專利名稱:壓強、溫度和組分濃度同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于光纖生化傳感器技術(shù)領(lǐng)域,涉及用于能源化工、環(huán)境監(jiān)控和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的光纖傳感器的制作,具體涉及一種可以同時對被測液體、氣體的壓強、溫度和組分濃度進(jìn)行檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器。
背景技術(shù):
實時檢測液體、氣體的壓強、溫度以及組分濃度等參數(shù)信息在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)控、能源開采等領(lǐng)域具有重要的意義。例如在天然氣輸送過程中需要對天然氣的壓強、溫度以及H2S等有毒氣體的組分濃度進(jìn)行實時監(jiān)控;在石油開采過程中需要對井內(nèi)流體的溫度、壓強以及組分濃度進(jìn)行檢測;在煤礦開采過程中需要對礦井內(nèi)的氣體壓強、溫度以及可燃性氣體的組分濃度進(jìn)行實時監(jiān)控;在表面處理工業(yè)過程中需要對處理液的壓強、溫度和組分濃度進(jìn)行實時檢測等。傳統(tǒng)的檢測方法多是針對某一特定的檢測量,選擇某一特定的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行檢測。例如在檢測液體、氣體的壓強時會專門使用一套傳感器系統(tǒng),而對被測液體、氣體的溫度和組分濃度進(jìn)行檢測時又會選擇另外兩套獨立的傳感器系統(tǒng)。當(dāng)需要對被測液體、氣體的壓強、溫度和濃度等參數(shù)進(jìn)行整體分析時,需要這三套傳感器系統(tǒng)都得到各自的測量結(jié)果并匯總后才可以進(jìn)行分析。這種檢測方法一方面增加了檢測成本并導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)的布置復(fù)雜。另一方面因為各傳感器系統(tǒng)的作用原理以及在被測液體、氣體中的布置方式不同而導(dǎo)致各傳感器系統(tǒng)的誤差不同,且各個測量結(jié)果之間的相關(guān)性較小,在對這些檢測量進(jìn)行整體分析時易產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,造成分析結(jié)果的精度下降。
發(fā)明內(nèi)容
為解決背景技術(shù)中進(jìn)行多參數(shù)測量時遇到的問題,本發(fā)明的目的是提供一種可對被測液體、氣體的溫度、壓強以及組分濃度等信息進(jìn)行同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器。在此光纖傳感器中,利用布拉格光纖光柵進(jìn)行溫度和壓強的監(jiān)控,利用光纖消逝場傳感原理進(jìn)行被測液體、氣體中各組分濃度的傳感,在同一條光纖上既可完成對被測液體、氣體的溫度、壓強以及組分濃度等多參數(shù)的同時測量。為了實現(xiàn)所述目的,本發(fā)明提供的壓強、溫度和組分濃度同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器,所述多態(tài)氣液光纖傳感器由寬波段光源、光譜分析儀器、回光導(dǎo)光光纖、第一導(dǎo)光光纖、光纖耦合器、第二導(dǎo)光光纖和傳感光纖探頭組成,傳感光纖探頭具有腔壁,腔壁之間固設(shè)有多個固定擋板和一個能自由滑動的活動擋板,多個固定擋板與腔壁之間密封連接,多個固定擋板及活動擋板的幾何中心鉆有孔,且多個固定擋板及活動擋板之間都設(shè)有一間隔,并由腔壁與多個固定擋板及活動擋板間分別形成溫度腔、組分濃度腔、壓力腔和壓力調(diào)節(jié)腔;溫度腔、組分濃度腔、壓力腔和壓力調(diào)節(jié)腔設(shè)置在腔壁的中心線上;組分濃度腔和壓力腔的腔壁上鉆有連通孔,待測物質(zhì)通過連通孔進(jìn)入相應(yīng)腔體內(nèi),壓力