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的傳感器，探測 甲烷濃度的設(shè)備，屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
甲烷(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(yīng)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%。空氣中CH4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。
目前廣泛釆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(yīng)，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。該方法一般只能達到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 特性和甲垸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(yīng)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(fù) 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)明的目的是制定一種使用光纖光柵(如布拉格光柵)的傳感器，以避免上述缺陷。 為此，本發(fā)明提出了一種光纖光柵傳感器，包括寬帶光源、光纖、固定波長的濾波 器、探測器和安置于光纖上的位于測量點的用于監(jiān)測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，
一固定波長的濾波器，只允許一窄的光波長帶通過，而限制其他波長通過，且其 允許通過的波長帶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(yù)設(shè)波長差值，
—寬帶光源從光纖的所謂的入射端注入探測光，探測光通過固定波長的濾波器后， 只有上述的一窄的光波長帶通過，到達探測器，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(yù)設(shè)波長差值，從而使該選擇 性作用波長帶，至少覆蓋了固定波長的濾波器允許通過的波長帶的一部分，這時，該測量 點處的光纖光柵對寬帶光源入射的、可以通過固定波長濾波器的探測光信號產(chǎn)生了一定的反射或耗散，即通過固定波長濾波器的光信號減少，探測器探測到光信號有明顯的變化， 從而探測到所述甲垸的變化。
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 -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，待測氣體中的甲垸 與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)放出熱量，使鉑膜附近溫度升高，導(dǎo)致光纖光柵也隨之改變。 如果在一個鍍有金屬鉑的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(yù)設(shè)波長差值，從而使該 選擇性作用波長帶至少覆蓋了可以通過固定波長濾波器的波長帶的一部分，這時，該測量 點處的光纖光柵就對寬帶光源入射的、可以通過固定波長濾波器的探測光信號產(chǎn)生了一定 的反射或耗散，探測器檢測到透射光的變化，這說明有應(yīng)力存在，從而可探測到相應(yīng)甲垸
的變化。
在實際工程中，我們常常只需要獲取一部分甲烷變化的數(shù)據(jù)，就可以達到我們的目標， 如在一個需要監(jiān)測甲烷濃度的現(xiàn)場中的甲烷報警系統(tǒng)中，對不大于0.05%時的甲烷濃度我 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，在探測器前安置 一個允許該波長帶通過的固定波長的濾波器，所述鍍有金屬鉑的光纖光柵在不大于0.05% 時的甲垸濃度時，其反射的光信號的波長帶與安裝的固定波長的濾波器允許通過的波長帶 有波長差，這時探測器可以探測到光信號，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，這時探測器可以探測到光信號，只有當測 量點處的甲烷濃度接近或達到0.1%甲烷濃度時，該測量點處的光纖光柵選擇性作用波長 帶就會漂移并與固定波長的濾波器允許通過的波長帶交叉重疊，從而對固定波長的濾波器 允許通過的探測光信號產(chǎn)生相當?shù)姆瓷浠蚝纳ⅲ@時，探測器J:會監(jiān)測到透過光信號的強 度的明顯的變化，從而觸發(fā)了甲烷報警條件，達到了監(jiān)測的目的。
在實際工程條件下，僅監(jiān)測甲烷的一個量值常常是不夠的，所以可以設(shè)置多個固定波 長的濾波器，其允許不同的光波長帶通過，且其允許通過的波長帶都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不同的預(yù)設(shè)波長差值，從而可以探測出 測量點處甲烷變化的多個量值，同時就可以看出測量點甲烷變化的趨勢，以便更好的監(jiān)測。
可以在一根光纖上的多個測量點分別設(shè)置多個光纖光柵，且光纖光柵具有基本相同的 選擇性作用波長帶，從而測量多個點的甲烷的變化。


圖1是表示一個布拉格光柵的反射光譜、 一個固定波長的濾波器允許通過的光譜及兩
者的關(guān)系圖2是表示一個長周期光纖光柵的透射光譜、 一個固定波長的濾波器允許通過的光譜 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—寬帶光源，
4 一光分路器，
5， 5a， 5b， 5n —鍍有金屬鉑的光纖光柵， 6， 6a, 6b， 6n—光探測器，7—光纖，
10， 10a， 10b， 10n—固定波長的濾波器。
具體實施例方式
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，入，和入2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固定波長的濾波器允許通過的
