专利名称：基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于光纤布拉格光栅对(FBGP)和催化氧化原理的新型甲烷传感装置。
背景技术：
甲烷在日常生活和工业生产中应用广泛，如沼气、天然气和家庭用燃气都含有甲烷，同时它也是一种易燃易爆气体，在空气中浓度超过5.9％就极易引起爆炸。《煤矿安全规程》明文规定要对煤矿中的甲烷含量进行多点、实时的高精度监测。
现有应用比较广泛的甲烷测量方法主要包括催化氧化法和光谱吸收法。其中催化氧化法利用催化剂催化甲烷和氧气的氧化反应，将化学能转化为热能，由热敏电阻测出温度的变化，从而得到甲烷浓度值。该方法测量精度较高，但处理电路容易受外界电磁干扰，影响测量准确度，而且处理电路需要电源供电，有发出电火花的安全隐患。另外，该方法还不利于实现分布式传感。另一种光谱吸收法，利用Lambert-Beer定律，通过测甲烷对特定波长的光能量的损耗来确定气体浓度，该方法测量精度较高，但由于需要通过几何光学的方法来增大光程以提高测量灵敏度，所以集成性相对较差，而且实现分布式测量难度很大。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，在催化氧化甲烷传感法的基础上，结合一种光纤布拉格光栅对构成的法泊腔干涉仪，提出了一种既能提高测量精度，又能降低电火花危险，还能实现分布式传感的一种新型甲烷传感装置。
本发明装置包括甲烷传感头和相干解调机构。
两个相同的光纤布拉格光栅(FBG)通过光信号连接构成传感器。甲烷催化氧化的黑元件和白元件的两端分别与直流电源的正负极连接，并且黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应。以上部分构成一个甲烷传感头。
光源的输出端与环行器的①端口光信号连接，环行器的③端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接。2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。以上部分构成相干解调机构。
相干解调机构中环行器的②端口与甲烷传感头中的光纤布拉格光栅光信号连接。多个甲烷传感头的传感器可以通过串联或并联后再与相干解调机构中环行器的②端口光信号连接。
将本发明装置置于甲烷浓度监控位置，用直流电源(1.5V干电池)分别对黑白元件供电，当外界甲烷浓度上升，黑元件附近温度升高，而白元件附近温度不变，两个光纤布拉格光栅由于所处环境温度不同引起它们的反射峰波长之间发生偏差，导致光谱重叠面积变小，从而由这两个光纤布拉格光栅构成的法泊腔干涉仪(FPI)的干涉强度减弱。通过监视干涉强度可实现对甲烷浓度的传感。
本发明适用于多点的甲烷浓度高精度测量。由于光纤布拉格光栅反射峰带宽很窄，利用这种反射峰波长失配引起干涉强度减弱的测量方法可达到很高的精度和分辨率。通过设置每个传感器中不同的光栅中心距离，可以实现多个传感器的复用，实现准分布式传感。另外，由于光信号由光纤传输到远程解调机构，因此解决了原来电学处理系统的易受电磁干扰、存在电火火安全隐患的问题。
图1为本发明的结构示意图；图2为干涉强度与光纤布拉格光栅反射谱波长失配之间的关系图。
具体实施例方式
如图1所示，光纤布拉格光栅3和4通过光纤连接构成传感器。催化氧化黑元件5和白元件7两端分别与直流电源6的正负极连接。光纤布拉格光栅3与白元件7位置对应，光纤布拉格光栅4与黑元件5位置对应，上述设备构成本发明的一个甲烷传感头。
普通光源(带宽约1nm，CW)1的输出端与环行器2的①端口光信号连接，环行器2的③端口和光电二极管8的输入端分别与2×2光纤耦合器9的一边光信号连接，光电二极管8的输出端与数据采集卡电连接。2×2光纤耦合器9的另一边分别与两个光纤准直器12光信号连接，对应两个光纤准直器12位置设有两个反射镜10和11，其中一个反射镜10通过步进电机控制其位置移动。以上部分构成相干解调机构。
