專利名稱：高性能光纖瓦斯傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)技術(shù)，具體而言是應(yīng)用于礦井 的高性能光纖瓦斯傳感器。
背景技術(shù)：
由于煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，煤炭的安全生產(chǎn)直接影 響著國(guó)計(jì)民生的大事，造成煤炭安全事故的最主要因素之一是瓦斯事故，所 以近幾年來一直深受國(guó)家和社會(huì)關(guān)注。目前到2006年為止廣泛用于瓦斯監(jiān)測(cè)的傳感器基本上全部是黑白催化元件和熱導(dǎo)元件。黑白元件的量程在4%以下，每個(gè)兩周必須調(diào)試一次；熱導(dǎo)元 件誤差比較大；催化元件和熱導(dǎo)元件組成的混合型傳感器盡管可以實(shí)現(xiàn)大量 程，但是對(duì)瓦斯的突出響應(yīng)不夠迅速。對(duì)于監(jiān)測(cè)易燃易爆的瓦斯氣體來說， 具有光纖瓦斯傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，傳感器由玻璃纖維制成，通過光信號(hào)工作，不涉及電信號(hào)，具有本 征安全性能；其次，測(cè)量范圍大，理論上可以達(dá)到任意大的濃度范圍；靈敏度高；響 應(yīng)速度快等。光纖瓦斯氣體傳感器的研究與應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都有出現(xiàn)，許多方法都得到了 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。一，1987年J. P. Dakin和C. A. Wade等人報(bào)道了一種利用梳狀濾波器和寬 帶光源(LED)測(cè)量甲烷氣體濃度的方法；采用寬帶光源的差分吸收光譜式氣 體傳感器[1'2]，這種方案精度可達(dá)400ppm，完全可以滿足煤礦瓦斯檢測(cè)的精度， 它的最大優(yōu)點(diǎn)在于成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好，但由于目前所用的發(fā) 光管功率低，因此只用于單點(diǎn)檢測(cè)。二， 1990年H. Tai和K. Yamamoto等利用1. 66um單模分布反饋式(DFB LD) 半導(dǎo)體激光器，采用了波長(zhǎng)(頻率)調(diào)制的諧波檢測(cè)方法，室溫下檢測(cè)甲烷 濃度達(dá)到了 20ppm最小探測(cè)靈敏度；基于分布反饋激光器諧波檢測(cè)的光纖多 點(diǎn)甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，這種方案精度高，但分布反饋激光器價(jià)格昂貴，諧波檢測(cè) 技術(shù)復(fù)雜，單色性強(qiáng)容易產(chǎn)生干涉，因此這種技術(shù)很難在我國(guó)推廣應(yīng)用。
三，便攜式遙感瓦斯探測(cè)器[3'"，它采用正弦波調(diào)制技術(shù)對(duì)瓦斯進(jìn)行遙感 測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是攜帶方便，但成本高、技術(shù)復(fù)雜且只能單點(diǎn)測(cè)量，無法組成多 點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)四，參考文獻(xiàn)[5]，這種方案我們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電流和光源 溫度的改變等因素會(huì)導(dǎo)致光源光譜發(fā)生改變,致使零點(diǎn)飄移，從而影響長(zhǎng)期穩(wěn) 定性.
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定的高性能光纖瓦斯傳感器 設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)帶有防溫度漂移性能，提高了系統(tǒng)受光路損耗的干擾能力。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下光纖瓦斯傳感器原理如圖1所示，從超輻射發(fā)光二極管(SLD)發(fā)出的光滿足Lambert定律I=I0exp (-alX ) (1) 式中I。、 I為吸收前和吸收后光強(qiáng)度 a為被測(cè)氣體吸收系數(shù)L為被測(cè)氣體吸收腔長(zhǎng)度 C為被測(cè)氣體濃度K為損耗系數(shù)1(入》-K(、)化(X》+exp (-a()u)*C*L) (2)I(X2)=K(X2) *10(入2)* exp (-a ( x2)*C*L) (3) 利用差分方式[K(入》化(入》]/ ["入2)* U入》]=常數(shù)(4) 由于瓦斯在1.331um處有較強(qiáng)的吸收，如圖2所示，所以本發(fā)明選擇1.331 um為瓦斯吸收段，采用帶寬為1. lnm的光纖布拉格光柵(FBG)濾掉光源其 他部分光， 一個(gè)帶寬為0. 5rnn的光纖布拉格光柵(FBG)將光分成受瓦斯吸收 影響的信號(hào)光和不受瓦斯吸收影響的參考光，通過兩路信號(hào)對(duì)比相除消除光 路損耗對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的影響。