专利名称：一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种获取甲烷浓度的纤芯失配型光纤传感系统。
背景技术：
甲垸是一种易燃易爆气体，是矿井瓦斯主要成分，约占83~89%。在我国煤矿安全事 故中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50%以上，被称为煤矿事故的"头 号杀手"。甲烷也是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要工业原料和日常生 活燃气，在大气中爆炸下限为5.3%,上限为15.0%。同时，甲烷还是造成"温室效应"的 主要成分之一，城市瓦斯管道的年久腐蚀也是城市安全的一大隐患。因此，开发一种安全 可靠、灵敏度高的甲烷检测系统具有重要社会意义和巨大经济价值。目前，用于甲烷气体检测的方法有多种，如接触燃烧式、半导体式、电化学式、光学 式等。与前几种传感器相比，光纤传感器具有电绝缘性好、抗电磁干扰能力强、防爆、可 远距离长期在线测量、传感单元结构简单、稳定可靠、易于组成光纤传感网络等特点，特 别适宜恶劣和危险环境下甲烷浓度测量。对此，文献"Study of a new evanescent wave optical fibre sensor for methane detection based on cryptophane molecules (基于笼形超分子的新型倏逝波光纤甲烷传感器研究)"(M. Benounis, et al.， Sensors and Actuators B, 2005, 107: 32-39)提出一种基于塑料包层石英纤芯 (PCS)的光纤甲烷传感方案，较好地解决了现有光谱吸收型等光学式甲垸传感系统存在的 装置复杂、光学元件多、成本高、稳定性较差等不足，表现出膜层选择性好、检出限低(2%)等优点。M.Benounis提出的传感系统主要由一激光二极管光源(670nm)、 一只护套直径为400pm的PCS光纤传感器、厚度5nm的含笼形超分子甲烷敏感膜、 一个测试气室、两个质量 流量控制器、一T型管、甲垸标准气体、氮气、光电探测器(320 1100nm硅光电二极管) 和计算机组成。但是，该传感系统仍存在以下不足(1)传感系统采用PCS光纤，出现远距 离传输损耗大、与普通标准通讯光纤不匹配、成本高、工程应用困难等问题；(2)采用含 笼形超分子的甲烷敏感膜厚度达5nm，致使甲烷分子在敏感膜内扩散迁移困难，传感器响
应速度慢、恢复时间长；(3)虽然提出的传感系统以入射角e二()G时输出光功率为基准进行 归一化，但它只有测量系，而无参考系，难以补偿光源、电源、温度和湿度等环境因素引 起的光信号波动。发明内容本发明目的正是为了避免上述已有技术的不足，同时借鉴上述现有技术的优点，提出 一种基于纤芯失配的光纤甲垸传感系统，该传感系统采用价廉的普通标准通讯光纤作为传 感材料，替代上述价格昂贵的PCS光纤，可达到传输损耗小、成本低、使用方便等效果。为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案如下-一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，它包括有红外光源、涂有甲垸敏感膜的光纤 传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光电探测器和计算机构成的测量系。所 述涂有甲烷敏感膜的光纤传感器前端通过耦合器连接光源，后端依次连接光电探测器和计算机；光纤传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进 气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器。另外，它还包括一个参考系， 参考系由另一未涂覆敏感膜的光纤传感器和光电探测器组成。参考系的光纤传感器前端通 过耦合器与测量系光纤传感器前端耦合在一起，共同与红外光源连接，参考系的光纤传感 器后端与光电探测器连接，光电探测器再连接与测量系共用的计算机，设置参考系的目的 是补偿光源、电源、温度和湿度等环境因素引起的光信号波动。所述光纤传感器为纤芯失 配型光纤传感器，它由一段单模光纤的两端分别与多模光纤熔接而成，甲垸敏感膜涂覆于 单模光纤包层表面，单模光纤和多模光纤均为普通标准通讯光纤。 该传感系统的工作过程如下(1) 将红外光源发出的光通过耦合器分别传输至测量系和参考系。(2) 其中传输至测量系的光到达纤芯失配光纤传感器输入端的多模光纤后，其光分两 部分传输， 一部分光进入传感器敏感区域单模光纤纤芯，另一部分光到达单模光纤包层表 面与甲烷敏感膜之间的交界面。(3) 此时，到达交界面的光也分两部分传输， 一部分透射到甲垸敏感膜层中去，另一 部分光产生反射返回到单模光纤包层，然后再产生折射到达传感器输出端的多模光纤，从 而沿着此连接的多模光纤传输并产生透射光。