調(diào)節(jié)腔的腔壁上有抽氣孔,抽氣孔中安裝有密封蓋,所述第二導(dǎo)光光纖包括第一光纖段、第二光纖段、第三光纖段和第四光纖段;在第一光纖段上設(shè)置有第一布拉格光纖光柵,第一布拉格光纖光柵對被測液體、氣體的溫度進(jìn)行檢測,第一光纖段在溫度腔內(nèi)留出一部分光纖形成第一富余光纖;在第二光纖段上設(shè)置有消逝場傳感區(qū),消逝場傳感區(qū)對被測液體、氣體組分濃度進(jìn)行檢測;在第三光纖段上設(shè)置第二布拉格光纖光柵,第二布拉格光纖光柵對被測液體、氣體的壓強進(jìn)行檢測;第四光纖段分布在壓力調(diào)節(jié)腔內(nèi),其長度大于壓力調(diào)節(jié)腔的長度,并形成第二富余光纖,第二富余光纖能使活動擋板在沿腔壁產(chǎn)生位移時不受第四光纖段的拉力影響,保證自由活動。優(yōu)選實施例溫度腔內(nèi)布置有第一光纖段,其上設(shè)置有第一布拉格光纖光柵,并形成第一富余光纖,第一富余光纖能讓第一布拉格光纖光柵處于一個不受外力作用的狀態(tài); 第一光纖段的兩端分別用兩個固定密封圈密封固定在溫度腔的兩個固定擋板上,密封固定光纖能防止第一光纖段滑動產(chǎn)生外力變形影響測量結(jié)果,并阻止被測液體、氣體沿第一光纖段進(jìn)入溫度腔中。優(yōu)選實施例所述組分濃度腔中設(shè)置有第二光纖段,第二光纖段用兩個固定密封圈密封固定在組分濃度腔的兩固定擋板上,用固定密封圈固定能防止第二光纖段滑動,并阻止被測液體、氣體沿第二光纖段進(jìn)入溫度腔,第二光纖段在組分濃度腔中處于一種沒有應(yīng)變變形的自由狀態(tài)。優(yōu)選實施例在壓力腔中設(shè)置有第三光纖段,其上加工有第二布拉格光纖光柵,第三光纖段用兩個固定密封圈固定密封在壓力腔的兩固定擋板上,上位板固定安裝在靠近活動擋板一側(cè)的腔壁上,在活動擋板上裝備有密封活塞套,密封活塞套能防止被測液體、氣體在活動擋板移動時進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)腔。優(yōu)選實施例壓力調(diào)節(jié)腔中的第四光纖段的兩端分別固定在活動擋板和壓力調(diào)節(jié)腔的固定擋板上,并在壓力調(diào)節(jié)腔中形成一段能自由活動的第二富余光纖,第二富余光纖能使活動擋板在產(chǎn)生位移時,不受第四光纖段拉力的影響;壓力調(diào)節(jié)腔的腔壁上固定有下位板;下位板固定安裝在靠近活動擋板的壓力調(diào)節(jié)腔的腔壁上;壓力調(diào)節(jié)腔的腔體中裝備有復(fù)位彈簧,復(fù)位彈簧的兩端分別固定在活動擋板和壓力調(diào)節(jié)腔的固定擋板上。優(yōu)選實施例第二布拉格光纖光柵的反射波長與第一布拉格光纖光柵的反射波長不同。優(yōu)選實施例所述組分濃度腔能設(shè)置多個,當(dāng)組分濃度腔大于兩個時,在傳感光纖探頭中還設(shè)置參考腔,并在參考腔內(nèi)放置參考布拉格光纖光柵。優(yōu)選實施例在第二導(dǎo)光光纖上能設(shè)置多個傳感光纖探頭,多個傳感光纖探頭串聯(lián)使用,實現(xiàn)對被測液體、氣體的溫度、壓強和組分濃度的永久性、分布式的實時在線監(jiān)控。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明的可同時對被測液體、氣體的溫度、壓強和組分濃度進(jìn)行檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器將對被測液體、氣體的多態(tài)檢測集成在同一條傳感光纖上完成,可方便的對被測液體或氣體的溫度、壓強及組分濃度信息進(jìn)行檢測。其意義在于1、本發(fā)明的傳感器可同時對被測液體或氣體的溫度、壓強及組分濃度信息進(jìn)行檢測,降低了對被測液體、氣體進(jìn)行多參數(shù)測量時所需的傳感器數(shù)目,方便了傳感器的空間布置,有效降低了對被測液體、氣體進(jìn)行多態(tài)檢測時裝置的復(fù)雜程度。