被lKHz調(diào)制的光源超輻射發(fā)光二極管(SLD)發(fā)出的光，光源驅(qū)動(dòng)電路 如圖8，經(jīng)過第一個(gè)環(huán)行器(circulator)和一段光纜到達(dá)氣室，被氣體波長(zhǎng) 選擇性吸收后又被末端反射鏡反射返回到氣室二次吸收，光再經(jīng)過此光纜、 第二個(gè)環(huán)行器和第三環(huán)行器到達(dá)帶寬為1. lnm帶寬光纖布拉格光柵，反射回 一個(gè)帶寬為1. lnm的光，光經(jīng)過第二個(gè)環(huán)行器和第三個(gè)環(huán)行器到達(dá)0. 5nm帶 寬布拉格光柵，在0.5nm帶寬光纖布拉格光柵作用下， 一路0.5nm帶寬攜帶 吸收信息的光返回至信號(hào)接收電路，光譜如圖2，另一路透射作為參考光到
達(dá)參考接收電路，光譜如圖3。兩路光信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化成交流調(diào)制電信號(hào)， 通過鎖相放大電路將將其轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，鎖相放大電路如圖9，再由 A/D采集卡采集到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)相除消除光路損耗影響。標(biāo)定后 便可以計(jì)算出實(shí)際瓦斯?jié)舛取１景l(fā)明考慮到礦井應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣情況， 對(duì)探頭(氣室)進(jìn)行了防塵防潮處理，防塵材料采用防塵網(wǎng)，防潮材料使用 了5A分子篩，透氣性性好而且可以阻擋水分子進(jìn)入內(nèi)部。使用不銹鋼金屬外 殼防爆。光纖瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5,實(shí)圖如圖6。附圖8顯示了正弦波發(fā)生電路的電路圖，它采用文氏橋振蕩方式，經(jīng)穩(wěn) 壓管限幅輸出，振蕩頻率為lKHz，穩(wěn)定度在0.1Hz。附圖9顯示了鎖相放大 電路圖，參考信號(hào)取自光源調(diào)制信號(hào)，頻率lkHz,用來與光源保持同步，降 低噪音信號(hào)干擾，提高信噪比。
圖1、光纖瓦斯傳感器系統(tǒng)框2瓦斯吸收譜 圖3信號(hào)光光譜4參考光光譜 圖5光纖瓦斯傳感器探頭結(jié)構(gòu)圖 圖6光纖瓦斯傳感器探頭實(shí)圖 圖7光纖瓦斯傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果8光纖瓦斯傳感器調(diào)制電路圖 圖9光纖瓦斯傳感器鐨相放大電路中1-超輻射發(fā)光二極管(SLD) 2-第一個(gè)環(huán)行器3-光纜 4-氣室5-反射鏡6- l.lmn帶寬光纖布拉格光柵7-第二個(gè)環(huán)行器8- 0.4nm帶寬光纖布拉格光柵 9-第三個(gè)環(huán)行器 10-信號(hào)接收電路11-參考接收電路 12-數(shù)據(jù)采集卡13-計(jì)算機(jī)14-光開 關(guān)15-光開關(guān)控制信號(hào)16-瓦斯探頭懸掛桿 17-出氣孔 18-不銹鋼金屬外殼19-防塵材料層20-防潮材料層21-光纖瓦斯 傳感器探頭實(shí)圖22-入氣孔 23-出纖孔
具體實(shí)施例方式本發(fā)明為高性能光纖瓦斯傳感器，其中光源選擇使用了 中心波長(zhǎng)為1327nm的超輻射發(fā)光二極管(SLD)、環(huán)行器為1330nm、光纜 1330nm礦用光纜、光纖布拉格光柵(FBG)為帶寬分別為0.5nm和l.lnm中 心波長(zhǎng)為1331.4nm的光纖布拉格光柵、數(shù)據(jù)采集卡(A/D)為采樣頻率 10KHzUSB接口數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)探頭用幾種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)瓦斯 氣體進(jìn)行標(biāo)定并把標(biāo)定結(jié)果寫入程序中，然后對(duì)其通入不同濃度的瓦斯氣體
進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7，結(jié)果與理想值基本吻合。
由于使用了兩個(gè)光柵，但外界溫度發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)光柵同向同步漂移， 而由兩個(gè)光柵分開的信號(hào)光和參考光比值將不會(huì)發(fā)生變化，因此消除了溫度 對(duì)儀器的影響。從而使儀器更加穩(wěn)定，可靠性良好。
探頭設(shè)計(jì)上，采用多組準(zhǔn)直器組串聯(lián)的方式， 一方面減小了瓦斯傳感器 探頭的尺寸，另一方面增加了吸收長(zhǎng)度，從而提高了檢測(cè)精確度，再一方面， 縮短準(zhǔn)直器組的長(zhǎng)度使其更加穩(wěn)定牢固。
