基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于氣體光纖傳感領，具體公開一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，該系統利用待測氣體的不同吸收峰通過不同波長進行復用，實現了在同一根光纖上多點、多種類氣體濃度同時進行在線監測。光纖光柵的刻痕被制作成一系列特定的值，其對于包含待測氣體吸收特征波長的窄帶光束具有反射特性。光電探測器耦合透鏡上分別鍍有介質膜，使其對于中心波長為待測氣體吸收特征峰的極窄頻帶具有高透過性。光纖準直器、吸收氣室與布拉格光纖光柵串接在同一根光纖中，作為傳感單元分布于各個監測傳感點。系統結構簡潔，集成度高，非常適用于煤礦、石油、化工、鋼鐵和環境等行業中目標氣體的在線監測。
【專利說明】
基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統
技術領域
[0001]本發明涉及氣體光纖傳感領域，是一種基于光纖光柵的準分布式氣體現場監測傳感器系統。
[0002]【背景技術】:光纖氣體傳感器具有防爆、防燃、抗腐蝕、抗電磁干擾、精度高、可靠性好、壽命長、遠程傳輸等特性，有效克服了傳統檢測技術響應慢、遠傳受限、傳感器頻繁標定、傳感器壽命短等缺陷。當前光纖氣體傳感器已開始在煤礦、石油、化工、鋼鐵、環境等行業得到了應用，顯示出廣泛的應用前景。光纖氣體傳感技術中研究和應用最為廣泛的是基于光譜吸收原理的氣體傳感器，該類傳感氣體利用氣體分子振動轉動譜中的一條孤立的吸收譜線對氣體的吸收進行測量，從而可方便地從混合成分中鑒別出不同的分子，避免其他光譜的干擾。近紅外波段與光纖的低損耗窗口匹配，利用光纖及光纖器件可以方便地對光束進行遠距離傳輸。 結合調諧二極管激光吸收光譜技術和光纖傳感技術就可以實現氣體濃度的遠程在線實時檢測。然而現在光纖氣體傳感技術一般采用多點方式，難以實現同一根光纖上多點、多種類氣體濃度同時進行在線監測的目的。
【發明內容】

[0003]本發明基于光纖光柵技術和激光譜吸收技術提出一種準分布式氣體傳感器系統， 該系統利用待測氣體的不同吸收峰波長進行復用，不但實現了在同一根光纖上多點氣體濃度同時進行在線監測，而且由于光纖光柵光束反射的濾波效應并結合波分復用器，還可實現多種類氣體的同時監測。系統基于紅外吸收光譜技術，采用分布反饋激光器作為光源，用準直器組將激光光束耦合進入吸收氣室，利用啁嗽寬譜光纖光柵作為反射鏡，系統結構簡潔，集成度高，可有效實現多種類待測氣體的多點分布式在線監測，非常適用于煤礦、石油、 化工、鋼鐵以及環境等行業中目標氣體的在線監測。
[0004]本發明采用的技術方案如下:一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:包括寬帶光源、光源控制電路、光纖隔離器、光纖分束器、多個通過光纖串聯的傳感器單元、波分復用器、光電探測器、 光電探測器耦合透鏡、數據采集電路以及計算機，所述的每個傳感器單元包括氣體吸收氣室，所述吸收氣室的兩側分別連接有光纖準直器，一側的光纖準直器另一端連接光纖形成串聯，另一側的光纖準直器另一端連接有布拉格光纖光柵形成傳感器單元;所述的光源控制電路在計算機的控制下控制寬帶光源發射包含多種特定波長的光信號，該光信號經過光纖隔離器達到串聯的第一個傳感器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸至下一個傳感器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含另一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸，依次類推，串聯的每個傳感器單元分別對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，反射光都按原來返回，最終經過光纖分束器分束成兩路，一路沿著原光路到達光纖隔離器并被光纖隔離器隔離，另一路通過光纖傳輸到達波分復用器，波分復用器將該光束分成多路光束，每路光束均為含有一特定波長的窄帶光束，每路含有一特定波長的窄帶光束分別通過相應的光電探測器耦合透鏡耦合過濾作用后匯聚到相應光電探測器光敏面表面，產生探測光電流信號，光電流信號被數據采集電路采集，并在計算機中進行存儲、顯示或進一步處理分析。
