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垸氣變化的傳 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%?？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。《煤礦安全規(guī)程》也明文規(guī)定要對煤礦中的甲垸含量進行 多點、實時的高精度檢測。
目前廣泛采用的甲垸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，從而得到甲垸濃度值。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(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 在光纖光柵的反射波長帶內(nèi)，并與所述的反射波長帶有預(yù)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反射波長帶至少 漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使該反射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，即探測光信號的 一部分反射到入射端，從而探測到所述甲烷的變化。
本發(fā)明是探測受監(jiān)測甲垸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，鉬膜層作為催化劑，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(yīng)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(yīng)變，導致光纖光柵選擇性作用波長帶位置漂移，如果在一個鍍 有一層金屬鉑光纖光柵附近的受監(jiān)測的甲烷發(fā)生了變化，且發(fā)生的變化達到了我們關(guān)心的 程度，這時光纖光柵的反射波長帶至少漂移了預(yù)設(shè)波長差值，從而使該反射波長帶至少覆 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，即探測光信號的一部分反射到入射端，這說明有應(yīng)力存在，從而可探測到相應(yīng) 甲烷的變化。
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，如在一個需要防靜電的工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%甲烷濃度時的選擇 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)境甲垸 濃度在不大于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)境甲烷在65%RH至75%RH 之間時，所以注入傳感器光纖中的探測光信號主要引起瑞利散射光信號，靈敏的探測器 主要探測到十分微弱的瑞利反射光信號，只有當測量點處的甲垸濃度接近或達到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?，這時，探測器上會監(jiān)測到明 顯的光信號，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)置波長不同的 多個探測光信號，就可以監(jiān)測甲烷多個量值，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。


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3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4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，
4， 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，A t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，^3和入4 分別是該探測光信號的下沿和上沿波長，X2和X3之間的距離就是所述的預(yù)設(shè)波長差。第一實施方式
圖2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、光分路器4、位于測量點處用于監(jiān)測甲烷變化的鍍有金屬 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。光分路器4可以是2分路耦 合器，也可以是光環(huán)行器。
從光源3輸出的探測光信號，探測光信號的波長不在光纖光柵5的反射波長帶內(nèi)， 并與之有預(yù)設(shè)的波長差值，探測光信號通過光分路器4和光纖7，而達到光纖光柵5，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，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的反射波長帶內(nèi)，即光纖光柵5并不對探測光信號反射，這 時光探測器6沒有探測到有光信號，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，這時所述的反 射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?，反射光信號通過光纖7和光分路器進入探測器6，從而檢測到甲烷的變化。
第二實施方式
圖3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、光分路器4、光開關(guān)8、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。 光分路器4可以是2分路耦合器，也可以是光環(huán)行器。
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的反射波長帶內(nèi)，并與之有不同的預(yù)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分路器4和光纖7，而達到鍍有金屬鉑的光纖光柵5，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，我們就可以檢測到甲烷變化的多個量值。
第三實施方式
圖4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4、光分路器9a、光分路器9b、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。 光分路器4可以是2分路耦合器，也可以是光環(huán)行器。
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的反射波長帶內(nèi)，并與之有不同的預(yù)設(shè)波長差值，探測光信號通過光分 路器9a，再通過光分路器4和光纖7，而達到鍍有金屬鉑的光纖光柵5，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所述的不同預(yù)設(shè)波長 差值時，就會有不同的反射光通過光纖7、光分路器4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(yīng)的，且僅允許對應(yīng)波長的探 測光信號通過，將其他的探測光信號過濾掉，這樣我們就可以檢測到甲烷變化的多個量 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反射波長帶內(nèi)，并與所述的反射波長帶有預(yù)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反射波長帶至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使該反射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，即探測光信號的一部分反射到入射端，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(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。
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反射波長帶內(nèi)，并與反射波長帶有預(yù)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反射波長帶至少漂移了上述的預(yù)設(shè)波長差值，從而使反射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)生了一定的反射到入射端，從而探測到所述甲烷的變化。
文檔編號G01M3/02GK101424627SQ20081023223
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