專利名稱：一種光纖光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，是借助光纖和光纖光柵進行探測甲烷氣變化的傳 感器，該設(shè)備屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
甲垸(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，據(jù)報道CH4吸收紅外線能力是C02 的15-30倍，占據(jù)整個溫室貢獻量的15%?？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(chǎn)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?！睹旱V安全規(guī)程》也明文規(guī)定要對煤礦中的甲烷含量進行 多點、實時的高精度檢測。
目前廣絲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發(fā)生氧化反應，將化學能轉(zhuǎn)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」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，他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(guān)系。干涉型傳感器需經(jīng)常調(diào)校，易受其他氣體的干
擾，其可靠性及穩(wěn)定性較差；光譜吸收式測量方法由于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。
近幾年發(fā)展起來的光纖光柵傳感器相對于常規(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)場實施遙測、傳感頭可以放入惡劣環(huán)境中，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠并且易于 組成光纖網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)。但目前采用的是寬光源加精密波長解調(diào)裝置來實現(xiàn)，其設(shè)備復 雜，維護成本高，無法滿足很多生產(chǎn)生活的實際需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種測量精度高，易于集成和封裝的基于光纖 布拉格光柵的甲垸傳感設(shè)備。
為此，本發(fā)明提出了一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖
上的位于測量點的用于甲烷變化的光纖光柵，其特征在于 一該光纖光柵表面鍍有一層金屬鉑，
一光源輸出的探測光信號從光纖的稱為入射端的一端注入，探測光信號的波長不 在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與所述的選擇性作用波長帶有預設(shè)波長差值，
一當被監(jiān)測甲烷變化達到一定量值時，位于測量點處的光纖光柵的選擇性作用波長 帶至少漂移了上述的預設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述探測光信 號波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產(chǎn)生了一定的反射或耗 散，即探測光信號的一部分反射或耗散，從而在光纖的入射端的另一端出射端，則探測到 透射光的變化，從而探測到甲烷的變化。
3本發(fā)明是探測受監(jiān)測甲烷變化的一種光纖光柵傳感器，是在光纖光柵表面鍍有一層金 屬鉑，其厚度為l-5微米，鉑膜層作為催化劑，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，導致光纖光柵也隨之改變， 從而使光纖光柵發(fā)生軸向應變，導致光纖光柵選擇性作用波長帶位置漂移，如果在一個光 纖光柵附近的受監(jiān)測的甲垸發(fā)生了變化，且發(fā)生的變化達到了我們關(guān)心的程度，這時光纖 光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了預設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋 了探測光信號波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產(chǎn)生了一定 的反射或耗散，即探測光信號的一部分反射或耗散掉，探測器檢測到透射光的變化，這說 明有應力存在，從而可探測到相應甲烷的變化。
