專利名稱：雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于分析儀器、氣體化學(xué)、安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法。
背景技術(shù)：
每次重大特大煤礦事故都帶來(lái)巨額財(cái)產(chǎn)損失，尤其給礦業(yè)工人的生命帶來(lái)無(wú)法挽回的損失。煤礦事故的主要原因之一是瓦斯引起的爆炸。對(duì)煤礦井瓦斯(主成分是甲烷CH4)氣體濃度的檢測(cè)與控制是一個(gè)規(guī)避煤礦惡性事故的有效方法。瓦斯傳感器及其系統(tǒng)是礦井瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測(cè)的關(guān)鍵裝備，受到人們的廣泛重視。
瓦斯傳感是一種氣體傳感。目前，礦井瓦斯傳感器主要有半導(dǎo)體氣敏元件、電化學(xué)傳感器、載體催化元件、光干涉或紅外吸收型傳感器等。半導(dǎo)體氣敏元件的精度低、零漂大、穩(wěn)定性和選擇性差。電化學(xué)傳感器的精度和穩(wěn)定性好，其不足是壽命短、價(jià)格高。載體催化瓦斯傳感器具有方便和價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，其不足是反應(yīng)慢、穩(wěn)定性差、壽命短、易波動(dòng)激活及中毒、溫濕度影響大、對(duì)瓦斯選擇性差、抗高濃沖擊性差、存在安全隱患等。光干涉式瓦斯傳感器的零漂低穩(wěn)定性好，其不足是選擇性差、干擾大。根據(jù)傳光形式，紅外吸收型瓦斯傳感器可分為自由空間式和波導(dǎo)光纖式兩種，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、零漂低、選擇性好、壽命和校正周期長(zhǎng)。自由空間式瓦斯傳感器的不足是防塵性差、溫濕度影響大、穩(wěn)定性差、價(jià)格高。光纖瓦斯傳感器根據(jù)光的作用方式可有倏逝波型和White氣室吸收式傳感器，其共同優(yōu)點(diǎn)是可遙測(cè)、電氣絕緣、無(wú)安全隱患。光纖倏逝波型瓦斯傳感器的不足是制作困難、信號(hào)噪聲大、精度低、探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜。光纖White氣室吸收式瓦斯傳感器具有體積大、準(zhǔn)直裝配困難、防振性和溫度穩(wěn)定性差、環(huán)境適應(yīng)性弱、光損失和干擾大等不足。
與本發(fā)明相近的是基于光纖White吸收氣室和短周期光纖光柵(短周期光纖光柵也稱為Bragg光纖光柵或布拉格光纖光柵)而形成的光纖瓦斯傳感系統(tǒng)，目前有兩種結(jié)構(gòu)的傳感系統(tǒng)。一類傳感系統(tǒng)是通過(guò)壓電陶瓷和光纖光柵得到波長(zhǎng)調(diào)制的反射光源，傳輸?shù)絎hite吸收氣室被甲烷氣體吸收，用2個(gè)光電探測(cè)器分別獲取被瓦斯吸收后的二次諧波分量光信號(hào)及光纖光柵的透射光信號(hào)，相除后得瓦斯傳感數(shù)據(jù)。另一類是雙波長(zhǎng)差分式光纖光柵瓦斯傳感系統(tǒng)其光源光在White吸收氣室被瓦斯氣體吸收后，被2個(gè)短周期光纖光柵反射回兩個(gè)波長(zhǎng)的光；該兩波長(zhǎng)光被2個(gè)光纖耦合器和1個(gè)光纖隔離器或2個(gè)光纖環(huán)行器分離開(kāi)，再分別傳到2個(gè)光電探測(cè)器被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)得到瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。這些傳感系統(tǒng)具有遙測(cè)、精度高、電氣絕緣、無(wú)安全隱患等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)包括光纖White氣室吸收式瓦斯傳感器的所有不足(如前述)，同時(shí)還包括傳感器成本高(光纖隔離器或環(huán)行器昂貴)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境溫度影響大(不能溫度補(bǔ)償)等不足。這些不足有待新的技術(shù)和方法加以克服與改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有結(jié)構(gòu)和裝調(diào)簡(jiǎn)單、可同時(shí)檢測(cè)瓦斯?jié)舛群蜏囟取⑵鋫鞲衅黧w積小、準(zhǔn)直容易、成本較低、防振性和溫度穩(wěn)定性好、光損失和干擾小等特點(diǎn)的雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)；本發(fā)明的另一目的是提供一種能進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正、精度高的瓦斯?jié)舛葌鞲蟹椒ā?br> 