专利名称：差分吸收式光纤甲烷气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及甲烷气体的测量，特别是一种利用光纤光栅滤波器的差分吸收式甲烷气体传感器。
背景技术：
甲烷(CH4)是易燃易爆气体，是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要的工业原料和日常生活的燃气，在大气中爆炸的下限为5.3％，上限为15％。瓦斯(即甲烷)事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，瓦斯爆炸一直是困扰采矿业的重大难题，造成重大伤亡的事故屡有发生，给国家和人民带来巨大的损失。同时甲烷也被认为是温室效应最重要的气体之一。据报道，甲烷吸收红外线的能力是二氧化碳的15倍以上，占据整个温室效应的百分之十五，且空气中的甲烷浓度还以每年大约百分之一的速度增长。因此开发一种安全可靠、高灵敏度的甲烷传感器具有重大的社会意义和经济意义。
目前，监测甲烷浓度有多种方案，按照甲烷检测原理可以分为光学式、接触燃烧式、半导体式、酶和生物式、电化学直接氧化式。光学式甲烷传感器具有许多其他传感器无法比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、防燃防爆、不易中毒、且可用光纤传输实现长距离遥测等，特别适合于环境恶劣的矿井下甲烷的检测。根据检测原理还可分为差分吸收光谱式、折射率式、喇曼光谱式和荧光光谱式。相比之下，差分吸收光谱式具有使用简便、可靠性高和寿命长等优势，因此受到广泛重视。差分吸收光谱式是用两个波长(λ1和λ2)相隔很近(但吸收系数有很大差别)的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，在波长λ1和λ2下，若气体的吸收系数a1和a2可以测量，则气体浓度c可以从λ1和λ2光的输入输出光强的变化量求出，这种方式就称为差分吸收式。差分吸收式不仅能补偿或校准光源强度的不稳定性和传输线路损耗对测量的影响，而且还能消除背景吸收干扰。
在先技术之一，“Optical-fiber network system forair-pollution monitoring over a wide area by optical absorptionmethod”，(HUMIO INABA，TAKAO KOBAYASI，MASAYUKI HIRAMA，andMOSTAFA HAMZA，Electron.Lett.，1979，Vol.15，No.23，pp749-751)是采用可调谐激光器实现气体的差分吸收光谱式测量。这种技术中，两个波长的光进入待测气体的时间不一样，因此在消除背景吸收干扰方面存在不足，如要提高消除背景吸收干扰能力，则对可调谐激光器的调谐速度要求较高。
在先技术之二，“差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究”(王玉田，郭增军，王莉田，光电子·激光，2001，Vol.12，No.7，pp675-678)是利用两个波长不同的宽带光源作为差分吸收信号，实现甲烷的差分吸收光谱式测量。其测量装置主要组成部分包括1.两个发光二极管光源；2.两个干涉滤光片；3.一个光纤耦合器；4.一个气体吸收池；5.一个光电探测器；6.由计算机构成的信号处理系统。该技术使用两个宽带光源，增加了系统成本和复杂性；同时由于是两个独立的光源，也无法补偿或校准光源强度的不稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种差分吸收式光纤甲烷气体传感器，达到结构简单、成本较低、工作更方便。
本发明的技术解决方案如下一种差分吸收式光纤甲烷气体传感器，包括宽带光源，其特征在于还有光纤环行器、气体吸收池、光纤光栅滤波器、分波器、光电探测器、信号采集处理系统，其连接关系如下宽带光源接光纤环行器的第一端口，该光纤环行器的第二端口和气体吸收池相连，气体吸收池输出接光纤光栅滤波器，光纤环行器的第三端口接分波器的输入端口，该分波器的两输出端口分别经两光电探测器接信号采集处理系统。
所述的光纤光栅滤波器是由两个均匀光纤光栅级联组成的。
所述的光纤光栅滤波器是由一双波长光纤光栅构成的。
所述的光纤光栅滤波器是由取样光纤光栅构成的。
所述的光纤光栅滤波器是由两个相移光纤光栅构成的。
所述的分波器是由一光纤分束器的输出端分别并接两个光纤光栅组成的。
所述的分波器是由一光纤环行器输出接一个光纤光栅组成的。