在實際工程中，我們常常只需要獲取一部分甲垸變化的數(shù)據(jù)，就可以達到我們的目 標，如在一個需要監(jiān)測甲垸濃度的現(xiàn)場中的甲垸報警系統(tǒng)中，對不大于0.05%時的甲垸 濃度我們不是迫切需要了解，我們只需設(shè)定一個監(jiān)測報警濃度，如0.1%甲烷濃度，然后 在作為傳感器的光纖上的鍍有金屬鉑的光纖光柵，測量出該光纖光柵在0.1%甲垸濃度時 的選擇性作用波長帶并選取一個波長作為探測光信號的波長，然后根據(jù)該波長選擇光 源，所述鍍有金屬鉑的光纖光柵在不大于0.05%時的甲烷濃度時，其選擇性作用波長帶 與選定的探測光信號的波長有波長差，將該傳感器安裝在監(jiān)測的地方，在通常情況下， 環(huán)境甲烷濃度在不大于0.05%時的甲垸濃度時，注入傳感器光纖中的探測光信號在損失 較少的通過了光纖和光纖光柵，在光纖的出射端的探測器可以測得透過光信號的強度， 并以此為基準，只有當測量點處的甲烷濃度接近或達到0.1%甲烷濃度時，該測量點處的 鍍有金屬鉑的光纖光柵選擇性作用波長帶就會漂移并與探測光信號的波長帶交叉重疊， 并對探測光信號產(chǎn)生相當?shù)姆瓷浠蚝纳ⅲ@時，探測器上會監(jiān)測到透過光信號的強度的 明顯的變化，從而觸發(fā)了甲垸濃度報警條件，達到了監(jiān)測的目的。
在實際工程條件下，僅監(jiān)測甲烷濃度的一個量值常常是不夠的，所以可以設(shè)置波長不 同的多個探測光信號，就可以監(jiān)測甲烷濃度多個量值，同時就可以看出測量點甲烷濃度變 化的趨勢，以便更好的監(jiān)測。


圖1是表示一個布拉格光柵的反射光譜、 一個探測光信號的光譜及兩者的關(guān)系圖； 圖2是表示一個長周期光纖光柵的透射光譜、 一個探測光信號的光譜及兩者的關(guān)系
圖3是表示有關(guān)本發(fā)明的第一實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖4是表示有關(guān)本發(fā)明的第二實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖； 圖5是表示有關(guān)本發(fā)明的第三實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖中3， 3a, 3b， 3n—光源，
9a， 9b —光分路器，
5 —鍍有金屬鉑的光纖光柵 6， 6a， 6b， 6n—光探測器，
7— 光纖，
8— 光開關(guān)，
10a， 10b， 10n—固定式濾波器。
具體實施方式
圖1中的曲線1示意性地表示了一個布拉格光柵的反射光譜，A i和、分別是該布拉 格光柵反射波長的下限和上限波長，在這兩個波長內(nèi)所有的波長都是布拉格光柵可以反射 的波長，這里稱為反射波長帶。曲線2示意性地表示了一個探測光信號的光譜，i^3和"
分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，A 2和A 3之間的距離就是所述的預設(shè)波長差。
圖2中的曲線11示意性地表示了一個長周期光纖光柵的透射光譜，、和入2分別是 該長周期光纖光柵耦合衰減波長的下限和上限波長，長周期光纖光柵對在這兩個波長內(nèi)所 有的波長都是有衰減的，這里稱為耗散波長帶。曲線2示意性地表示了一個探測光信號的
光譜，入3和入4分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，入2和入3之間的距離就是所述的 預設(shè)波長差。
第一實施方式
圖3是表示第一實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第一實施方式的光纖光柵 傳感器由光源3、光探測器6、位于測量點處用于監(jiān)測甲烷濃度變化的鍍有金屬鉬的光纖 光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3輸出的探測光信號，探測光信號的波長不在鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選 擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有預設(shè)的波長差值，探測光信號通過光纖7和光纖光柵5， 并由光探測器6檢測探測光信號的強度，在被監(jiān)測甲烷濃度無變化或變化未達到我們關(guān) 心的程度時，探測光信號的波長不在位于測量點的鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選擇性作 用波長帶內(nèi)，即光纖光柵5并不對探測光信號反射或耗損，這時光探測器6探測到是基 本無衰減的光信號，并將該強度作為基準，當被監(jiān)測點的甲垸濃度變化到我們關(guān)心的程 度時，位于所述測量點的鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選擇性作用波長帶至少漂移了所述 的預設(shè)波長差值，這時所述的選擇性作用波長帶至少覆蓋了探測光信號波長帶的一部分， 該光纖光柵5就對探測光信號產(chǎn)生了相當?shù)姆瓷浠蚝纳ⅲ@時光探測器6檢測到探測光 信號的強度有明顯的變化，從而檢測到甲烷濃度的變化。
第二實施方式
