[發(fā)明專利]高性能光纖瓦斯傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610069608.5
• 申請(qǐng)日: 2006-07-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101126711A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-02-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 倪家升;劉統(tǒng)玉;常軍;王黔;韓秀雨;石智棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東省科學(xué)院激光研究所
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31
• 代理公司: 濟(jì)南舜源專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 曲志波

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)技術(shù)，具體而言是應(yīng)用于礦井的高性能光纖瓦斯傳感器。

背景技術(shù)：

由于煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，煤炭的安全生產(chǎn)直接影響著國(guó)計(jì)民生的大事，造成煤炭安全事故的最主要因素之一是瓦斯事故，所以近幾年來(lái)一直深受國(guó)家和社會(huì)關(guān)注。

目前到2006年為止廣泛用于瓦斯監(jiān)測(cè)的傳感器基本上全部是黑白催化元件和熱導(dǎo)元件。黑白元件的量程在4％以下，每個(gè)兩周必須調(diào)試一次；熱導(dǎo)元件誤差比較大；催化元件和熱導(dǎo)元件組成的混合型傳感器盡管可以實(shí)現(xiàn)大量程，但是對(duì)瓦斯的突出響應(yīng)不夠迅速。對(duì)于監(jiān)測(cè)易燃易爆的瓦斯氣體來(lái)說(shuō)，具有光纖瓦斯傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)。

首先，傳感器由玻璃纖維制成，通過(guò)光信號(hào)工作，不涉及電信號(hào)，具有本征安全性能；

其次，測(cè)量范圍大，理論上可以達(dá)到任意大的濃度范圍；靈敏度高；響應(yīng)速度快等。

光纖瓦斯氣體傳感器的研究與應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都有出現(xiàn)，許多方法都得到了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用。

一，1987年J.P.Dakin和C.A.Wade等人報(bào)道了一種利用梳狀濾波器和寬帶光源(LED)測(cè)量甲烷氣體濃度的方法；采用寬帶光源的差分吸收光譜式氣體傳感器^[1，2]，這種方案精度可達(dá)400ppm，完全可以滿足煤礦瓦斯檢測(cè)的精度，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好，但由于目前所用的發(fā)光管功率低，因此只用于單點(diǎn)檢測(cè)。

二，1990年H.Tai和K.Yamamoto等利用1.66um單模分布反饋式(DFB?LD)半導(dǎo)體激光器，采用了波長(zhǎng)(頻率)調(diào)制的諧波檢測(cè)方法，室溫下檢測(cè)甲烷濃度達(dá)到了20ppm最小探測(cè)靈敏度；基于分布反饋激光器諧波檢測(cè)的光纖多點(diǎn)甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，這種方案精度高，但分布反饋激光器價(jià)格昂貴，諧波檢測(cè)技術(shù)復(fù)雜，單色性強(qiáng)容易產(chǎn)生干涉，因此這種技術(shù)很難在我國(guó)推廣應(yīng)用。

三，便攜式遙感瓦斯探測(cè)器^[3，4]，它采用正弦波調(diào)制技術(shù)對(duì)瓦斯進(jìn)行遙感測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)是攜帶方便，但成本高、技術(shù)復(fù)雜且只能單點(diǎn)測(cè)量，無(wú)法組成多點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

四，參考文獻(xiàn)^[5]，這種方案我們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)電流和光源溫度的改變等因素會(huì)導(dǎo)致光源光譜發(fā)生改變，致使零點(diǎn)飄移，從而影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單穩(wěn)定的高性能光纖瓦斯傳感器設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)帶有防溫度漂移性能，提高了系統(tǒng)受光路損耗的干擾能力。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：光纖瓦斯傳感器原理如圖1所示，從超輻射發(fā)光二極管(SLD)發(fā)出的光滿足Lambert定律：

I＝I₀exp(-αLC)(1)

式中：I₀、I為吸收前和吸收后光強(qiáng)度????α為被測(cè)氣體吸收系數(shù)

L為被測(cè)氣體吸收腔長(zhǎng)度????????????????C為被測(cè)氣體濃度

K為損耗系數(shù)

I(λ₁)＝K(λ₁)*I_o(λ₁)*exp(-α_(λ1)*C*L)????(2)

I(λ₂)＝K(λ₂)*I_o(λ₂)*exp(-α_(λ2)*C*L)????(3)

利用差分方式[K(λ₁)*I_o(λ₁)]/[K(λ₂)*I_o(λ₂)]＝常數(shù)????(4)

由于瓦斯在1.331μm處有較強(qiáng)的吸收，如圖2所示，所以本發(fā)明選擇1.331μm為瓦斯吸收段，采用帶寬為1.1nm的光纖布拉格光柵(FBG)濾掉光源其他部分光，一個(gè)帶寬為0.5nm的光纖布拉格光柵(FBG)將光分成受瓦斯吸收影響的信號(hào)光和不受瓦斯吸收影響的參考光，通過(guò)兩路信號(hào)對(duì)比相除消除光路損耗對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。