本发明的气体传感器具有以下优点1.采用光纤光栅滤波器系统产生差分吸收测量所需的窄谱光信号，与在先技术相比，结构简单，成本更低；2.窄谱光信号是同时从同一宽带光源中提取的，与在先技术相比，具有消除背景吸收干扰和补偿或校准光源强度的不稳定的能力。
3.充分利用现有光纤通信系统中的成熟的产品和技术，利用波分复用原理，只需改变光纤光栅滤波器中的光纤光栅的组合，就可以方便地实现对不同气体或多组份气体的传感测量。
图1是本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器实施例1的光路结构示意图。
图2是光纤光栅滤波器之一结构示意图。
图3是光纤光栅滤波器之二结构示意图。
图4是光纤光栅滤波器之三结构示意图。
图5是光纤光栅滤波器之四结构示意图。
图6是本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器实施例2的光路结构示意图。
图7是本发明光纤环形器和光纤光栅组成的分波器的结构示意图。
图8是光纤分束器输入端测得的两个窄谱光信号的光谱示意图。
具体实施例方式先请参阅图1，图1是本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器实施例1的光路结构示意图，由图可见，本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器由宽带光源1、光纤环行器2、气体吸收池3、光纤光栅滤波器4、分波器5、光电探测器6、7、信号采集处理系统8组成，其连接关系如下宽带光源1接光纤环行器2的第一端口，该光纤环行器2的第二端口和气体吸收池3相连，气体吸收池3的输出接光纤光栅滤波器4，光纤环行器2的第三端口接分波器5的输入端口，该分波器5的两输出端分别经两光电探测器6、7接信号采集处理系统8。
本发明的原理是利用光纤光栅优良的窄带滤波特性来实现差分吸收光谱法气体测量的。宽带光源1发出的宽带光信号经光纤环行器2进入气体吸收池3。从气体吸收池3出来的光信号进入光纤光栅滤波器4，经过光纤光栅滤波器4的波长选择性反射滤波后形成两个窄谱光信号。其中一个窄谱光信号的中心波长λ1对应待测气体的特征吸收谱线，待测气体在该波长处的吸收系数较大，另一个窄谱光信号的中心波长λ2位于待测气体的吸收系数谱线之外，待测气体在该波长处的吸收系数很小或等于零。这两个窄谱光信号再次通过气体吸收池3后的光信号经过环行器2的第3端口进入分波器5，分波器5将两个窄谱光信号分开并从不同的端口输出，中心波长λ1的窄谱光信号进入光电探测器6，中心波长λ2的窄谱光信号进入光电探测器7。光电探测器6和光电探测器7将光信号转换为电信号后送入信号采集处理系统8进行差分处理。其处理原理如公式(1)所示c=1α(λ1)-α(λ2)I(λ2)-I(λ1)I(λ2)---(1)]]>其中α(λ1)和α(λ2)分别为气体在波长λ1和λ2处的吸收系数，I(λ1)和I(λ2)分别为光电探测器6和光电探测器7接收的光信号强度，c为待测气体浓度。这样就实现了基于光纤光栅滤波器的差分吸收式光纤甲烷气体的测量。
光纤光栅滤波器4是本发明产生两个用于差分吸收的窄谱光信号的关键技术，本发明提出可采用四种结构实现这一目的。
本发明的光纤光栅滤波器之一，如图2所示。
该光纤光栅滤波器由写入单模光纤芯径10中的均匀光纤光栅11和均匀光纤光栅12级联组成，9为单模光纤包层。均匀光纤光栅11和均匀光纤光栅12的中心波长分别对应于两个用于差分吸收的窄谱光信号的中心波长λ1和λ2。
本发明的光纤光栅滤波器之二，如图3所示。
该光纤光栅滤波器由写入单模光纤芯径10中的双波长光纤光栅13构成。双波长光纤光栅13的两个反射波长分别对应于两个用于差分吸收的窄谱光信号的中心波长λ1和λ2。
本发明的光纤光栅滤波器之三，如图4所示。
该光纤光栅滤波器由写入单模光纤芯径10中的取样光纤光栅14构成。取样光纤光栅14的反射峰有两个分别对应于两个用于差分吸收的窄谱光信号的中心波长λ1和λ2。
本发明的光纤光栅滤波器之四，如图5所示。
该光纤光栅滤波器由写入单模光纤芯径10中的相移光纤光栅15和相移光纤光栅16级联组成。相移光纤光栅15反射谱中的透射峰和相移光纤光栅16反射谱中的透射峰分别对应于两个用于差分吸收的窄谱光信号的中心波长λ1和λ2。