[0005]所述光信號到達傳感器單元時，先通過一側光纖準直器的準直變成平行光束出射，通過整個吸收氣室，之后后經吸收氣室另一端的光纖準直器收集匯聚并再次被耦合進入光纖，之后達到布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射。
[0006]所述通過光纖串聯的傳感器單元的個數根據準分布式氣體中氣體種類設置。
[0007]所述特定波長是指準分布式氣體中所有氣體吸收特征峰波長。
[0008]根據布拉格光纖光柵理論，當寬波段的光束通過布拉格光纖光柵時，特定刻痕間距的布拉格光纖光柵僅對包含某一特定波長的窄帶光束具有反射作用，而對其他波段的光束仍具有良好的透過性，每個傳感器單元中的布拉格光纖光柵通過設定特定刻痕間距實現對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，特定刻痕間距的設置根據待檢測準分布式氣體所有氣體吸收特征峰波長進行計算得到。
[0009]所述光纖隔離器具有單向通過性，只允許光束向遠離光源的方向傳播，阻隔了射向光源的光束，起到保護光源的作用。
[0010]所述的相應的光電探測器耦合透鏡上鍍有對于包含特定波長窄帶波段高透、對于其它波段高反的介質膜，僅允許含有特定波長的窄帶光束可以被耦合并匯聚到光電探測器光敏面上，并且介質膜高透的頻帶寬度遠小于波分復用器各路出射光束的頻帶寬度。
[0011]本系統在工作時由各個光纖光柵反射回來的寬帶光束，先后經過波分復用器和光電探測器耦合透鏡的濾波，使得接近于特征峰展寬大小的窄帶光束被匯聚并作用到光電探測器光敏面的表面，從而引起光電流信號的光能主要集中在氣體吸收特征峰附近，保證了傳感系統的檢測靈敏度。寬帶光源控制電路控制光源的溫度與輸出光強，保證光源輸出光束功率的穩定性。數據采集電路一方面對光電探測器施加偏置工作電壓，另一方面獲取光電探測器的光強模擬電流信號，并將該模擬信號進行模數轉換，完成對信號數據的采集，最終將信號數據傳入計算機進行存儲、顯示或進一步的處理與分析。
[0012]與現有光纖氣體傳感系統相比，該基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統在同一根光纖上可對多點處、多種類氣體進行同時在線監測，系統結構簡潔，集成度高且成本低， 具體具有以下優點:(1)由于氣體傳感系統采用布拉格光纖光柵，僅對特定波段的光束具有較高的反射率， 而對于其它波段的光束具有良好的透過性，同時實現了波長選擇和反射兩種功能，并且此器件可以直接在光纖上加工制作，實現了在同一根光纖上多點、多種類氣體濃度同時進行在線監測，傳感系統結構簡潔、集成度高且成本低；(2)由于氣體吸收光程的長度至少是吸收氣室長度的兩倍，且對于遠離寬帶光源的布拉格光纖光柵，其反射波段的光束經過更長的吸收光程，因此氣體吸收光程較長，提高了氣體檢測靈敏度；(3)由于寬帶光源的出射光束先后經過布拉格光纖光柵的波長選擇、波分復用器的分光以及光電探測器耦合透鏡表面所鍍介質膜的窄帶濾波作用，最終作用到光電探測器光敏面上的光能集中在氣體吸收特征峰的附近，進一步提高了氣體檢測的靈敏度；(4)由于可根據檢測點實際距離分布情況靈活設置各吸收氣室之間的間隔，同時可根據待監測氣體的種類及其數量設置布拉格光纖光柵的參數及其串接數量，使得該種氣體傳感系統方案可應用于多種應用場合，具有較強的適用性。【附圖說明】
[0013]圖1為基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統示意圖。
[0014]圖2為布拉格光纖光柵反射光束頻帶示意圖，反射光束以1654nm為中心波長，頻帶寬度約為10nm〇