本發(fā)明的技術(shù)方案如下雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于由寬帶光源A、光纖B1～B3、寬帶耦合器Cw、雙柵光纖微腔瓦斯傳感器S、光譜解調(diào)器D和計(jì)算機(jī)E組成；寬帶光源A通過(guò)光纖B1連接到寬帶耦合器Cw的一個(gè)輸入端，寬帶耦合器Cw的輸出端通過(guò)光纖B3連接到雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端，寬帶耦合器Cw的另一個(gè)輸入端通過(guò)光纖B2連接到光譜解調(diào)器D的光纖輸入端，光譜解調(diào)器D的數(shù)據(jù)端口通過(guò)數(shù)據(jù)接口線連接到計(jì)算機(jī)E；所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器包括第一光纖和第二光纖、第一自準(zhǔn)直透鏡和第二自準(zhǔn)直透鏡、第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵、支承體，其中第一光纖的一個(gè)端面位于第一自準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)并與第一自準(zhǔn)直透鏡固連在一起，該第一自準(zhǔn)直透鏡固定連接在支承體上，在支承體上相距第一自準(zhǔn)直透鏡一段距離處固定連接有第二自準(zhǔn)直透鏡，第一自準(zhǔn)直透鏡和第二自準(zhǔn)直透鏡之間的空間構(gòu)成為微腔，第二光纖的一個(gè)端面位于第二自準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)并與第二自準(zhǔn)直透鏡固定連接在一起，第二光纖上寫有第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵；第一短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)在瓦斯氣體的吸收光譜帶外，第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)在瓦斯氣體的吸收光譜帶內(nèi)，第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)之間的間隔大于其反射波長(zhǎng)帶的3dB帶寬之和的一半；第二光纖是雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的后端，第一光纖是雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端。
在本傳感系統(tǒng)的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器中，位于第一自準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)的第一光纖的端面與第一自準(zhǔn)直透鏡的光軸垂直；位于第二自準(zhǔn)直透鏡焦點(diǎn)的第二光纖的端面與第二自準(zhǔn)直透鏡的光軸垂直；第一自準(zhǔn)直透鏡的光軸和第二自準(zhǔn)直透鏡的光軸同軸，第一自準(zhǔn)直透鏡和第二自準(zhǔn)直透鏡之間的距離約為3-500mm；第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)處的3dB波長(zhǎng)帶寬均約為0.02-0.5nm，這兩個(gè)短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)處的反射率均大于50％，這兩個(gè)短周期光纖光柵之間的距離大于0.5mm，這兩個(gè)短周期光纖光柵到第二光纖任意端面的距離大于5mm。
在雙柵光纖微腔瓦斯傳感器中，支承體上連接有一保護(hù)蓋；保護(hù)蓋在第一自準(zhǔn)直透鏡和第二自準(zhǔn)直透鏡之間的位置處有透氣孔，在靠近兩個(gè)短周期光纖光柵處有透氣孔，在各透氣孔處覆蓋有防塵透氣薄層；在靠近保護(hù)蓋及支承體的兩端部通過(guò)固化膠分別連接有第一光纖緩沖護(hù)套和第二光纖緩沖護(hù)套。
本傳感系統(tǒng)獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其具體步驟是(i)先標(biāo)定本傳感系統(tǒng)中雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)，(ii)然后由雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的反射光感知瓦斯?jié)舛群蜏囟刃畔?，由光譜解調(diào)器獲取所述反射光的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，(iii)最后由計(jì)算機(jī)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度值；其特征在于1)寬帶光源A的光通過(guò)光纖B1、寬帶耦合器Cw和光纖B3傳輸?shù)诫p柵光纖微腔瓦斯傳感器的第一光纖，經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為平行光而進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體吸收，再經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡耦合到第二光纖，被第二光纖上的第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵反射返回所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射中心波長(zhǎng)附近的窄帶光；2)所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射返回的光經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為平行光而再次進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體再吸收，再經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡耦合到第一光纖，并經(jīng)光纖B3、寬帶耦合器Cw和光纖B2傳輸?shù)焦庾V解調(diào)器；3)計(jì)算機(jī)通過(guò)光譜解調(diào)器獲取所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射光的光譜，以第一短周期光纖光柵反射光的幅值作為參考信號(hào)，以第二短周期光纖光柵反射光的幅值作為瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，以第二短周期光纖光柵反射光的反射中心波長(zhǎng)作為溫度信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所述參考信號(hào)、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)、溫度信號(hào)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到實(shí)際傳感溫度時(shí)的敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度的測(cè)量值；其標(biāo)定和傳感時(shí)的計(jì)算公式分別為(a)標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)a0為a0=1n[I2(0)I1(0)]]]>其中，I1(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第一短周期光纖光柵的反射光幅值；I2(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第二短周期光纖光柵的反射光幅值；(b)溫度校正參數(shù)k0k0=1C0{1n[I2(1)I1(1)]-a0}]]>其中，C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；I1(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第一短周期光纖光柵的反射光幅值；I2(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第二短周期光纖光柵的反射光幅值；a0是標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)；(c)溫度校正參數(shù)γ
γ=(λ2T-λ0)k0C0k0C0+a0-1n[I2(2)I1(2)]-1]]>其中，λ0是第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2T是在標(biāo)定溫度(TC)且λ2T≠λ0時(shí)，第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)；C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第一短周期光纖光柵的反射光幅值；I2(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第二短周期光纖光柵的反射光幅值；(d)傳感時(shí)所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)kk=k01+(λ2-λ0γ)2]]>其中，k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；γ是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)γ；λ0是第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2是傳感時(shí)獲取的第二短周期光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)；(e)傳感時(shí)傳感系統(tǒng)得到的被測(cè)瓦斯氣體的濃度C為C=1k{1n[I2(C)I1(C)]-a0}]]>其中，k是傳感時(shí)計(jì)算得到的所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(C)是傳感時(shí)第一短周期光纖光柵的反射光幅值；I2(C)是傳感時(shí)第二短周期光纖光柵的反射光幅值。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本傳感系統(tǒng)及傳感方法具有如下優(yōu)點(diǎn)(a)本傳感系統(tǒng)中的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，體積小，溫度穩(wěn)定性好，抗高濃沖擊性好，反應(yīng)快，壽命長(zhǎng)，不需經(jīng)常調(diào)校，電氣絕緣，不燃燒，無(wú)安全隱患(本安型傳感器)；(b)自準(zhǔn)直透鏡是基于漸變折射率的微型透鏡，由其構(gòu)成的微腔吸收氣室與光纖的匹配性好，準(zhǔn)直和裝配容易，抗振性強(qiáng)，耦合穩(wěn)定性好；(c)本傳感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)，無(wú)中繼遙測(cè)距離可達(dá)20公里以上，系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單；(d)該傳感系統(tǒng)及其傳感方法消除了溫度對(duì)瓦斯?jié)舛葴y(cè)量的影響，也消除了光源和光路干擾的影響，還可同時(shí)獲取溫度信息，傳感精度高，可達(dá)10ppm。


