端，并标识有该传感器中短周期光纤光栅的耦合中心波长。本传感系统的分布式传感过程是光源的光通过光纤和宽带耦合器传输到初始短周期光纤光栅，初始短周期光纤光栅反射其耦合带内的光到宽带耦合器，其余波长的光传输到光纤链路；在光纤链路中，各本文档来自技高网...

【技术保护点】
分布式微结构光纤瓦斯传感系统，其特征在于：它包括宽带光源、宽带耦合器、初始短周期光纤光栅、光纤链路、光纤光谱解调器和计算机；宽带光源通过光纤连接到宽带耦合器的一个输入端，宽带耦合器的输出端通过光纤连接到初始短周期光纤光栅，初始短周期光纤光栅通过光纤连接到光纤链路的前端，宽带耦合器的另一个输入端通过光纤连接到光纤光谱解调器的光纤输入端，光纤光谱解调器的数据端口通过数据接口线连接到计算机；光纤链路是由两个或两个以上的单反式微结构光纤瓦斯传感器通过光纤串联而成的；单反式微结构光纤瓦斯传感器包括光纤上相隔一定距离的两个长周期光纤光栅和在这两个长周期光纤光栅之外的一个短周期光纤光栅，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，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，这两个长周期光纤光栅之间的光纤包层是裸露的，该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；初始短周期光纤光栅和各个单反式微结构光纤瓦斯传感器短周期光纤光栅中的任何两个短周期光纤光栅的反射中心波长的间隔大于对应两个短周期光纤光栅反射波长带的３ｄＢ带宽之和的一半。

【技术特征摘要】

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