2、本發(fā)明的可同時對被測液體或氣體的溫度、壓強和組分濃度進(jìn)行檢測的傳感器可迅速、全面的獲得被測液體、氣體的具體信息,且各信息的相關(guān)性強,在對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析時,結(jié)果可靠、保真性好。3、光纖抗氧化腐蝕、抗電磁干擾能力強且不產(chǎn)生電火花等優(yōu)點,使本發(fā)明的傳感器可以在嚴(yán)厲苛刻環(huán)境下使用,且通過在第二導(dǎo)光光纖上設(shè)置多個傳感光纖探頭,將本發(fā)明的多個傳感光纖探頭進(jìn)行串聯(lián)使用,可實現(xiàn)對被測液體、氣體的溫度、壓強和組分濃度的永久式、分布式的實時在線監(jiān)控。
圖1是本發(fā)明的可同時對被測液體、氣體進(jìn)行溫度、壓強和組分濃度檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器的系統(tǒng)示意圖。圖2是傳感光纖探頭的示意圖。圖3是傳感光纖探頭的剖面示意圖。圖4是組分濃度腔前置的傳感光纖探頭剖面示意圖。圖5是雙組分濃度檢測的傳感光纖探頭剖面示意圖。圖6是三組分濃度檢測的傳感光纖探頭剖面示意圖。圖7是多光纖探頭串聯(lián)使用進(jìn)行分布式多點檢測的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1示出本發(fā)明的可同時對被測液體、氣體的壓強、溫度以及組分濃度進(jìn)行檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器系統(tǒng),由寬波段光源1、光譜分析儀器2、回光導(dǎo)光光纖3、第一導(dǎo)光光纖4、光纖耦合器5、第二導(dǎo)光光纖6組成傳感光纖探頭7 ;如圖2示出傳感光纖探頭7 的結(jié)構(gòu),圖2中包括第二導(dǎo)光光纖6的光纖絲8、光纖保護(hù)層9、固定密封圈10、溫度腔11、 組分濃度腔12、壓力腔13、壓力調(diào)節(jié)腔14、連通孔15和密封蓋16,傳感光纖探頭7是本發(fā)明的核心內(nèi)容。所述第二導(dǎo)光光纖6包括第一光纖段17、第二光纖段21、第三光纖段22和第四光纖段31 ;如圖3傳感光纖探頭的剖面示出第二導(dǎo)光光纖6在溫度腔11中的第一光纖段17、腔壁18、第一布拉格光纖光柵19、第一富余光纖20、第二導(dǎo)光光纖6在組分濃度腔 12中的第二光纖段21、第二導(dǎo)光光纖6在壓力腔13中的第三光纖段22、第二布拉格光纖光柵23、活動擋板24、上位板25、密封活塞套沈、下位板27、復(fù)位彈簧28、固定擋板四、第二導(dǎo)光光纖6在壓力調(diào)節(jié)腔14中的第四光纖段31、第二富余光纖30、抽氣孔32和消逝場傳感區(qū)33。下面請參見圖1至圖3,本發(fā)明提供的壓強、溫度和組分濃度同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器,傳感光纖探頭7由第二導(dǎo)光光纖6、多個固定密封圈10、多個連通孔15、密封蓋 16、腔壁18、活動擋板M、上位板25、密封活塞套沈、下位板27、復(fù)位彈簧觀、多個固定擋板 29和抽氣孔32 ;其中傳感光纖探頭7具有的腔壁18之間固設(shè)有多個固定擋板四和一個能自由滑動的活動擋板24,多個固定擋板四和活動擋板M的幾何中心鉆有放置光纖的孔 34,多個固定擋板四與腔壁18之間密封連接,多個固定擋板四及活動擋板M之間都設(shè)有一間隔,并由腔壁18與多個固定擋板四及活動擋板M間分別形成溫度腔11、組分濃度腔 12、壓力腔13和壓力調(diào)節(jié)腔14 ;溫度腔11、組分濃度腔12、壓力腔13和壓力調(diào)節(jié)腔14設(shè)置在腔壁18的中心線上;組分濃度腔12和壓力腔13的腔壁上鉆有連通孔15,待測物質(zhì)通過連通孔15進(jìn)入相應(yīng)腔體內(nèi),壓力調(diào)節(jié)腔14的腔壁上有抽氣孔32,抽氣孔32中安裝有密封蓋16,所述第二導(dǎo)光光纖6包括第一光纖段17、第二光纖段21、第三光纖段22和第四光纖段31 ;在第一光纖段17上設(shè)置有第一布拉格光纖光柵19,第一布拉格光纖光柵19對被測液體、氣體的溫度進(jìn)行檢測,第一光纖段17在溫度腔11內(nèi)留出一部分光纖形成第一富余光纖20 ;在第二光纖段21上設(shè)置有消逝場傳感區(qū)33,消逝場傳感區(qū)33對被測液體、氣體的組分濃度進(jìn)行檢測;在第三光纖段22上設(shè)置第二布拉格光纖光柵23,第二布拉格光纖光柵 23對被測液體、氣體的壓強進(jìn)行檢測;第四光纖段31分布在壓力調(diào)節(jié)腔14內(nèi),其長度大于壓力調(diào)節(jié)腔14的長度,并形成第二富余光纖30,第二富余光纖30能使活動擋板M在沿腔壁產(chǎn)生位移時不受第四光纖段31的拉力影響,保證自由活動。第一布拉格光纖光柵19、第二布拉格光纖光柵23和消逝場傳感區(qū)33是在第二導(dǎo)光光纖6上加工制成。其中第一布拉格光纖光柵19和第二布拉格光纖光柵23的柵距不同, 其反射波長亦不相同。第二導(dǎo)光光纖6的外面有保護(hù)層9對光纖絲8進(jìn)行保護(hù),防止在使用過程中光纖絲8受損。第二導(dǎo)光光纖6分布在溫度腔11中的第一光纖段17上加工有第一布拉格光纖光柵19并形成第一富余光纖20。通過密封在溫度腔11中,第一布拉格光纖光柵19可以避開被測液體、氣體的壓強影響,保證第一布拉格光纖光柵19只受到被測液體、氣體溫度的影響,通過測量第一布拉格光纖光柵19的反射波長λ 1的移動量Δ λ 1即可得到被測液體、 氣體的溫度信息。第一富余光纖20的作用是消除光纖應(yīng)力對溫度測量的影響。固定密封圈10的作用是將分布在光纖探頭7中的第二導(dǎo)光光纖6密封固定在固定擋板四和活動擋板M上。對分布在光纖探頭7中的第二導(dǎo)光光纖6進(jìn)行固定可以防止測量過程中光纖探頭7中各腔體內(nèi)的光纖段產(chǎn)生自由移動,改變光纖探頭7中各腔體內(nèi)光纖段的受力情況,影響對被測液體、氣體的測量結(jié)果精度。密封可以防止待測的液體或氣體進(jìn)入溫度腔11和壓力調(diào)節(jié)腔14,保證測量結(jié)果的精度。固定擋板四和活動擋板M結(jié)合腔壁18可以將傳感光纖探頭7進(jìn)行分室,固定擋板四和活動擋板M也是第二導(dǎo)光光纖6在傳感光纖探頭7中分布的各光纖段的固定支撐架,第二導(dǎo)光光纖6穿過固定擋板四和活動擋板M上的孔34,并用固定密封圈10將其固定密封在固定擋板四和活動擋板M上。固定擋板四可以通過密封螺紋、焊接以及膠接等方式密封固定到腔壁18上。連通孔15是被測液體或氣體進(jìn)入到組分濃度腔12和壓力腔 13的通道。活動擋板M上有一圈密封活塞套26,當(dāng)被測液體或氣體進(jìn)入壓力腔13后在被測液體、氣體的壓力作用下,活動擋板M連同其上的密封活塞套26 —起產(chǎn)生位移,拉動第三光纖段22產(chǎn)生應(yīng)變,進(jìn)而對第二布拉格光纖光柵23產(chǎn)生調(diào)制作用,引起反射波長λ 2的移動,通過光譜分析儀器2讀出反射波長的移動量Δ λ 2,結(jié)合溫度腔11得到的結(jié)果,即可反推出被測液體、氣體的壓強信息。密封活塞套26在活動擋板M的移動過程中起到密封的作用,防止被測液體或氣體流進(jìn)壓力調(diào)節(jié)腔14。上位板25是傳感器初始狀態(tài)調(diào)整和復(fù)位的標(biāo)志,當(dāng)傳感器設(shè)計好后,活動擋板M 緊靠在上位板25處,可以保證第三光纖段22處于一個自由伸展的狀態(tài),保證本發(fā)明的傳感器在進(jìn)行傳感時第二布拉格光纖光柵23都處在同一種初始狀態(tài)下。下位板27限制活動擋板M的最大位移量,可防止光纖因過載而發(fā)生破壞。
7