[0015]圖3為基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統光束傳播示意圖，寬帶光源發射包含波長Xl、X2、X3與M的寬帶光束，被包含在該光束當中的中心波長分別為Xl、X2、X3與M的窄帶光束先后被4個不同設定刻痕間距的布拉格光纖光柵反射，通過光纖分束器后傳輸向波分復用器，并被波分復用器分光并耦合到相應光電探測器的光敏面上。
[0016]圖4為布拉格光纖光柵反射光束分光、濾波效果不意圖，由布拉格光纖光柵反射回來的光束先后經過波分復用器的分光與耦合透鏡的濾波，最終出射并作用到光電探測器光敏面上的光束是4路中心波長分別為心、\2、入3與入4的極窄頻帶光束。
[0017]圖中:1_寬帶光源;2-光源控制電路;3-光纖隔離器;4-光纖分束器;5?12-光纖準直器；13?16-吸收氣室；17?20-布拉格光纖光柵;21-光纖;22-波分復用器;23?26-光電探測器耦合透鏡;27?30-光電探測器;31-數據采集電路;32-計算機。[〇〇18] 具體實施:一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:包括寬帶光源、光源控制電路、光纖隔離器、光纖分束器、多個通過光纖串聯的傳感器單元、波分復用器、光電探測器、 光電探測器耦合透鏡、數據采集電路以及計算機，所述的每個傳感器單元包括氣體吸收氣室，所述吸收氣室的兩側分別連接有光纖準直器，一側的光纖準直器另一端連接光纖形成串聯，另一側的光纖準直器另一端連接有布拉格光纖光柵形成傳感器單元;所述的光源控制電路在計算機的控制下控制寬帶光源發射包含多種特定波長的光信號，該光信號經過光纖隔離器達到第一個傳感器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸至下一個傳感器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含另一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸至下一個傳感器單元，依次類推，串聯的每個傳感器單元分別對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，反射光都按原來返回，最終經過光纖分束器分束成兩路，一路沿著原光路到達光纖隔離器并被光纖隔離器隔離，另一路通過光纖傳輸到達波分復用器，波分復用器將該光束分成多路光束，每路光束均為含有一特定波長的窄帶光束，每路含有一特定波長的窄帶光束通過相應的光電探測器耦合透鏡耦合過濾作用后匯聚到相應光電探測器光敏面表面，產生探測光電流信號，光電流信號被數據采集電路采集，并在計算機中進行存儲、顯示或進一步處理分析。
[0019] 所述光信號到達傳感器單元時，先通過一側光纖準直器的準直變成平行光束出射，通過整個吸收氣室，之后經氣室另一側的光纖準直器收集匯聚并再次被耦合進入光纖， 之后達到布拉格光纖光柵，布拉格光纖光柵對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射。
[0020]根據布拉格光纖光柵理論，當寬波段的光束通過布拉格光纖光柵時，特定刻痕間距的布拉格光纖光柵僅對包含某一特定波長的窄帶光束具有反射作用，而對其他波段的光束仍具有良好的透過性，每個傳感器單元中的布拉格光纖光柵通過設定特定刻痕間距實現對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，特定刻痕間距的設置根據待檢測準分布式氣體所有氣體吸收特征峰波長進行計算得到。
[0021]所述光纖隔離器具有單向通過性，只允許光束向遠離光源的方向傳播，阻隔了射向光源的光束，起到保護光源的作用。
[0022]所述的相應的光電探測器耦合透鏡上鍍有對于包含特定波長窄帶波段高透、對于其它波段高反的介質膜，僅允許含有特定波長的窄帶光束可以被耦合并匯聚到光電探測器光敏面上，并且介質膜高透的頻帶寬度遠小于波分復用器各路出射光束的頻帶寬度。