反射光与透射光的比例与甲烷敏感膜折射率 变化密切相关，其变化规律服从菲涅尔公式。(4) 当待测甲垸气体经质量流量控制器、开关阀门、测试气室进气口进入并与涂覆于 单模光纤包层表面的甲烷敏感膜发生作用时，敏感膜折射率发生改变。根据菲涅尔公式， 折射率的改变将直接影响到界面反射光，进而改变传感器输出光信号，采用光电探测器可 检测到传感器输出光信号相对变化。(5) 由于测量系中为涂有甲烷敏感膜的纤芯失配光纤传感器，可用于测试甲垸气体， 而参考系中为未涂覆敏感膜的纤芯失配传感器，根据同一时间处测量系传感器输出光功率 相对于参考系输出光功率变化(归一化光功率)即可获取待测甲烷气体浓度。所述单模和多模光纤为普通标准通讯光纤，由此制作传感器选用的单模光纤纤芯直径 为8 l(Him，多模光纤纤芯直径为62.5pin或5(Him,包层直径均为125pm。所述甲烷敏感膜为含笼形超分子的甲烷敏感膜(与对比文献相同)，但膜厚减薄至0.5 0.6pm，该敏感膜仅对甲烷气体有响应，对氧气、二氧化碳和一氧化碳等常见气体无响应， 表现出良好的选择性。所述传感器输出归一化光功率s是同一时间测量系上传感器输出光信号Pt与参考系上 传感器输出光信号PT之比(s=pt/pr)，后面实施例中给出的是不同甲垸气体浓度处传感器 输出归一化光功率变化情况。所述红外光源采用中心波长为1310nrn附近的红外LED。所述光电探测器为波长范围700 1700nm的日本安藤公司AQ2140光功率计。本发明的优点如下1. 不再采用价格昂贵且与普通标准光纤不匹配的大芯径PCS作为传感材料来制作传 感器，而采用价廉通用的单模/多模普通标准通讯光纤，其单模光纤纤芯直径为8 10nm， 多模光纤纤芯直径为62.5pm或50nm，包层直径均为125nm。该传感器为多模光纤(MM)-单模光纤(SM)-多模光纤(MM)结构，具有结构简单、成本低、使用方便等优点。2. 传感系统传输损耗小，适于远距离测量；仅涉及光信号，无电信号，本质安全，可 在恶劣或危险环境下可靠地工作；易于组成光纤传感网络，能实现多功能、智能化检测， 可显著降低工程化应用成本。3. 采用厚度仅为0.5 0.6pm的含笼形超分子甲烷敏感膜，使传感器灵敏度高、响应 速度快、检出限低。
图1是本发明基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统结构示意图。 图2是图1中纤芯失配型光纤传感器结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明釆用红外LED光源1通过光纤连接到耦合器2的一个输入端，耦合 器2的输出端通过光纤分别连接测量系3和参考系4。其中，测量系3中的纤芯失配光纤 传感器31输入端连接耦合器2的输出端，在传感器敏感区域长度为L的单模光纤包层表 面涂覆含笼形超分子甲垸敏感膜后，将传感器置于测试气室32内。测试气室32分别有一 通入通出待测甲烷气体的进气口 33和出气口 34，进气口 33通过开关阀门35与控制待测 甲烷气体37的质量流量控制器36连接。涂有甲烷敏感膜的纤芯失配传感器31输出端接光 电探测器38，该光电探测器38与计算机5相接。参考系4中有另一未涂覆敏感膜的纤芯 失配光纤传感器41与光电探测器42连接，光电探测器42再和与测量系共用的计算机5 连接。参见图2，测量系中已涂覆甲垸敏感膜的纤芯失配光纤传感器31采用普通标准通讯光 纤制成，其结构为多模光纤(MM)-单模光纤(SM)-多模光纤(MM)的传感器。制作是先用剥 除钳剥除多模/单模光纤上的涂覆层，再用光纤切割刀分别将光纤端面切割平整，然后按 MM-SM-MM结构选择适宜长度多模、单模光纤置于光纤熔接机上进行自动对准熔接，光 纤熔接机可采用日本住友TYPE-39自动熔接机。本传感器两端的输入和输出多模光纤311 和314纤芯直径为62.5^un或50nm，中间单模光纤312纤芯直径为8 10nm，包层直径均 为125pm。单模光纤包层表面涂覆含笼形超分子甲烷敏感膜313。虽然多模、单模光纤的 纤芯直径不一样，但不影响熔接，因为它们的包层直径是相同的。参考系中纤芯失配光纤 传感器41采用的是与测量系中纤芯失配光纤传感器31相同的结构，只是在单模光纤包层 表面未涂覆敏感膜。当测试甲烷气体时，在传感器敏感区域长度为L的单模光纤包层表面涂覆含笼形超分 子甲垸敏感膜，由待测甲烷气体经质量流量控制器、测试气室进口进入并与纤芯失配光纤 传感器上的敏感膜发生作用，改变敏感膜折射率。根据菲涅尔公式，折射率的改变将直接 影响到传感器输出光信号，采用光电探测器检测传感器输出光信号(归一化光功率)相对变 化即可获取待测甲烷气体浓度。 以下分别选用纤芯直径为62.5nm和50nrn多模光纤制成传感器后在本系统中的使用各 举一例例1:首先选择62.5pm纤芯直径的多模光纤来制作纤芯失配传感器及作为传输光纤。 