當(dāng)外載荷除掉后復(fù)位彈簧觀可以幫助活動擋板M復(fù)位,是傳感器進(jìn)行動態(tài)測試的重要保障。通過抽氣孔32可對壓力調(diào)節(jié)腔14的腔體壓強進(jìn)行調(diào)節(jié),使活動擋板M恰好處于上位板25處,保證壓力腔13中的第三光纖段22處于自由平衡狀態(tài)。壓力調(diào)節(jié)腔14 和上位板25是傳感器初始狀態(tài)調(diào)整的重要標(biāo)志。壓強調(diào)節(jié)好后,用密封蓋16密封住抽氣孔32,保證壓力調(diào)節(jié)腔14中的壓強穩(wěn)定。壓力調(diào)節(jié)腔14中的第四光纖段31留出第二富余光纖30使活動擋板M可以自由活動。組分濃度腔12中的消逝場傳感區(qū)33按照要測量的被測液體、氣體的組分進(jìn)行修飾。將第二導(dǎo)光光纖6的保護(hù)層9除掉,再將光纖絲8的包層除去使其纖芯裸露出來。光纖纖芯裸露出來后,光纖的消逝場能量可以與被測液體、氣體發(fā)生作用引起光纖中傳輸能量的降低,通過檢測光纖中傳輸能量的降低程度既可得到被測液體、氣體某組分的濃度。為進(jìn)一步提高濃度檢測的靈敏度,可在裸露的光纖纖芯上覆蓋一層能與被測液體、氣體發(fā)生反應(yīng)的敏感膜,被測液體、氣體與敏感膜發(fā)生作用后可以產(chǎn)生顏色或敏感膜折射率的變化, 增強光纖消逝場與被測液體、氣體的相互作用,提高消逝場傳感區(qū)33的檢測靈敏度。本發(fā)明的具體工作原理如下光源1發(fā)出的光經(jīng)過匯聚后耦合進(jìn)第一導(dǎo)光光纖4中,通過光纖耦合器5進(jìn)入第二導(dǎo)光光纖6,送至可同時對被測液體或氣體的溫度、壓強和組分濃度進(jìn)行檢測的傳感光纖探頭7中進(jìn)行傳感。光在沿傳感光纖探頭7中的第二導(dǎo)光光纖6前行時,遇到布置在第二導(dǎo)光光纖6上的布拉格光纖光柵后產(chǎn)生某特定波長的反射光。布拉格光纖光柵產(chǎn)生的反射光攜帶被測量的信息經(jīng)過第二導(dǎo)光光纖6回傳至光纖耦合器5并傳播至回光導(dǎo)光光纖3中。 在光譜分析儀器2中對布拉格光纖光柵反射光的波長位移量和強度信息進(jìn)行檢測,分析得出被測液體、氣體的具體信息。光在傳感光纖探頭7中的第二導(dǎo)光光纖6傳播時,在經(jīng)過溫度腔11中的第一布拉格光纖光柵19時會產(chǎn)生波長為λ工的反射光,溫度腔中溫度的變化會對反射光的波長產(chǎn)生調(diào)制作用,引起反射光的波長產(chǎn)生位移Δ λ”通過檢測反射波長的位移量Δ X1的大小即可得到溫度腔11中的溫度信息。通過第一布拉格光纖光柵19的前行光在經(jīng)過消逝場傳感區(qū)33向前傳播時,因消逝場與被測液體、氣體的相互作用,會產(chǎn)生能量的吸收引起光譜強度的衰減。通過組分濃度傳感區(qū)33的前行光在經(jīng)過壓力腔的第二布拉格光纖光柵23時產(chǎn)生波長為λ 2的反射光,反射光的波長同時受到被測液體、氣體的溫度和壓強的影響而產(chǎn)生一個位移量Δ λ2,測出Δ λ2的大小,并與溫度腔11中的傳感信息解調(diào),即可得到被測液體、氣體的壓強信息。同樣,第二布拉格光纖光柵23的反射光入2在回傳經(jīng)過消逝場傳感區(qū)33時,因消逝場的作用又會衰減一次,進(jìn)而反射光的強度再次降低。通過測量反射光的強度降低信息即可得到被測液體、氣體的組分濃度信息。圖4是將組分濃度腔12前置在溫度腔11和壓力腔13時,組分的濃度檢測可以通過同時檢測第一布拉格光纖光柵19和第二布拉格光纖光柵23的反射光的衰減程度進(jìn)行確定,通過對二者的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析可以提高組分濃度檢測的精度。圖5是兩組分濃度檢測的傳感光纖探頭,其中組分濃度腔有兩個,分別是第一組分濃度腔35和第二組分濃度腔37,可以同時對被測液體、氣體中的兩種組分濃度進(jìn)行檢測。第一組分濃度的消逝場傳感區(qū)36放置在溫度腔11的前面,對被測液體、氣體組分一的濃度進(jìn)行檢測;第二組分濃度的消逝場傳感區(qū)38放置在壓力腔13的前面,對被測液體、氣體組分二的濃度進(jìn)行檢測。通過檢測溫度腔11中第一布拉格光纖光柵19的反射光的衰減量即可以得到被測液體、氣體組分一中的濃度信息,檢測壓力腔13中第二布拉格光纖光柵 23的反射光的衰減量即可以得到被測液體、氣體組分二的濃度信息。