光譜，A3和"分別是該波長帶的下沿和上沿波長，入2和人3之間的距離就是所述的預(yù)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，A i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固定波長 的濾波器允許通過的光譜，A 3和入4分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，入，和入3 之間的距離就是所述的預(yù)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 傳感器由寬帶光源3、光探測器6、固定波長的濾波器10、位于測量點處用于監(jiān)測甲垸 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。
固定波長的濾波器0允許通過的波長帶與光纖光柵5的反射波長帶有一個預(yù)設(shè)的差 值，從寬帶光源3輸出的探測光信號通過光纖7，而達到光纖光柵5，光纖光柵5對寬帶 光源3注入的探測光信號有一窄帶光反射，在被監(jiān)測甲烷無變化或變化未達到我們關(guān)心 的程度時，反射光信號的波長不在固定波長的濾波器10允許通過的波長帶內(nèi)，即這時寬 帶光源中必有一窄光信號通過固定波長的濾波器IO，到達探測器；當被監(jiān)測點的甲烷變 化到我們關(guān)心的程度時，位于所述測量點的光纖光柵5的反射波長帶至少漂移了所述的 預(yù)設(shè)波長差值，即該測量點處的光纖光柵反射波長帶就與固定波長的濾波器允i午通過的 波長帶有交叉重疊，此時，會至少有一部分能通過固定波長的濾波器的光信號被反射掉， 這時通過固定波長的濾波器的光信號減少，探測器上會監(jiān)測到明顯的光信號變化，從而 檢測到甲烷的變化。
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 傳感器由寬帶光源3、光探測器6a、光探測器6b、光探測器6n、光分路器4、固定波長 的濾波器10a、固定波長的濾波器10b、固定波長的濾波器10n、位于測量點用于監(jiān)測甲 垸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。
從寬帶光源3輸出的探測光信號，光纖光柵5對寬帶光源3注入的探測光信號有一 窄帶光反射，透射的光信號經(jīng)過光分路器4和光纖7到達固定波長的濾波器lOa、固定 波長的濾波器10b和固定波長的濾波器10n，固定波長的濾波器10a、固定波長的濾波器 10b、固定波長的濾波器10n有不同的允許通過的波長帶，并與光纖光柵5的反射波長帶 有不同的預(yù)設(shè)差值，被監(jiān)測甲烷的變化會引起光纖光柵5的反射波長帶的漂移，當反射 波長帶漂移了不同的預(yù)設(shè)波長差值時，光探測器6a、光探測器6b、光探測器6n會探測 到明顯的光信號，我們就可以檢測到甲烷變化的多個量值。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 傳感器由寬帶光源3、固定波長的濾波器IO、光探測器6、位于測量點用于監(jiān)測甲烷變 化的鍍有金屬鉑的光纖光柵5a、光纖光柵5b、光纖光柵5n、以及光纖7構(gòu)成。各部件 之間以光纖連接。
從寬帶光源3輸出的探測光信號，通過光纖7，而達到具有基本相同反射波長帶的光 纖光柵5a、光纖光柵5b、光纖光柵5n，固定波長的濾波器10允許通過的波長帶與光纖 光柵5a、光纖光柵5b、光纖光柵5n的反射波長帶有一個預(yù)設(shè)的差值，當位于某個測量 點的被監(jiān)測甲垸的變化引起光纖光柵的反射波長帶的漂移，且反射波長帶漂移了所述的 預(yù)設(shè)波長差值時，就會有一部分通過固定波長的濾波器10的光信號被反射掉，這樣通過 固定波長的濾波器10進入到光探測器6的光信號減少，從而我們就可以檢測到甲烷的變 化。
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，包括寬帶光源、光纖、固定波長的濾波器、探測器和安置于光纖上的位于測量點的用于監(jiān)測甲烷變化的光纖光柵，其特征在于—該光纖光柵表面鍍有一層金屬鉑，—固定波長的濾波器，只允許一窄的光波長帶通過，而限制其他波長通過，且其允許通過的波長帶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(yù)設(shè)波長差值，—寬帶光源從光纖的所謂的入射端注入探測光，探測光通過固定波長的濾波器后，只有上述的一窄的光波長帶通過，到達探測器，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(yù)設(shè)波長差值，從而使該選擇性作用波長帶，至少覆蓋了固定波長的濾波器允許通過的波長帶的一部分，這時，該測量點處的光纖光柵對寬帶光源入射的、可以通過固定波長濾波器的探測光信號產(chǎn)生了一定的反射或耗散，即通過固定波長濾波器的光信號減少，探測器探測到光信號有明顯的變化，從而探測到所述甲烷的變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵傳感器，其特征在于可以設(shè)置多個固定波長的濾 波器，其允許不同的光波長帶通過，且其允許通過的波長帶都不在光纖光柵的反射波長帶內(nèi)， 并與所述的反射波長帶有不同的預(yù)設(shè)波長差值，從而可以探測出測量點處甲垸變化的多個量值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵傳感器，其特征在于可以在一根光纖上的多 個測量點分別設(shè)置多個光纖光柵，且這些光纖光柵具有基本相同的反射波長帶。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器，包括寬帶光源、光纖、固定波長的濾波器、探測器和光纖光柵，其特征在于該光纖光柵表面鍍有一層金屬鉑，固定波長的濾波器，只允許一窄的光波長帶通過，且其允許通過的波長帶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(yù)設(shè)波長差值，寬帶光源注入的探測光通過固定波長的濾波器后，只有一窄的光波長帶通過，到達探測器，當被監(jiān)測甲烷變化達到一定量值時，光纖光柵的選擇性作用波長帶至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，這時，光纖光柵對寬帶光源入射的、可以通過固定波長濾波器的探測光信號產(chǎn)生了反射或耗散，探測器探測到光信號的變化，從而探測到甲烷的變化。
文檔編號G01N21/75GK101424624SQ20081023223
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