專利名稱：全光纖干涉式甲烷檢測的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種利用光纖耦合器進行甲烷檢測的技術。
背景技術：
甲烷(CH4)是礦井瓦斯、天然氣、沼氣和多種液體燃料的主要成分，是重要的工業(yè)原料和日常生活的燃氣，它也是易燃易爆氣體，在大氣中爆炸的下限為5.3％，上限為15.0％。同時也被認為是溫室效應最主要的氣體之一?？諝庵蠧H4的濃度每年大約以1％的速度增長。因此及時檢測CH4氣體的產生源、泄露源及濃度，對工礦安全運行、人身安全及環(huán)境保護有著十分重要的作用。
目前廣泛采用的甲烷測量方法主要有催化氧化法和光學法。其中催化氧化法利用催化劑催化甲烷和氧氣的氧化反應，將化學能轉化為熱能，由熱敏電阻測出溫度的變化，從而得到甲烷濃度值。該方法一般只能達到0.1％的測量精度，而且電路部分容易受外界電磁干擾，影響測量準確度；由于需要電源供電，有發(fā)出電火花的安全隱患；傳感器容易中毒、對氣體的選擇性差、易出現(xiàn)誤報，而且系統(tǒng)需要頻繁校準；該方法也不利于實現(xiàn)分布式測量。光學法又分為吸收式和干涉式兩種，它們分別利用了甲烷紅外吸收特性和甲烷濃度與光折射率存在的關系。這兩種方法都需要通過幾何光學的方法來增大光程以提高測量靈敏度，所以集成性相對較差，而且實現(xiàn)分布式測量難度很大。而近幾年發(fā)展起來的光纖傳感器相對于常規(guī)傳感器具有無可比擬的優(yōu)點，它靈敏度高、響應快、動態(tài)范圍大、不受電磁干擾、耐腐蝕、體積小、可以實現(xiàn)信號的長距離傳輸和現(xiàn)場實時遙測、傳感頭可以放入惡劣環(huán)境中(如有毒，高溫氣體)，結構簡單，工作穩(wěn)定可靠并且易于組成光纖網絡傳感系統(tǒng)。目前有一種基于布拉格光纖光柵的甲烷分布式傳感方法及設備，它是用在光纖光柵上鍍一層鉑膜，金屬鉑作為催化劑催化甲烷氣體與氧氣反映而產生熱能，通過研究布拉格光柵的反射峰位置隨溫度變化規(guī)律來實現(xiàn)對甲烷氣體濃度的測量。該裝置用多個光纖光柵作為傳感元件是一種準分布式的測量方式，而且成本比較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種全光纖干涉式甲烷檢測的方法，同時提供了實現(xiàn)該方法的設備，其具有安全、測量精度高、響應速度快、動態(tài)范圍大、感應部分更換方便等優(yōu)點。
為解決上述技術問題，本發(fā)明的方法包括以下步驟1)利用兩個3dB光纖定向耦合器連接制成一個全光纖干涉儀，干涉儀的一個臂作為參考臂，另一個臂為探測臂，探測臂長為L1，參考臂長為L2；2)探測臂在金屬套管中穿過，運用真空鍍膜技術在細金屬套管表面上鍍一層鉑膜，作為催化劑，在催化劑的作用下，待測氣體中的甲烷與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應放出熱量，使鉑膜附近溫度升高，導致探測臂光纖因周圍溫度升高而產生熱膨脹效應和熱光效應，其中熱膨脹效應使光纖的長度改變，而熱光效應使纖芯折射率改變，從而使臂長差發(fā)生改變，兩臂輸出的光疊加后將產生干涉效應；3)將套在金屬套管中的探測臂置于不同標準濃度的甲烷氣體樣本中，檢測干涉儀譜線的變化；4)利用步驟3)測得的數據對干涉儀譜線與甲烷濃度的關系進行定標，建立干涉儀譜線移動與甲烷濃度之間的關系為Δφφ=an---(1)]]>式中φ為兩臂的相位差，Δφ臂長差改變引起的相位差，α為比例系數，n為甲烷濃度；5)將寬帶光源的光由①端口輸入耦合器1中，經耦合器1的光以1∶1的比例進入探測臂和參考臂，經過兩臂的光共同通過耦合器2經⑤端口輸出，⑤端口輸出的光進入解調系統(tǒng)，根據公式(1)獲得甲烷氣體濃度。
