[发明专利]基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统

说明书

技术领域

发明涉及光纤传感领域的技术，具体涉及一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的多点复用、实时测量的高可靠性光纤气体传感系统。

背景技术

在石油化工、矿井、冶金等行业，都要求对气体的浓度进行实时测量和定位，特别是对于甲烷气体的检测。甲烷气体用途广泛，是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，同时也是重要的工业原料。甲烷无色无味且易燃易爆，在大气中的爆炸范围是4.9 vol. %~15 vol. %。传统的基于电化学的电气体传感器在实际使用中存在一些问题，诸如带电不安全、使用寿命短、稳定性差、易爆炸等安全性方面的问题。光纤气体传感器因其传感原理不同于电气体传感器，所以并不存在上述问题，因此而成为了气体传感领域的一个重要研究方向。

传统的光纤气体传感器通常是基于气体的强度吸收谱，采用直接吸收法、频率调制法或波长扫描法。这些技术在实现高精度测量前提下，难以实现实时探测、定位和多点复用。为了解决传统光纤气体传感器的限制，一种基于光相干域反射仪（OCDR）的复用式光纤甲烷传感系统 [S. Li, X.Y. Fan, Q.W. Liu, Z.Y. He, Multiplexed Fiber-optic Methane Sensors Based on Optical Coherence Domain Reflectometry, in: Asia Communications and Photonics Conference 2015, Optical Society of America, Hong Kong, 2015, pp. ASu2A.144.]被提出，气体浓度的变化对应光强度的改变，该技术通过测量光强度的衰减和对传感单元的定位实现复用式传感。但是OCDR系统复杂，稳定性差，不适用于对稳定性要求高的长距离传感。

光时域反射仪技术（OTDR）多用于测量光纤接头损耗、定位光纤定位点以及对光纤损耗分布等测试，是光缆线路维护必不可少的工具。本发明利用反射式光纤光栅作为参考点，通过在光纤链路中加入一个光时域反射仪，向待测光纤链路中注入特定宽度和波长的脉冲光，以实现对链路中存在光纤光栅的位置进行检测。当甲烷气体发生泄露时，由于气体对特定光频率的吸收，通过对气体吸收室前后相邻参考点的差分，可以得到相对光强的变化，从而实现对气体浓度信息的探测。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，能够实现甲烷气体浓度远距离多点式的甲烷浓度解调、在线监测，通过一个串行光纤链路实现甲烷气体浓度的检测和位置信息的获取。

技术方案：本发明所述的基于弱光纤光栅和光时域反射仪的复用光纤气体传感系统，包括分布式反馈激光器、任意函数发生器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤、数据采集模块以及呈交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室；分布式反馈激光器、声光调制器、三端口环形器、延迟光纤依次相连，任意函数发送器与声光调制器相连，分布式反馈激光器输出探测光至声光调制器，任意函数发生器输出电信号驱动声光调制器对探测光进行调制，声光调制器调制产生的脉冲光经过三端口环形器进入延迟光纤，脉冲光再经过交叉分布的弱光纤光栅和气体吸收室，获得气体吸收室前后弱光纤光栅的反射信号，反射信号经过所述延迟光纤、三端口环形器输出至数据采集模块。弱光纤光栅与气体吸收室交叉连接，作为测量的参考点，弱光纤光栅的反射率和3dB带宽可定制，以满足不同探测灵敏度和复用数量的要求，也使反射峰不易受温度和应变的影响；三端口环形器用于实现光脉冲入射到弱光纤光栅并经过同一链路返回到数据采集模块。

进一步完善上述技术方案，所述分布式反馈激光器连接有反馈控制模块，反馈控制模块包括温度控制单元和电流控制单元、用于稳定所述分布式反馈激光器的波长。

进一步地，所述分布式反馈激光器输出探测光的波长处于1650nm波段，对应甲烷气体的吸收峰波长。

进一步地，所述延迟光纤为任意长度的标准单模光纤。延迟光纤长度可灵活调整，以满足不同传感距离的要求。

进一步地，所述任意函数发生器产生宽度为10ns以上、重复频率为1kHz以上的电信号。声光调制器经过任意函数发生器驱动，用于把连续的光波切割成特定重复频率和宽度的脉冲。

进一步地，所述气体吸收室包括单模尾纤、入气口和出气口，单模尾纤用于探测光耦合，入气口和出气口用来注入和排出甲烷气体。气体吸收室长度16cm，单模尾纤为标准单模光纤。