如圖6示出三組分濃度檢測的傳感光纖探頭剖面示意圖,圖6示出第三組分濃度腔39、第三組分濃度消逝場傳感區(qū)40、第三組分濃度傳感區(qū)的參考布拉格光纖光柵41和第三組分濃度的參考腔42;當(dāng)要檢測的組分濃度超過兩個時,需要增加參考布拉格光纖光柵 41和參考腔42,并通過檢測參考布拉格光纖光柵41反射光的衰減量大小,確定被測液體、 氣體的被檢測組分濃度的具體大小。如圖6所示,當(dāng)要檢測三個組分濃度時,在傳感光纖探頭上設(shè)計三個組分濃度腔,分別是組分濃度腔35、37和39。按照要檢測的濃度組分對安置在三個組分濃度腔中的消逝場傳感區(qū)36、38和40進(jìn)行修飾。通過測量溫度腔11中的第一布拉格光纖光柵19的反射波長的衰減程度,即可獲得組分濃度傳感區(qū)36的測量結(jié)果。測量壓力腔13中的第二布拉格光纖光柵23的反射波長的衰減程度,即可獲得消逝場傳感區(qū) 38的測量結(jié)果。同理,測量參考腔42中的參考布拉格光纖光柵41的反射波長的衰減程度, 即可獲得組分濃度傳感區(qū)40的測量結(jié)果。通過在第二導(dǎo)光光纖6上設(shè)置多個光纖傳感探頭7可以實現(xiàn)分布式的多點檢測, 同時檢被測液體、氣體在多點多位置處的溫度、壓強和組分濃度等信息。圖7示出本發(fā)明的多態(tài)氣液光纖傳感器進(jìn)行分布式多點檢測的示意圖,其中示出有第一傳感光纖探頭7-1、第二傳感光纖探頭7-2和第η傳感光纖探頭7-Ν。下面以檢測氮氣中氫氣的溫度、壓強和濃度為例進(jìn)行本發(fā)明的具體實例說明。本發(fā)明的具體實施方式
如下1、取一條包層直徑250 μ m,芯徑9 μ m,長200cm的光纖,作為第二導(dǎo)光光纖6使用,在距其端頭50cm和150cm的兩處分別寫上布拉格光纖光柵,寫光柵段光纖長10mm。第一布拉格光纖光柵19的反射波長1520nm,第二布拉格光纖光柵23的反射波長1555nm,在光纖中間長20mm的一段光纖上,除掉光纖保護(hù)層9和光纖包層,然后在其裸露的纖芯上沉積氫敏感膜-三氧化鎢膜層,修飾后的光纖段是傳感光纖探頭7的消逝場傳感區(qū)33。2、加工內(nèi)徑30mm,長110cm,壁厚3mm的套筒18。加工5個直徑四讓,壁厚3mm的固定擋板四和一個直徑26mm的活動擋板M。并在所述擋板的中心位置上鉆直徑Imm的中心孔,用于放置第二導(dǎo)光光纖6。3、將寫有反射波長1520nm的第一布拉格光纖光柵19的光纖段和一段20mm長的第一富余光纖20放置在由兩固定擋板四分割腔壁18形成的長30cm的溫度腔11內(nèi),光纖的兩端用固定密封圈10分別密封固定在固定擋板四上,然后將固定擋板四安裝到腔壁18 上并進(jìn)行固定密封。4、將加工有消逝場濃度傳感區(qū)33的光纖段放在兩固定擋板四分成的長30cm的組分濃度腔12內(nèi)作為第二光纖段21使用,將第二光纖段21的兩自由端用固定密封圈10 將其固定在組分濃度腔12的固定擋板四上,并保證第二光纖段21在腔體中處于一個自由平衡的狀態(tài)。在腔壁18鉆連通孔15,用于將被測混合氣體引入腔體內(nèi),后將固定擋板四密封固定在腔壁18上。5、將寫有反射波長1555nm第二布拉格光纖光柵23的光纖段放置在固定擋板四和活動擋板M分割腔壁18形成的長30cm的腔壁18內(nèi)。在腔壁18上安裝上位板25和下位板27,下位板27與上位板25的距離在4-6mm之間,在活動擋板M上裝置密封活塞套26, 活動擋板M放置在上位板25和下位板27之間。在上位板25前端的腔壁18上鉆連通孔 15。調(diào)整腔體內(nèi)光纖段的長度并將光纖的另一端密封固定在活動擋板M上,使腔體內(nèi)的光纖段處于無應(yīng)力應(yīng)變的自由狀態(tài),且保證活動擋板M在上位板25后面2-3mm處。剩余光纖放置在壓力調(diào)節(jié)腔14內(nèi)并保留一定的富余,光纖末端用固定密封圈10固定在壓力調(diào)節(jié)腔14底部的固定擋板四上。活動擋板M和腔體前端固定擋板四形成的腔室作為傳感光纖探頭7的壓力腔13使用。6、用活動擋板M和固定擋板四以及腔壁18組成長20cm的壓力調(diào)節(jié)腔14。在壓力調(diào)節(jié)腔14內(nèi)部安裝兩條復(fù)位彈簧觀,分別與活動擋板M和壓力調(diào)節(jié)腔14底部的固定擋板四連接。