圖1是本發(fā)明涉及的雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及其局部放大圖；圖2是本發(fā)明涉及的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖2的H-H剖視圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明如圖1所示，本發(fā)明的傳感系統(tǒng)由寬帶光源A、光纖B1～B3、寬帶耦合器Cw、雙柵光纖微腔瓦斯傳感器S、光譜解調(diào)器D和計(jì)算機(jī)E組成。其構(gòu)成方法是中心波長(zhǎng)為1330nm、帶寬40nm的寬帶光源A通過(guò)光纖B1連接到寬帶耦合器Cw的一輸入端，寬帶耦合器Cw的輸出端通過(guò)光纖B3連接到雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端，寬帶耦合器Cw的另一輸入端通過(guò)光纖B2連接到光譜解調(diào)器D的光纖輸入端，光譜解調(diào)器D的數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)GPIB接口(或USB、RS232、485等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口)總線連接到計(jì)算機(jī)E，雙柵光纖微腔瓦斯傳感器置于被測(cè)瓦斯氣體中。其中，寬帶光源的光譜帶為1310～1350nm，包含瓦斯氣體(主成分是甲烷CH4)的一個(gè)或多個(gè)吸收光譜帶。
參見(jiàn)圖2和圖3，本發(fā)明傳感系統(tǒng)中的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的結(jié)構(gòu)包括第一光纖緩沖護(hù)套1、第一光纖2、支承體3、固化膠4、第一自準(zhǔn)直透鏡5、第二自準(zhǔn)直透鏡6、固化膠7、第一短周期光纖光柵8、第二短周期光纖光柵9、第二光纖10、第二光纖緩沖護(hù)套11、保護(hù)蓋12、防塵透氣薄層13和固化膠14。其中，第二光纖10上寫有長(zhǎng)度均為5mm的第一短周期光纖光柵8和第二短周期光纖光柵9；第一短周期光纖光柵8距離最近的光纖端面10mm，其反射中心波長(zhǎng)為1327nm，其反射波長(zhǎng)帶的3dB帶寬為0.2nm，其反射中心波長(zhǎng)處的反射率為95％；第二短周期光纖光柵9距離最近的光纖端面17mm，其反射中心波長(zhǎng)為1331.5nm，其反射波長(zhǎng)帶的3dB帶寬為0.2nm，其反射中心波長(zhǎng)處的反射效率為95％；支承體長(zhǎng)約80mm，第一自準(zhǔn)直透鏡5和第二自準(zhǔn)直透鏡6的外徑均為4mm；通過(guò)固化膠4和固化膠7，第一光纖2和第一自準(zhǔn)直透鏡5、第二光纖10和第二自準(zhǔn)直透鏡6都同光軸地固定連接在支承體3上，這兩個(gè)自準(zhǔn)直透鏡之間的距離為12mm，第一光纖2作為雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端，第二光纖10上離第一短周期光纖光柵8最近的端面位于第二自準(zhǔn)直透鏡6的焦點(diǎn)；在支承體3上，通過(guò)固化膠連接有保護(hù)蓋12；該保護(hù)蓋12在中心位置有長(zhǎng)12mm弧長(zhǎng)7mm的透氣孔，在靠近短周期光纖光柵的保護(hù)蓋端部有長(zhǎng)8mm弧長(zhǎng)6mm的透氣孔，保護(hù)蓋的內(nèi)弧半徑3mm；在保護(hù)蓋的兩透氣孔處覆蓋有防塵透氣薄膜13，該防塵透氣薄膜通過(guò)固化膠粘貼到保護(hù)蓋的表面；保護(hù)蓋上的透氣孔及其防塵透氣薄層可阻止塵埃的進(jìn)入，但讓瓦斯氣體進(jìn)入微腔內(nèi)吸收光，可使溫度快速影響短周期光纖光柵，使所述傳感器更好地感知溫度和瓦斯信息；在靠近保護(hù)蓋及支承體的兩端部通過(guò)固化膠14分別連接有第一光纖緩沖護(hù)套1和第二光纖緩沖護(hù)套11，以保護(hù)光纖免受損壞在靠近短周期光纖光柵的保護(hù)蓋端部表面標(biāo)識(shí)有“后端”。
在本發(fā)明的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器中，位于第一自準(zhǔn)直透鏡5焦點(diǎn)處的第一光纖2的端面與第一自準(zhǔn)直透鏡5的光軸垂直，位于第二自準(zhǔn)直透鏡6焦點(diǎn)處的第二光纖10的端面與第二自準(zhǔn)直透鏡6的光軸垂直；第二短周期光纖光柵9的反射中心波長(zhǎng)在瓦斯氣體吸收光譜的3dB帶內(nèi)較好，在瓦斯氣體的吸收峰值波長(zhǎng)附近最好；兩個(gè)自準(zhǔn)直透鏡之間的空間構(gòu)成為一個(gè)微腔，作為瓦斯氣體的微型吸收氣室，其直徑約3mm。
本發(fā)明的傳感系統(tǒng)獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其具體步驟及其特征是步驟(i)先標(biāo)定雙柵光纖微腔瓦斯傳感器初始常數(shù)a0、溫度校正參數(shù)k0和γ(a)雙柵光纖微腔瓦斯傳感器被置于溫度為常溫且瓦斯?jié)舛葹?的氣體盒中，計(jì)算機(jī)獲取1327nm和1331.5nm附近窄光譜帶中心波長(zhǎng)處的幅值分別為I1(0)和I2(0)；(b)雙柵光纖微腔瓦斯傳感器置于瓦斯?jié)舛菴0＝2％的氣體盒中，氣體盒置于溫度可調(diào)的恒溫箱中，改變恒溫箱的溫度，計(jì)算機(jī)通過(guò)1331.5nm附近窄光譜帶中心波長(zhǎng)處的幅值來(lái)確定該幅值為最小時(shí)的溫度Tr，并在溫度Tr點(diǎn)恒溫，此時(shí)計(jì)算機(jī)獲取1327nm附近窄光譜帶中心波長(zhǎng)處的幅值為I1(1)，獲取1331.5nm附近窄光譜帶的中心波長(zhǎng)和幅值分別為λ0和I2(1)，該λ0在1331.5nm附近；(c)雙柵光纖微腔瓦斯傳感器置于瓦斯?jié)舛菴0＝2％的氣體盒中，氣體盒置于溫度為TC＝10℃的恒溫箱中，計(jì)算機(jī)獲取1327nm附近窄光譜帶中心波長(zhǎng)處的幅值為I1(2)，獲取1331.5nm附近窄光譜帶的中心波長(zhǎng)和幅值分別為λ2T和I2(2)；(d)計(jì)算機(jī)將獲取的上述數(shù)據(jù)代入所述計(jì)算公式中，得到傳感器初始常數(shù)a0、溫度校正參數(shù)k0和γ。