在所选浓度范围内，已知甲烷标准气体浓度范围为0.5 5%，分别与传感器发生作用，传 感器输出归一化光功率随甲垸气体浓度增加而增大，且归一化光功率与甲垸浓度之间呈线 性相关，其线性回归方程为式中c为待测甲烷气体浓度，s为传感器输出归一化光功率，A为斜率，6为截距。 实验中首先采用已知甲垸浓度为0.5、 1、 2、 3、 4、 5%的标准气体进行检测，相应传 感器输出归一化光功率^分别为1.0005、 1.0039、 1.0071、 1.0097、 1.0149、 1.0193，得到 的线性回归方程为s = 0.004c+0.999，相关系数及2 = 0.9885，即线性回归方程中*、 6分 别为0.004、 0.999 (其中t值远小于对比文献的灵敏度0.025 0.045的原因在于两套传感 系统的归一化方式和传感器结构不同所致)。当待测甲垸气体与传感器接触后，传感器输出 归一化光功率^为1.0012，可计算出待测甲垸气体浓度c = 0.55%，其响应速度为40秒， 恢复时间为41秒。例2:选择纤芯直径50nm的多模光纤来制作纤芯失配传感器及作为传输光纤。在例1 基础上，已知甲垸标准气体分别与传感器发生作用，相应传感器输出归一化光功率J分别 为1.0001、 1.0025、 1.0053、 1.0079、 1.0139、 1.0171,得到的线性回归方程为s-0.0038c +0.9981，相关系数及2 = 0.9847,即线性回归方程中A:、 &分别为0.0038、 0.9981。当待测 甲烷气体与传感器接触后，传感器输出归一化光功率s为1.0118，则待测甲烷气体浓度c-3.6%，其响应速度为42秒，恢复时间为45秒。
权利要求
1.一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，它包括有红外光源、涂有甲烷敏感膜的光纤传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器、光电探测器和计算机构成的测量系；所述涂有甲烷敏感膜的光纤传感器前端通过耦合器连接红外光源，后端依次连接光电探测器和计算机；光纤传感器位于测试气室内，测试气室有通入待测甲烷气体的进气口和出气口，进气口通过开关阀门连接控制待测甲烷气体的质量流量控制器；其特征在于它还包括一个参考系，参考系由另一未涂覆敏感膜的光纤传感器和光电探测器组成；参考系的光纤传感器前端通过耦合器与测量系的光纤传感器前端耦合在一起，共同与红外光源连接，参考系的光纤传感器后端与光电探测器连接，光电探测器再连接与测量系共用的计算机；所述光纤传感器为纤芯失配型光纤传感器，它由一段单模光纤的两端分别与多模光纤熔接而成，甲烷敏感膜涂覆于单模光纤包层表面，单模光纤和多模光纤均为普通标准通讯光纤。
2. 根据权利要求1所述的基于纤芯失配的光纤甲垸传感系统，其特征在于所述 单模光纤纤芯直径为8 10pm，多模光纤纤芯直径为62.5pm或50pm，包层直径均为 125pm。
3. 根据权利要求1或2所述的基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，其特征在于 所述甲烷敏感膜为含笼形超分子的甲烷敏感膜，其膜厚为0.5 0.6pm。
4. 根据权利要求l或2所述的基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，其特征在于 所述红外光源采用中心波长在1310nm附近的红外LED。
5. 根据权利要求1或2所述的基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，其特征在于 所述光电探测器为700 1700nm范围的光功率计。
全文摘要
一种基于纤芯失配的光纤甲烷传感系统，由红外光源、耦合器、测量系、参考系和计算机组成。测量系由涂有甲烷敏感膜的光纤传感器、测试气室、开关阀门、质量流量控制器和光电探测器组成；参考系由另一未涂覆敏感膜的光纤传感器和光电探测器组成。参考系的光纤传感器前端通过耦合器与测量系传感器的前端耦合在一起，共同与红外光源连接，参考系和测量系后端共用计算机。其中，传感器为纤芯失配型光纤传感器，它由一段单模光纤的两端分别与多模光纤熔接而成，含笼形超分子的甲烷敏感膜涂覆于单模光纤包层表面，单模光纤和多模光纤均为普通标准通讯光纤。当待测甲烷气体与敏感膜接触后，折射率将发生改变，根据传感器输出归一化光功率相对变化即可获取待测甲烷气体浓度。该传感系统结构简单、成本低、灵敏度高、响应快。
文档编号G01N21/41GK101162197SQ20071009303
公开日2008年4月16日 申请日期2007年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者徐龙君, 杨建春, 鹏 章, 陈伟民 申请人:重庆大学