在壓力調(diào)節(jié)腔14底部距固定擋板四的IOmm處鉆抽氣孔32,并在抽氣孔 32上加裝密封蓋16。通過抽氣孔32調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)腔14的氣體壓強,使活動擋板M剛好處于上位板25處,用密封蓋16封住抽氣孔32。7、按照1-6的步驟制作好傳感光纖探頭7后,將傳感光纖探頭7和寬波段光源1, 光纖耦合器5以及光譜分析儀器2用第一導(dǎo)光光纖4和回光光纖3按照圖1所示的結(jié)構(gòu)連接在一起,即構(gòu)成本發(fā)明的可同時對被測液體或氣體的溫度、壓強以及組分濃度同時進(jìn)行檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器。以上所述,僅為本發(fā)明中的具體實施方式
,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可理解想到的變換或替換,都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓強、溫度和組分濃度同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于,所述多態(tài)氣液光纖傳感器由寬波段光源(1)、光譜分析儀器O)、回光導(dǎo)光光纖(3)、第一導(dǎo)光光纖 G)、光纖耦合器(5)、第二導(dǎo)光光纖(6)和傳感光纖探頭(7)組成,傳感光纖探頭(7)具有腔壁(18),腔壁(18)之間固設(shè)有多個固定擋板09)和一個能自由滑動的活動擋板(M), 多個固定擋板09)與腔壁(18)之間密封連接,多個固定擋板09)及活動擋板04)的幾何中心鉆有孔(34),且多個固定擋板09)及活動擋板04)之間都設(shè)有一間隔,并由腔壁 (18)與多個固定擋板09)及活動擋板04)間分別形成溫度腔(11)、組分濃度腔(12)、壓力腔(13)和壓力調(diào)節(jié)腔(14);溫度腔(11)、組分濃度腔(12)、壓力腔(13)和壓力調(diào)節(jié)腔 (14)設(shè)置在腔壁(18)的中心線上;組分濃度腔(1 和壓力腔(1 的腔壁(18)上鉆有連通孔(15),待測物質(zhì)通過連通孔(1 進(jìn)入相應(yīng)腔體內(nèi),壓力調(diào)節(jié)腔(14)的腔壁上有抽氣孔 (32),抽氣孔(3 中安裝有密封蓋(16),所述第二導(dǎo)光光纖(6)包括第一光纖段(17)、第二光纖段(21)、第三光纖段0 和第四光纖段(31);在第一光纖段(17)上設(shè)置有第一布拉格光纖光柵(19),第一布拉格光纖光柵(19)對被測液體、氣體的溫度進(jìn)行檢測,第一光纖段(17)在溫度腔(11)內(nèi)留出一部分光纖形成第一富余光纖00);在第二光纖段上設(shè)置有消逝場傳感區(qū)(33),消逝場傳感區(qū)(3 對被測液體、氣體組分濃度進(jìn)行檢測;在第三光纖段0 上設(shè)置第二布拉格光纖光柵(23),第二布拉格光纖光柵對被測液體、氣體的壓強進(jìn)行檢測;第四光纖段(31)分布在壓力調(diào)節(jié)腔(14)內(nèi),其長度大于壓力調(diào)節(jié)腔(14)的長度,并形成第二富余光纖(30),第二富余光纖(30)能使活動擋板04)在沿腔壁(18)產(chǎn)生位移時不受第四光纖段(31)的拉力影響,保證自由活動。
2.權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于溫度腔(11)內(nèi)布置有第一光纖段(17),其上設(shè)置有第一布拉格光纖光柵(19),并形成第一富余光纖(20),第一富余光纖00)能讓第一布拉格光纖光柵(19)處于一個不受外力作用的狀態(tài);第一光纖段(17)的兩端分別用兩個固定密封圈(10)密封固定在溫度腔的兩個固定擋板09)上,密封固定光纖能防止第一光纖段(17)滑動產(chǎn)生外力變形影響測量結(jié)果,并阻止被測液體、氣體沿第一光纖段(17)進(jìn)入溫度腔(11)中。