步驟(ii)雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的反射光感知瓦斯?jié)舛群蜏囟刃畔?，由光譜解調(diào)器獲取所述反射光的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(a)1310～1350nm帶的寬帶光源A的光通過(guò)光纖B1、寬帶耦合器Cw和光纖B3傳輸?shù)诫p柵光纖微腔瓦斯傳感器的第一光纖，經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為平行光而進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體吸收，再經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡耦合到第二光纖，被第二光纖上的第一短周期光纖光柵和第二短周期光纖光柵反射返回1327nm和1331.5nm波長(zhǎng)附近的窄帶光；(b)反射返回的1327nm和1331.5nm波長(zhǎng)附近的窄帶光經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后成為平行光而再次進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體再吸收，再經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡耦合到第一光纖，并經(jīng)光纖B3、寬帶耦合器Cw和光纖B2傳輸?shù)焦庾V解調(diào)器；(c)光譜解調(diào)器獲取1327nm和1331.5nm波長(zhǎng)附近的窄帶光譜數(shù)據(jù)，并傳送到計(jì)算機(jī)。
步驟(iii)最后由計(jì)算機(jī)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度值(a)計(jì)算機(jī)獲取1327nm和1331.5nm波長(zhǎng)附近的窄帶光譜數(shù)據(jù)；(b)計(jì)算機(jī)獲取1327nm波長(zhǎng)附近窄帶光譜中心波長(zhǎng)處的幅值為I1(C)以作為參考信號(hào)，獲取1331.5nm波長(zhǎng)附近窄帶光譜中心波長(zhǎng)處的幅值為I2(C)以作為瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，獲取1331.5nm波長(zhǎng)附近窄帶光譜的中心波長(zhǎng)為λ2以作為溫度信號(hào)，根據(jù)所述計(jì)算公式、溫度信號(hào)λ2、步驟(i)得到的λ0及溫度校正參數(shù)k0和γ等計(jì)算出實(shí)際傳感時(shí)所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)k；(c)計(jì)算機(jī)根據(jù)所述計(jì)算公式、步驟(i)得到的傳感器初始常數(shù)a0、步驟(iii)得到的參考信號(hào)I1(C)及瓦斯?jié)舛刃盘?hào)I2(C)和敏感系數(shù)k等計(jì)算得到瓦斯氣體濃度的測(cè)量值C。這樣就傳感得到被測(cè)瓦斯氣體的濃度值。該測(cè)量值已消除了溫度、光源及光路上干擾的影響，其精度可達(dá)10ppm。
權(quán)利要求
1.雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于由寬帶光源A、光纖B1～B3、寬帶耦合器Cw、雙柵光纖微腔瓦斯傳感器S、光譜解調(diào)器D和計(jì)算機(jī)E組成；寬帶光源A通過(guò)光纖B1連接到寬帶耦合器Cw的一個(gè)輸入端，寬帶耦合器Cw的輸出端通過(guò)光纖B3連接到雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端，寬帶耦合器Cw的另一個(gè)輸入端通過(guò)光纖B2連接到光譜解調(diào)器D的光纖輸入端，光譜解調(diào)器D的數(shù)據(jù)端口通過(guò)數(shù)據(jù)接口線連接到計(jì)算機(jī)E；所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器S包括第一光纖(2)和第二光纖(10)、第一自準(zhǔn)直透鏡(5)和第二自準(zhǔn)直透鏡(6)、第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)、支承體(3)，其中第一光纖(2)的一個(gè)端面位于第一自準(zhǔn)直透鏡(5)的焦點(diǎn)并與第一自準(zhǔn)直透鏡(5)固連在一起，該第一自準(zhǔn)直透鏡(5)固定連接在支承體(3)上，在支承體(3)上相距第一自準(zhǔn)直透鏡(5)一段距離處固定連接有第二自準(zhǔn)直透鏡(6)，第一自準(zhǔn)直透鏡(5)和第二自準(zhǔn)直透鏡(