實現(xiàn)該方法的設備包括寬帶光源BBS通過光纖與3dB耦合器1的①端口連接，耦合器1的③端口通過光纖與3dB耦合器2的⑦端口相連接形成探測臂，探測臂套置有金屬套管并設置有偏振控制器，耦合器1的④端口與耦合器2的⑧端口通過光纖連接，耦合器2的⑤端口輸出的光進入解調系統(tǒng)。
本發(fā)明通過由兩個光纖定向耦合器構成的全光纖干涉儀進行甲烷濃度檢測，可以實現(xiàn)高靈敏度、高響應速度、遠距離的測量，同時由于鉑膜設置在金屬套管上，具有動態(tài)范圍大、更換方便等優(yōu)點。在室溫環(huán)境下，甲烷氣體在空氣中的體積比每增加1％，鉑膜附近溫度會升高0.5攝氏度，跟蹤某一特定相位點對應波長的變化為0.01％每皮米，與現(xiàn)有甲烷檢測設備相比，在配有相同解調系統(tǒng)的情況下，本發(fā)明具有更高的測量精度。


圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；圖2為本發(fā)明所述的干涉儀的輸出光強與波長的理論曲線圖；圖3為干涉儀譜線的移動與甲烷濃度的對應關系圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，如圖1所示，寬帶光源BBS通過光纖與3dB耦合器1的①端口連接，耦合器1的③端口通過光纖與3dB耦合器2的⑦端口相連接形成探測臂，探測臂上套置有長度35mm，內徑為0.15mm稍大于光纖直徑的金屬套管，采用真空鍍膜技術在金屬套管表面上鍍上一層鉑膜，作為催化劑，探測臂上還設置有偏振控制器，耦合器1的④端口與耦合器2的⑧端口通過光纖連接形成參考臂。
在催化劑的作用下，待測氣體中的甲烷與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應放出熱量，使鉑膜附近的溫度升高，導致探測臂光纖因周圍溫度變化而產生熱膨脹效應和熱光效應，其中熱膨脹效應使光纖的長度改變，而熱光效應使纖芯折射率改變，從而使臂長差發(fā)生改變，兩臂輸出的光疊加后將產生干涉效應，將鍍有鉑膜的探測臂置于不同標準濃度的甲烷氣體樣本中，檢測干涉儀譜線的變化，對干涉儀譜線與甲烷濃度的關系進行定標，寬帶光源發(fā)出光經耦合器1分別進入干涉儀的探測臂和參考臂，兩臂輸出的光疊加后將產生干涉效應，因此當兩個耦合器的分光比均為3dB時，其⑤端口和⑥端口的歸一化的輸出端光強I可表示為I=12[1μcosφ(λ)]---(1)]]>式中φ＝(2πneffΔL)/λ是兩臂的相位差，ΔL是干涉儀兩臂的長度差，neff是光纖的有效折射率，λ是工作波長。圖2給出了干涉儀的輸出光強與波長的理論曲線，由圖可知，不同的λ對應不同的φ，亦即對應著不同的輸出功率。
當相位差φ為π的奇整數倍時，輸出功率達到最大值，兩相鄰峰值間隔即最大的波長差為Δλ=λ1-λ2=λ1λ2neffΔL---(2)]]>由于Δλ遠遠小于λ1和λ2，所以上式可簡化為Δλ=λ2neffΔL---(3)]]>由上式可知，如果ΔL的改變很微小(微米量級)，則Δλ的改變可以忽略不計。當λ一定時，φ與ΔL和neff成正比，當外界因素引起干涉儀臂長差ΔL(對應于光纖的彈性變形)和有效折射率neff(對應于光纖的彈光效應)發(fā)生變化，相位差φ相應改變，其結果是干涉儀的功率譜產生平移，因此測量φ的變化可以得到引起ΔL和neff變化的被測物理量。
