[发明专利]一种光纤光栅传感器

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，是借助光纤和光纤光栅进行探测的传感器，探测甲烷浓度的设备，属于传感技术领域。

背景技术

甲烷(CH4)是矿井瓦斯、天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要的工业原料和日常生活的燃气，它也是易燃易爆气体，在大气中爆炸的下限为5.3％，上限为15.0％。同时也被认为是温室效应最主要的气体之一，据报道CH4吸收红外线能力是CO2的15-30倍，占据整个温室贡献量的15％。空气中CH4的浓度每年大约以1％的速度增长。因此及时检测CH4气体的产生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。《煤矿安全规程》也明文规定要对煤矿中的甲烷含量进行多点、实时的高精度检测。

目前广泛采用的甲烷测量方法主要有催化氧化法和光学法。其中催化氧化法利用催化剂催化甲烷和氧气发生氧化反应，将化学能转化为热能，由热敏电阻测出温度的变化，从而得到甲烷浓度值。该方法一般只能达到0.1％的测量精度，而且电路部分容易受外界电磁干扰，影响测量准确度；由于需要电源供电，有发出电火花的安全隐患；传感器容易中毒、对气体的选择性差、易出现误报，而且系统需要频繁校准；该方法也不利于实现分布式测量。光学法又分为吸收式和干涉式两种，他们分别利用了甲烷红外吸收特性和甲烷浓度与光折射率存在的关系。干涉型传感器需经常调校，易受其他气体的干扰，其可靠性及稳定性较差；光谱吸收式测量方法由于需要通过几何光学的方法来增大光程以提高测量灵敏度，所以集成性相对较差，而且实现分布式测量难度很大。

近几年发展起来的光纤光栅传感器相对于常规传感器具有无可比拟的优点，它灵敏度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离传输和现场实施遥测、传感头可以放入恶劣环境中，结构简单，工作稳定可靠并且易于组成光纤网络传感系统。但目前采用的是宽光源加精密波长解调装置来实现，其设备复杂，维护成本高，无法满足很多生产生活的实际需要。

发明内容

本发明的目的是制定一种使用光纤光栅(如布拉格光栅)的传感器，以避免上述缺陷。

为此，本发明提出了一种光纤光栅传感器，包括宽带光源、光纤、固定波长的滤波器、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷变化的光纤光栅，其特征在于：

—该光纤光栅表面镀有一层金属铂，

—固定波长的滤波器，只允许一窄的光波长带通过，而限制其他波长通过，且其允许通过的波长带不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，

—宽带光源从光纤的所谓的入射端注入探测光，探测光通过固定波长的滤波器后，只有上述的一窄的光波长带通过，到达探测器，当被监测甲烷变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带，至少覆盖了固定波长的滤波器允许通过的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，即通过固定波长滤波器的光信号减少，探测器探测到光信号有明显的变化，从而探测到所述甲烷的变化。

本发明是探测受监测甲烷变化的一种光纤光栅传感器，，是在光纤光栅表面镀有一层金属铂，其厚度为1-5微米，铂膜层作为催化剂，在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜附近温度升高，导致光纤光栅也随之改变。如果在一个镀有金属铂的光纤光栅附近的受监测的甲烷发生了变化，且发生的变化达到了我们关心的程度，这时光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了可以通过固定波长滤波器的波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对宽带光源入射的、可以通过固定波长滤波器的探测光信号产生了一定的反射或耗散，探测器检测到透射光的变化，这说明有应力存在，从而可探测到相应甲烷的变化。