[0023]所述通過光纖串聯的傳感器單元的個數根據準分布式氣體中氣體種類設置。[〇〇24]所述特定波長是指準分布式氣體所有氣體吸收特征峰波長。
[0025]本實施例以可以同時監測四種氣體基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統為例， 所述的四種氣體分別為一氧化碳(C0)、甲烷(C2H6)、乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)，選擇四種氣體的吸收特征峰波長分別為:1566腦、165411111、162111111和152911111。如圖1所示，該系統由寬帶光源1、光源控制電路2、光纖隔離器3、光纖分束器4、光纖準直器5?12、吸收氣室組13?16、布拉格光纖光柵17?20、光纖21、波分復用器22、光電探測器耦合透鏡23?26、光電探測器27 ?30、數據采集電路31以及計算機32構成。其中布拉格光纖光柵17對波長^=156611111的窄帶光束具有反射效應，對于其它波段的光束具有良好的透過性;布拉格光纖光柵18對波長入2= 1654nm的窄帶光束具有反射效應，對于其它波段的光束具有良好的透過性;布拉格光纖光柵19對波長A3=1621nm的窄帶光束具有反射效應，對于其它波段的光束具有良好的透過性； 布拉格光纖光柵20對波長A4=1529nm的窄帶光束具有反射效應，對于其它波段的光束具有良好的透過性。上述布拉格光纖光柵所反射的頻帶寬度約為l〇nm，例如布拉格光纖光柵18 反射的在1654nm附近的頻帶如圖2所示，其反射的波段范圍為1649nm?1659nm〇
[0026]由寬帶光源1在光源控制電路2的控制下發射出的寬頻帶光束包含有上述四種待測氣體的特征吸收峰波長h、A2與心。寬帶光束在光纖內向著遠離光源的方向傳播，經過光纖隔離器3與光纖分束器4傳播到光纖準直器5處。如圖3所示，寬帶光束經光纖準直器5準直后出射并通過吸收氣室13,然后經過吸收氣室13內的氣體吸收后的準直光束被光纖準直器6收集并再次被耦合進入光纖。光束繼續在光纖內傳播，當到達布拉格光纖光柵17時，中心波長為Xi=1566nm，頻帶寬度10nm的窄帶光束被反射回去，而包含波長A2、A3與波段的光束透過布拉格光纖光柵17后得以繼續沿著光纖傳播。透射的光束傳播到光纖準直器7處被準直后出射并通過吸收氣室14,然后經過吸收氣室14內的氣體吸收后的準直光束被光纖準直器8收集并再次被耦合進入光纖。光束繼續在光纖內傳播，當到達布拉格光纖光柵18時， 中心波長為X2=1654nm，頻帶寬度10nm的窄帶光束被反射回去，而包含波長A3與波段的光束透過布拉格光纖光柵18后得以繼續沿著光纖傳播。類似于上述過程，包含波長A3與A4波段的光束將經過吸收氣室15內的氣體吸收并由布拉格光纖光柵19反射回中心波長為入3 = 1621nm，頻帶寬度10nm的窄帶光束，包含波長A4波段的光束經過吸收氣室16內的氣體吸收后并由布拉格光纖光柵20反射回中心波長為A4=1529nm，頻帶寬度10nm的窄帶光束。頻帶寬度為10nm，中心波長分別為156611111、165411111、162111111以及152911111的窄帶光束經過光纖分束器 4后分為兩路。一路向著光源方向傳播，最終被隔離器阻隔。另一路通過光纖傳輸到波分復用器22,并被波分復用器22再次分成4路光束，每一路光束分別為中心波長是1566nm、 1654nm、1621nm以及1529nm的窄帶光束，且它們的頻帶范圍小于10nm。每一路光束再分別經過光電探測器耦合透鏡23、24、25和26的收集會聚，最終分別作用到光電探測器27、28、29和 30的光敏面上引起光電流。如圖1所示，光電流模擬信號經過數據采集電路31的模數轉換、 濾波去噪等初步處理后被傳送給計算機32,用于數據的進一步分析、存儲以及顯示等。由于光電探測器耦合透鏡23、24、25和26上分別鍍有對中心波長分別為1566nm、1654nm、1621nm 和1529nm的很窄頻帶內高透而對于其它波段內高反的介質膜，使得由布拉格光纖光柵反射回來的光束先后經過波分復用器的分光以及耦合透鏡的濾波，最終分別作用到光電探測器 27、28、29和30的光敏面上的光束具有極窄的頻帶，僅為幾十個皮米，有效提高了對上述4種氣體檢測的靈敏度。4種帶寬為10nm的光束分別經過波分復用器的分光與表面鍍膜光電探測器耦合透鏡的濾波后，最終出射光束的頻帶效果示意圖如圖4所示。