對于長度為L、折射率為n的光纖，其相位隨溫度的變化關系為Δφφ=1n(δnδT)ΔT+{ϵz-n22[(P11+P12)ϵr+P11ϵz]}---(4)]]>式中P11，P12為光纖材料的彈光系數；εz是軸向應變；εr是徑向應變。由式(4)可看出，干涉儀的譜線移動與溫度變化成線性關系。而溫度變化與甲烷濃度之間也存在線性關系，從而可以建立干涉儀的譜線移動與甲烷濃度n之間的關系為Δφφ=an---(5)]]>式中φ為兩臂的相位差，Δφ臂長差改變引起的相位差，α為比例系數，n為甲烷濃度；耦合器2的⑤端口輸出的光進入解調系統(tǒng)，根據公式(5)獲得甲烷氣體濃度。
權利要求
1.全光纖干涉式甲烷檢測的方法，其特征在于包括以下步驟1)利用兩個光纖定向耦合器連接制成一個全光纖干涉儀，干涉儀的一個臂作為參考臂，另一個臂為探測臂，探測臂長為L1，參考臂長為L2；2)探測臂在金屬套管中穿過，運用真空鍍膜技術在細金屬套管表面上鍍一層鉑膜，作為催化劑，在催化劑的作用下，待測氣體中的甲烷與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應放出熱量，使鉑膜附近溫度升高，導致探測臂光纖因周圍溫度升高而產生熱膨脹效應和熱光效應，其中熱膨脹效應使光纖的長度改變，而熱光效應使纖芯折射率改變，從而產生了臂長差，兩臂輸出的光疊加后將產生干涉效應；3)將套在金屬套管中的探測臂置于不同標準濃度的甲烷氣體樣本中，檢測干涉儀譜線的變化；4)利用步驟3)測得的數據對干涉儀譜線與甲烷濃度的關系進行定標，建立干涉儀譜線移動與甲烷濃度之間的關系為Δφφ=αn...(1)]]>式中φ為兩臂的相位差，Δφ為臂長差改變引起的相位差，α為比例系數，n為甲烷濃度；5)將寬帶光源的光由①端口輸入耦合器1中，經耦合器1的光以1∶1的比例進入探測臂和參考臂，經過兩臂的光共同通過耦合器2經⑤端口輸出，⑤端口輸出的光進入光譜儀或其他解調系統(tǒng)，根據公式(1)獲得甲烷氣體濃度。
2.根據權利要求1所述的全光纖干涉式甲烷檢測的方法，其特征在于所述耦合器采用3dB耦合器。
3.實現(xiàn)上述方法的設備，其特征在于包括寬帶光源BBS通過光纖與耦合器1的①端口連接，耦合器1的③端口通過光纖與3dB耦合器2的⑦端口相連接形成探測臂，探測臂套置有金屬套管并設置有偏振控制器，耦合器1的④端口與耦合器2的⑧端口通過光纖連接，耦合器2的⑤端口輸出的光進入解調系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全光纖干涉式甲烷檢測的方法和設備，由兩個耦合器連接形成一個干涉儀，干涉儀的兩臂分別為探測臂和參考臂，探測臂上套置有金屬套管，金屬套管表面上鍍有鉑膜，作為催化劑催化甲烷與氧氣發(fā)生反應放出熱量，使探測臂變長，從而產生臂長差，兩臂輸出的光疊加后產生干涉效應，建立干涉儀譜線移動與甲烷濃度之間的關系，通過與寬帶光源和光譜儀或其他解調設備連接，根據檢測干涉儀譜線的移動獲得甲烷的濃度信息?？梢詫崿F(xiàn)高靈敏度、高響應速度、遠距離的測量。
文檔編號G06F19/00GK101046451SQ20071001456
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權日2007年4月19日
發(fā)明者李麗君, 曹茂永, 李晶, 孫農亮, 范迪, 魏朋 申請人:山東科技大學