本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器实施例2的光路结构示意图如图6所示。本发明差分吸收式光纤甲烷气体传感器，包括宽带光源1、光纤环行器2、气体吸收池3、光纤光栅17、光纤光栅18、光纤分束器19、光纤光栅20、光纤光栅21、光电探测器6、光电探测器7和信号采集处理系统8。在该实施例中，分波器5由光纤分束器19、光纤光栅20和光纤光栅21组成。分波器5的功能还可以采用其它方式实现，例如采用光纤环形器+光纤光栅滤波器方式，如图7所示；还可以采用多层介质膜滤波器和阵列波导光栅解复用器构成。
宽带光源1发出的宽带光信号经光纤环行器2进入气体吸收池3。从气体吸收池3出来的光信号中对应光纤光栅17和光纤光栅18反射波长的信号经过光纤光栅17和光纤光栅18的反射再次通过气体吸收池3，光纤光栅17的中心波长对应待测气体的特征吸收谱线λ1，待测气体在该波长处的吸收系数较大，光纤光栅18的中心波长λ2位于待测气体的系数谱线之外，待测气体在该波长处的吸收系数很小或等于零。再次通过气体吸收池3的光信号经过环行器2进入光纤分束器19，光纤分束器19将光信号等功率分成两路，一路通过光纤光栅20滤波后进入光电探测器6，另一路通过光纤光栅21滤波后进入光电探测器7。光纤光栅20的中心波长和光纤光栅18相同，光纤光栅21的中心波长和光纤光栅17相同，这样，待测气体吸收系数大的波长信号进入光电探测器6，待测气体吸收系数小的波长信号进入光电探测器7。光电探测器6和光电探测器7将光信号转换为电信号后送入信号采集处理系统8进行差分处理，这样就实现了基于光纤光栅滤波器的差分吸收式光纤甲烷气体测量。
具体元器件为宽带光源为中心波长在1.3微米波段的发光二极管，光纤光栅17、21和24的中心波长为1.318微米，光纤光栅18和20为1.331微米，甲烷对1.318微米光几乎不吸收，而在1.331微米处的吸收很强。在光纤分束器19输入端测试的光谱如图8所示，可以看到产生的两个窄谱光信号光谱。
权利要求
1.一种差分吸收式光纤甲烷气体传感器，包括宽带光源(1)，其特征在于还有光纤环行器(2)、气体吸收池(3)、光纤光栅滤波器(4)、分波器(5)、光电探测器(6、7)、信号采集处理系统(8)，其连接关系如下宽带光源(1)接光纤环行器(2)的第一端口，该光纤环行器(2)的第二端口和气体吸收池(3)相连，气体吸收池(3)输出接光纤光栅滤波器(4)，光纤环行器(2)的第三端口接分波器(5)的输入端口，该分波器(5)的两输出端口分别经两光电探测器(6、7)接信号采集处理系统(8)。
2.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的光纤光栅滤波器(4)是由两个均匀光纤光栅(11、12)级联组成。
3.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的光纤光栅滤波器(4)是由双波长光纤光栅(13)构成的。
4.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的光纤光栅滤波器(4)是由取样光纤光栅(14)构成的。
5.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的光纤光栅滤波器(4)是由相移光纤光栅(15)和相移光纤光栅(16)构成的。
6.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的分波器(5)是由光纤分束器(19)的输出分别并接两个光纤光栅(20)和光纤光栅(21)组成的。
7.根据权利要求1所述的差分吸收式光纤甲烷气体传感器，其特征在于所述的分波器(5)是由光纤环行器(22)输出接一个光纤光栅(20)组成的。
全文摘要
一种差分吸收式光纤甲烷气体传感器，包括宽带光源，其特征在于还有光纤环行器、气体吸收池、光纤光栅滤波器、分波器、光电探测器、信号采集处理系统，其连接关系如下宽带光源接光纤环行器的第一端口，该光纤环行器的第二端口和气体吸收池相连，气体吸收池输出接光纤光栅滤波器，光纤环行器的第三端口接分波器的输入端口，该分波器的两输出端口分别经两光电探测器接信号采集处理系统。本发明具有结构简单、成本较低和消除干扰的能力。
文档编号G01N21/25GK1544918SQ200310108619
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月14日 优先权日2003年11月14日
发明者赵浩, 蔡海文, 林枫, 瞿荣辉, 方祖捷, 崔洪亮, 赵 浩 申请人:上海波汇通信科技有限公司, 中国科学院上海光学精密机械研究所