6)之間的空間構(gòu)成為微腔，第二光纖(10)的一個(gè)端面位于第二自準(zhǔn)直透鏡(6)的焦點(diǎn)并與第二自準(zhǔn)直透鏡(6)固定連接在一起，第二光纖(10)上寫有第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)；第一短周期光纖光柵(8)的反射中心波長(zhǎng)在瓦斯氣體的吸收光譜帶外，第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)在瓦斯氣體的吸收光譜帶內(nèi)，第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)之間的間隔大于其反射波長(zhǎng)帶的3dB帶寬之和的一半；第二光纖(10)是雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的后端，第一光纖(2)是雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的前端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于在所述的雙柵光纖微腔瓦斯傳感器中，位于第一自準(zhǔn)直透鏡(5)焦點(diǎn)的第一光纖(2)的端面與第一自準(zhǔn)直透鏡(5)的光軸垂直，第一光纖(2)、第一自準(zhǔn)直透鏡(5)和支承體(3)通過(guò)固化膠(4)固連在一起；位于第二自準(zhǔn)直透鏡(6)焦點(diǎn)的第二光纖(10)的端面與第二自準(zhǔn)直透鏡(6)的光軸垂直，第二光纖(10)、第二自準(zhǔn)直透鏡(6)和支承體(3)通過(guò)固化膠(7)固連在一起；第一自準(zhǔn)直透鏡(5)的光軸和第二自準(zhǔn)直透鏡(6)的光軸同軸，第一自準(zhǔn)直透鏡(5)和第二自準(zhǔn)直透鏡(6)之間的距離約為3-500mm；第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)處的3dB波長(zhǎng)帶寬均約為0.02-0.5nm，其反射中心波長(zhǎng)處的反射率均大于50％，這兩個(gè)短周期光纖光柵之間的距離大于0.5mm，這兩個(gè)短周期光纖光柵到第二光纖(10)任意端面的距離大于5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)，其特征在于在所述的支承體(3)上，通過(guò)固化膠(4)和固化膠(7)連接有一保護(hù)蓋(12)；保護(hù)蓋(12)在第一自準(zhǔn)直透鏡(5)和第二自準(zhǔn)直透鏡(6)之間的位置處有透氣孔，在靠近第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)處有透氣孔，在各透氣孔處覆蓋有防塵透氣薄層(13)；在靠近保護(hù)蓋(12)及支承體(3)的兩端部通過(guò)固化膠(14)分別連接有第一光纖緩沖護(hù)套(1)和第二光纖緩沖護(hù)套(11)。
4.由權(quán)利要求1或2所述的傳感系統(tǒng)獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其具體步驟是(i)先標(biāo)定所述傳感系統(tǒng)中雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)，(ii)然后由雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的反射光感知瓦斯?jié)舛群蜏囟刃畔ⅲ晒庾V解調(diào)器獲取所述反射光的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，(iii)最后由計(jì)算機(jī)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度值；其特征在于1)寬帶光源A的光傳輸?shù)诫p柵光纖微腔瓦斯傳感器的第一光纖(2)，經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡(5)準(zhǔn)直后成為平行光而進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體吸收，再經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡(6)耦合到第二光纖(10)，被第二光纖(10)上的第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)反射返回所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射中心波長(zhǎng)附近的窄帶光；2)所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射返回的光經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡(6)準(zhǔn)直后成為平行光而再次進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體再吸收，再經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡(5)耦合到第一光纖(2)，并傳輸?shù)焦庾V解調(diào)器；3)計(jì)算機(jī)通過(guò)光譜解調(diào)器獲取所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射光的光譜，以第一短周期光纖光柵(8)反射光的幅值作為參考信號(hào)，以第二短周期光纖光柵(9)反射光的幅值作為瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