光纤布拉格光栅3的输入端通过环行器2的②端口与①端口与光源1光信号连接。
将上述甲烷传感头置于甲烷浓度监控位置，用直流电源(1.5V干电池)分别对黑白元件供电，当外界甲烷浓度上升，黑元件附近温度升高，而白元件附近温度不变，两个光纤布拉格光栅由于所处环境温度不同引起它们的反射峰波长之间发生偏差，导致光谱重叠面积变小，从而由这两个光纤布拉格光栅构成的法泊腔干涉仪(FPI)的干涉强度减弱。通过监视干涉强度可实现对甲烷浓度的传感。
图2显示了理论计算和实验获得的干涉强度与光纤布拉格光栅反射谱波长失配之间的关系。(采用的光栅参数为栅区长2mm，DC折射率调制1.15×10-4，AC折射率调制0.90×10-4，光栅中心距离28mm。)上述的两个完全相同的光纤布拉格光栅构成的一个法泊干涉仪(FPI)，该干涉仪反射的光信号引入一个与光纤布拉格光栅中心距离成正比的光程差(OPD)OPD＝2nefflc-c， (1)其中，neff是光纤芯层有效折射率，lc-c是两个光纤布拉格光栅的中心距离。
携带传感信息的反射信号光经环行器进入一个2×2光纤耦合器，2×2光纤耦合器将光信号分成等光强的两束；两束等光强的信号光分别通过光纤准直器入射到反射镜上并反射耦合回光纤；控制其中一个反射镜的位置移动，使两路信号光之间引入另一个入光程差，并产生扫描，从而补偿光纤布拉格光栅对甲烷传感器引入的光程差。补偿后的两路光信号在2×2耦合器中汇合干涉，干涉信号经2×2耦合器的一臂，由光电二极管转化为电信号。
从(1)式可以看到，不同光栅中心距离的传感头引入的相位差不同，通过串联或并联布置一系列不同光栅中心距离的传感头并移动可扫描反射镜，当反射镜扫描到某一位置，某个传感头引入相位差被补偿为零，则该传感头对应的光干涉信号出现。通过上述方法可实现多个甲烷传感头的复用和解调。
权利要求
1.基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置，其特征在于该装置包括甲烷传感头和相干解调机构；所述的甲烷传感头包括由光信号连接的两个相同的光纤布拉格光栅构成的传感器，甲烷催化氧化的黑元件和白元件的两端分别与直流电源的正负极连接，并且黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应；所述的相干解调机构包括光源，光源的输出端与环行器的①端口光信号连接，环行器的③端口和光电二极管的输入端分别与2×2光纤耦合器的一边光信号连接，光电二极管的输出端与数据采集卡电连接，2×2光纤耦合器的另一边分别与两个光纤准直器光信号连接，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动；相干解调机构中环行器的②端口与甲烷传感头中的光纤布拉格光栅光信号连接。
2.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的甲烷传感装置，其特征在于多个甲烷传感头的传感器通过串联或并联后再与相干解调机构中环行器的②端口光信号连接。
全文摘要
本发明涉及一种基于光纤布拉格光栅对和催化氧化原理的新型甲烷传感装置。本发明包括甲烷传感头和相干解调机构。甲烷传感头包括由光信号连接的两个相同的光纤布拉格光栅构成的传感器，甲烷催化氧化的黑元件和白元件分别与两个光纤布拉格光栅位置对应。相干解调机构包括环行器、光电二极管、2×2光纤耦合器、光纤准直器，对应两个光纤准直器位置设有两个反射镜，其中一个反射镜通过步进电机控制其位置移动。环行器的②端口与光纤布拉格光栅光信号连接。本发明实现多个传感器的复用、准分布式传感，同时解决了原来电学处理系统的易受电磁干扰、存在电火花安全隐患的问题。
文档编号G01N21/45GK1904594SQ200610052879
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者管祖光, 陈达如, 何赛灵 申请人:浙江大学