本發(fā)明的高性能光纖瓦斯傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)1) 采用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參考光與信號(hào)光取自同一光源并經(jīng)同一光路傳播， 能有效消除光源和背景變化帶來的干擾，具有穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，全光器件使 其具有測(cè)量精度高、測(cè)量范圍大、方便實(shí)用、可重復(fù)性好、安全系數(shù)高等突 出優(yōu)點(diǎn)。2) 雙光柵結(jié)構(gòu)的引入，使光源光譜的變化以及光路彎曲損耗的波長(zhǎng)選擇 性造成的零點(diǎn)漂移問題得到解決，提高了長(zhǎng)期穩(wěn)定性和系統(tǒng)可靠性。3) 釆用光開關(guān)和環(huán)行器實(shí)現(xiàn)了用一只光源和兩只探測(cè)器進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量， 降低了成本。4) 采用正弦波調(diào)制光源、鎖相放大器，很好地抑制了電路直流零漂現(xiàn)象 帶來的影響和噪音信號(hào)的干擾，具有信噪比高、抗干擾性能好。本發(fā)明的高性能瓦斯傳感器，該光纖瓦斯傳感器在煤礦開采以及其他瓦 斯監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)[1]趙浩等，"差分吸收式光纖甲烷氣體傳感器"，公開號(hào)，CN1544918A。[2]林楓等，"紅外吸收型瓦斯傳感器的研究"，激光與光電子學(xué)進(jìn)展,41 (2004)， 40。[3] Environmental Geology International Journal of Geosciences， Springer-Verlag 2004.[4]賈鎖堂等，"激光遙感瓦斯探測(cè)器"，ZL 03268476.2[5]常軍等，"煤礦瓦斯査分吸收式光纖多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)"，申請(qǐng)?zhí)枺?00610044428.1 。
權(quán)利要求
1、一種高性能光纖瓦斯傳感器，其特征在于光源超輻射發(fā)光二極管(1)發(fā)出的光，經(jīng)過第一個(gè)環(huán)行器(2)和一段光纜(3)到達(dá)氣室(4)，被氣體波長(zhǎng)選擇性吸收后又被末端反射鏡(5)反射返回到氣室二次吸收，光再經(jīng)過此光纜、第一個(gè)環(huán)行器(2)、第二個(gè)環(huán)行器(7)到達(dá)帶寬為1.1nm的光纖布拉格光柵(6)，反射回一個(gè)帶寬為1.1nm的光，光經(jīng)過第二個(gè)環(huán)行器(7)和第三個(gè)環(huán)行器(9)到達(dá)0.5nm帶寬的光纖布拉格光柵(8)，在0.5nm帶寬光纖布拉格光柵(8)作用下，一路0.5nm帶寬攜帶吸收信息的光返回至信號(hào)接收電路(10)，另一路透射作為參考光到達(dá)參考接收電路(11)，兩路光信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化成交流調(diào)制電信號(hào)，通過鎖相放大電路將將其轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，再由A/D采集卡(12)采集到計(jì)算機(jī)(13)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)相除消除光路損耗影響標(biāo)定后便可以計(jì)算出實(shí)際瓦斯?jié)舛取?br>
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能光纖瓦斯傳感器，其特征在于所述的氣室(4)進(jìn)行了防塵防潮處理，并且使用不銹鋼金屬外殼防爆。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能光纖瓦斯傳感器，其特征在于SLD發(fā)出的光，經(jīng)過第一個(gè)環(huán)行器和一段光纜到達(dá)氣室，被氣體波長(zhǎng)選擇性吸收后又被末端反射鏡反射返回到氣室二次吸收，光再經(jīng)過此光纜、第二個(gè)環(huán)行器和第三環(huán)行器到達(dá)帶寬為1.1nm帶寬FBG，反射回一個(gè)帶寬為1.1nm的光，光經(jīng)過第二個(gè)環(huán)行器和第三個(gè)環(huán)行器到達(dá)0.5nm帶寬FBG，在0.5nm帶寬FBG作用下，一路0.5nm帶寬攜帶吸收信息的光返回至信號(hào)接收電路，另一路透射作為參考光到達(dá)參考接收電路，兩路光信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化成交流調(diào)制電信號(hào)，再由A/D采集卡采集到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)相除消除光路損耗影響，計(jì)算出實(shí)際瓦斯?jié)舛?。由于使用了兩個(gè)光柵，消除了溫度對(duì)儀器的影響，從而使儀器更加穩(wěn)定，可靠性良好。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101126711SQ200610069608
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者倪家升, 劉統(tǒng)玉, 軍 常, 黔 王, 石智棟, 韓秀雨 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所