，以第二短周期光纖光柵(9)反射光的反射中心波長(zhǎng)作為溫度信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所述參考信號(hào)、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)、溫度信號(hào)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到實(shí)際傳感溫度時(shí)的敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度的測(cè)量值；其標(biāo)定和傳感時(shí)的計(jì)算公式分別為(a)標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)a0為a0=ln[I2(0)I1(0)]]]>其中，I1(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；(b)溫度校正參數(shù)k0k0=1C0{ln[I2(1)I1(1)]-a0}]]>其中，C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；I1(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；a0是標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)；(c)溫度校正參數(shù)γγ=(λ2T-λ0)k0C0k0C0+a0-ln[I2(2)I1(2)]-1]]>其中，λ0是第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2T是在標(biāo)定溫度(TC)且λ2T≠λ0時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)；C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；(d)傳感時(shí)所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)kk=k01+(λ2-λ0γ)2]]>其中，k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；γ是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)γ；λ0是第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2是傳感時(shí)獲取的第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)；(e)傳感時(shí)傳感系統(tǒng)得到的被測(cè)瓦斯氣體的濃度C為C=1k{ln[I2(C)I1(C)-a0}]]>其中，k是傳感時(shí)計(jì)算得到的所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(C)是傳感時(shí)第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(C)是傳感時(shí)第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值。
5.由權(quán)利要求3所述的傳感系統(tǒng)獲取瓦斯氣體濃度的傳感方法，其具體步驟是(i)先標(biāo)定所述傳感系統(tǒng)中雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)，(ii)然后由雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的反射光感知瓦斯?jié)舛群蜏囟刃畔?，由光譜解調(diào)器獲取所述反射光的光譜數(shù)據(jù)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，(iii)最后由計(jì)算機(jī)根據(jù)光譜數(shù)據(jù)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度值；其特征在于1)寬帶光源A的光傳輸?shù)诫p柵光纖微腔瓦斯傳感器的第一光纖(2)，經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡(5)準(zhǔn)直后成為平行光而進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體吸收，再經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡(6)耦合到第二光纖(10)，被第二光纖(10)上的第一短周期光纖光柵(8)和第二短周期光纖光柵(9)反射返回所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射中心波長(zhǎng)附近的窄帶光；2)所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射返回的光經(jīng)第二自準(zhǔn)直透鏡(6)準(zhǔn)直后成為平行光而再次進(jìn)入微腔，被微腔內(nèi)的瓦斯氣體再吸收，再經(jīng)第一自準(zhǔn)直透鏡(5)耦合到第一光纖(2)，并傳輸?shù)焦庾V解調(diào)器；3)計(jì)算機(jī)通過(guò)光譜解調(diào)器獲取所述兩個(gè)短周期光纖光柵反射光的光譜，以第一短周期光纖