【主權項】
1.一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:包括寬帶光源、光源控制 電路、光纖隔離器、光纖分束器、多個通過光纖串聯的傳感器單元、波分復用器、光電探測 器、光電探測器耦合透鏡、數據采集電路以及計算機，所述的每個傳感器單元包括氣體吸收 氣室，所述吸收氣室的兩側分別連接有光纖準直器，一側的光纖準直器另一端連接光纖形 成串聯，另一側的光纖準直器另一端連接有布拉格光纖光柵形成傳感器單元;所述的光源 控制電路在計算機的控制下控制寬帶光源發射包含多種特定波長的光信號，該光信號經過 光纖隔離器達到第一個傳感器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含一種特定波 長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸至下一個傳感 器單元，該傳感器單元中的布拉格光纖光柵對包含另一種特定波長的窄帶光束進行反射， 對剩余光信號透射，剩余光信號繼續經過光纖傳輸，依次類推，串聯的每個傳感器單元分別 對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，反射光都按原來返回，最終經過光纖分束器分 束成兩路，一路沿著原光路到達光纖隔離器并被光纖隔離器隔離，另一路通過光纖傳輸到 達波分復用器，波分復用器將該光束分成多路光束，每路光束均為含有一特定波長的窄帶 光束，每路含有一特定波長的窄帶光束分別通過相應的光電探測器耦合透鏡耦合過濾作用 后匯聚到相應光電探測器光敏面表面，產生探測光電流信號，光電流信號被數據采集電路 采集，并在計算機中進行存儲、顯示或進一步處理分析。2.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述光信號到達傳感器單元時，先通過一側光纖準直器的準直變成平行光束出射，在通過整 個吸收氣室后經氣室另一端的光纖準直器收集匯聚并再次被耦合進入光纖，之后達到布拉 格光纖光柵，布拉格光纖光柵對包含一種特定波長的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透 射。3.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述通過光纖串聯的傳感器單元的個數根據準分布式氣體中氣體種類設置。4.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述特定波長是指準分布式氣體的所有氣體吸收特征峰波長。5.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述每個傳感器單元中的布拉格光纖光柵通過設定特定刻痕間距實現對包含一種特定波長 的窄帶光束進行反射，對剩余光信號透射，特定刻痕間距的設置根據待檢測準分布式氣體 所有氣體吸收特征峰波長進行計算得到。6.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述光纖隔離器具有單向通過性，只允許光束向遠離光源的方向傳播。7.根據權利要求1所述的一種基于光纖光柵的準分布式氣體傳感系統，其特征在于:所 述的相應的光電探測器耦合透鏡上鍍有對于包含某一特定波長窄帶光束高透、對于其它波 段光束高反的介質膜。
【文檔編號】G01N21/01GK105987885SQ201610004868
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年1月6日
【發明人】魏玉賓, 王寅, 張婷婷, 趙維崧, 李艷芳, 劉統玉
【申請人】山東省科學院激光研究所