3.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于所述組分濃度腔(1 中設(shè)置有第二光纖段(21),第二光纖段用兩個固定密封圈(10)密封固定在組分濃度腔的兩固定擋板09)上,用固定密封圈(10)固定能防止第二光纖段滑動,并阻止被測液體、氣體沿第二光纖段進(jìn)入溫度腔(11),第二光纖段在組分濃度腔(1 中處于一種沒有應(yīng)變變形的自由狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于在壓力腔(13)中設(shè)置有第三光纖段(22),其上加工有第二布拉格光纖光柵(23),第三光纖段0 用兩個固定密封圈 (10)固定密封在壓力腔(1 的兩固定擋板09)上,上位板0 固定安裝在靠近活動擋板 (24) 一側(cè)的腔壁(18)上,在活動擋板04)上裝備有密封活塞套( ),密封活塞套06)能防止被測液體、氣體在活動擋板04)移動時進(jìn)入壓力調(diào)節(jié)腔(14)。
5.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于壓力調(diào)節(jié)腔(14)中的第四光纖段(31)的兩端分別固定在活動擋板04)和壓力調(diào)節(jié)腔(14)的固定擋板09)上,并在壓力調(diào)節(jié)腔(14)中形成一段能自由活動的第二富余光纖(30),第二富余光纖(30)能使活動擋板04)在產(chǎn)生位移時,不受第四光纖段(31)拉力的影響;壓力調(diào)節(jié)腔(14)的腔壁 (18)上固定有下位板(XT);下位板(XT)固定安裝在靠近活動擋板04)的壓力調(diào)節(jié)腔(14) 的腔壁上;壓力調(diào)節(jié)腔(14)的腔體中裝備有復(fù)位彈簧( ),復(fù)位彈簧08)的兩端分別固定在活動擋板04)和壓力調(diào)節(jié)腔(14)的固定擋板09)上。
6.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于第二布拉格光纖光柵03) 的反射波長與第一布拉格光纖光柵(19)的反射波長不同。
7.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于,所述組分濃度腔(1 能設(shè)置多個,當(dāng)組分濃度腔(1 大于兩個時,在傳感光纖探頭(7)中還設(shè)置參考腔(42),并在參考腔0 內(nèi)放置參考布拉格光纖光柵G1)。
8.如權(quán)利要求1所述的多態(tài)氣液光纖傳感器,其特征在于,在第二導(dǎo)光光纖(6)上能設(shè)置多個傳感光纖探頭(7),多個傳感光纖探頭(7)串聯(lián)使用,實現(xiàn)對被測液體、氣體的溫度、 壓強和組分濃度的永久性、分布式的實時在線監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)明是一種壓強、溫度和組分濃度同時檢測的多態(tài)氣液光纖傳感器,其由寬波段光源、光譜分析儀器、回光導(dǎo)光光纖、第一導(dǎo)光光纖,光纖耦合器、第二導(dǎo)光光纖和傳感光纖探頭組成,在傳感光纖探頭上加工有對被測液體、氣體溫度進(jìn)行檢測的溫度腔、對被測液體、氣體壓強進(jìn)行檢測的壓力腔以及對被測液體、氣體組分濃度進(jìn)行檢測的組分濃度腔,溫度腔和壓力腔中設(shè)置有反射波長不同的布拉格光纖光柵,通過檢測各布拉格光纖光柵反射波長的變化測得被測液體或氣體的溫度及壓強信息。在組分濃度腔中的光纖段上加工有消逝場傳感區(qū),利用消逝場與被測液體、氣體的相互作用,通過監(jiān)測光纖中相應(yīng)波長段光強的衰減程度得到被測液體、氣體組分濃度的大小。
文檔編號G01D21/02GK102288226SQ20111021668
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者姚軍, 莊須葉, 羅吉, 顏勝美 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所