光柵(8)反射光的幅值作為參考信號(hào)，以第二短周期光纖光柵(9)反射光的幅值作為瓦斯?jié)舛刃盘?hào)，以第二短周期光纖光柵(9)反射光的反射中心波長(zhǎng)作為溫度信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)所述參考信號(hào)、瓦斯?jié)舛刃盘?hào)、溫度信號(hào)、初始常數(shù)、溫度校正參數(shù)計(jì)算得到實(shí)際傳感溫度時(shí)的敏感系數(shù)，再計(jì)算出瓦斯氣體濃度的測(cè)量值；其標(biāo)定和傳感時(shí)的計(jì)算公式分別為(a)標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)a0為a0=ln[I2(0)I1(0)]]]>其中，I1(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(0)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹?時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；(b)溫度校正參數(shù)k0k0=1C0{ln[I2(1)I1(1)]-a0}]]>其中，C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；I1(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(1)是所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0且第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)位于瓦斯吸收光譜峰值波長(zhǎng)時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；a0是標(biāo)定的傳感器初始常數(shù)；(c)溫度校正參數(shù)γγ=(λ2T-λ0)k0C0k0C0+a0-ln[I2(2)I1(2)]-1]]>其中，λ0是第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2T是在標(biāo)定溫度(TC)且λ2T≠λ0時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)；C0是標(biāo)定時(shí)瓦斯氣體的參考濃度；k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(2)是在標(biāo)定溫度(TC)且所述傳感器處瓦斯?jié)舛葹镃0時(shí)，第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值；(d)傳感時(shí)所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)kk=k01+(λ2-λ0γ)2]]>其中，k0是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)k0；γ是標(biāo)定時(shí)得到的溫度校正參數(shù)γ；λ0是第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)所在的瓦斯吸收光譜帶的峰值波長(zhǎng)；λ2是傳感時(shí)獲取的第二短周期光纖光柵(9)的反射中心波長(zhǎng)；(e)傳感時(shí)傳感系統(tǒng)得到的被測(cè)瓦斯氣體的濃度C為C=1k{ln[I2(C)I1(C)-a0}]]>其中，k是傳感時(shí)計(jì)算得到的所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器的敏感系數(shù)；a0是標(biāo)定時(shí)得到的傳感器初始常數(shù)；I1(C)是傳感時(shí)第一短周期光纖光柵(8)的反射光幅值；I2(C)是傳感時(shí)第二短周期光纖光柵(9)的反射光幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)及傳感方法。該雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)由寬帶光源、光纖、寬帶耦合器、雙柵光纖微腔瓦斯傳感器、光譜解調(diào)器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。所述雙柵光纖微腔瓦斯傳感器由兩段光纖、兩個(gè)短周期光纖光柵、兩個(gè)光纖自準(zhǔn)直透鏡和支承體構(gòu)成。其傳感方法是先標(biāo)定出傳感器的常數(shù)、溫度對(duì)敏感系數(shù)的影響因子，再傳感出被測(cè)的瓦斯氣體濃度。該雙柵光纖微腔瓦斯傳感系統(tǒng)的裝配和調(diào)試簡(jiǎn)單，傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。其傳感方法消除了光源、光路干擾和溫度波動(dòng)的影響，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛群蜏囟鹊臋z測(cè)，精度高。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1940532SQ20061009515
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月25日
發(fā)明者曾祥楷, 楊澤林 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院