圖4是表示第二實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第二實施方式的光纖光柵 傳感器由光源3a、光源3b、光源3n、光探測器6、光開關(guān)8、位于測量點用于監(jiān)測甲垸 濃度變化的鍍有金屬鉑的光纖光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3a、光源3b、光源3n輸出的不同波長的探測光信號，探測光信號的波長均 不在鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有不同的預設(shè)波長差值， 光開關(guān)8可以選擇不同光源的探測光信號通過光纖7和光纖光柵5，到達光探測器6，這 時光探測器6探測到是基本無衰減的光信號，并將該強度作為基準，被監(jiān)測甲烷濃度的 變化會引起鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選擇性作用波長帶的漂移，當選擇性作用波長帶 漂移了不同的預設(shè)波長差值時，我們可以檢測到輸入的不同的探測光信號的強度變化， 這樣就可以檢測到甲烷濃度變化的多個量值。
第三實施方式
圖5是表示第三實施方式的光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。第三實施方式的光纖光柵 傳感器由光源3a、光源3b、光源3n、濾波器10a、濾波器10b、濾波器10n、光探測器 6a、光探測器6b、光探測器6n、光分路器9a、光分路器9b、位于測量點用于監(jiān)測甲垸 濃度變化的鍍有金屬鉑的光纖光柵5以及光纖7構(gòu)成。各部件之間以光纖連接。
從光源3a、光源3b、光源3n輸出的不同波長的探測光信號，探測光信號的波長均 不在光纖光柵5的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與之有不同的預設(shè)波長差值，探測光信號通
5過光分路器9a，再通過光纖7、光纖光柵5和光分路器9b，分別通過不同的濾波器進入 到不同的探測器，每個濾波器與光源是一一對應的，且僅允許對應波長的探測光信號通 過，將其他的探測光信號過濾掉，并將甲垸濃度未變化時各個探測光信號的強度作為基 準，被監(jiān)測甲烷濃度的變化會引起鍍有金屬鉑的光纖光柵5的選擇性作用波長帶的漂移， 當選擇性作用波長帶漂移了所述的不同預設(shè)波長差值時，就會引起不同的探測光信號強 度的變化，所有的探測光信號透過光纖7和光分路器9b，分別通過不同的濾波器進入到 不同的探測器，探測器將這時的各個探測光信號的強度與對應的基準強度比較，這樣我 們就可以檢測到甲垸濃度變化的多個量值。
可見，根據(jù)本發(fā)明的探測的方法比現(xiàn)有技術(shù)的方法簡單。
當然，本發(fā)明并不限于前面所介紹的實施方式，我們可以將整個裝置用另一種等價裝 置代替，而不超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖上的位于測量點的用于監(jiān)測甲烷濃度變化的光纖光柵，其特征在于一該光纖光柵表面鍍有一層金屬鉑，一光源輸出的探測光信號從光纖的稱為入射端的一端注入，探測光信號的波長不在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與所述的選擇性作用波長帶有預設(shè)波長差值，一當被監(jiān)測甲烷濃度變化達到一定量值時，位于測量點處的鍍有金屬鉑的光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶至少覆蓋了所述探測光信號波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產(chǎn)生了一定的反射或耗散，即探測光信號的一部分反射或耗散掉，探測器檢測到光纖出射端探測光信號強度的變化，從而探測到所述甲烷濃度的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傳感器，其特征在于多個光源從光纖的稱為入射 端的一端注入多個探測光信號，其波長均不在所述反射波長帶內(nèi)，并與反射波長帶有不同的 預設(shè)波長差值，從而可以探測出測量點處甲垸濃度變化的多個量值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，包括光源、光纖、探測器和安置于光纖上的位于測量點的用于監(jiān)測甲烷濃度變化的鍍有金屬鉑的光纖光柵，其特征在于一光源輸出的探測光信號從光纖入射端注入，探測光的波長不在光纖光柵的選擇性作用波長帶內(nèi)，并與選擇性作用波長帶有預設(shè)波長差值，一當被監(jiān)測甲烷濃度變化達到一定量值時，位于測量點處的光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預設(shè)波長差值，從而使選擇性作用波長帶與探測光信號波長帶交叉重疊，這時，該測量點處的光纖光柵就對探測光信號產(chǎn)生了一定的反射或耗散，探測器檢測到出射端探測光信號強度的變化，從而探測到所述甲烷濃度的變化。
文檔編號G01B11/16GK101424629SQ200810232238
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月12日
發(fā)明者兵 杜 申請人:西安金和光學科技有限公司