CN100501375C - 双栅光纤微腔瓦斯传感***及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双栅光纤微腔瓦斯传感***及传感方法。该双栅光纤微腔瓦斯传感***由宽带光源、光纤、宽带耦合器、双栅光纤微腔瓦斯传感器、光谱解调器和计算机构成。所述双栅光纤微腔瓦斯传感器由两段光纤、两个短周期光纤光栅、两个光纤自准直透镜和支承体构成。其传感方法是先标定出传感器的常数、温度对敏感系数的影响因子，再传感出被测的瓦斯气体浓度。该双栅光纤微腔瓦斯传感***的装配和调试简单，传感器体积小，结构简单，可实现遥测。其传感方法消除了光源、光路干扰和温度波动的影响，可同时实现瓦斯浓度和温度的检测，精度高。

Description

双栅光纤微腔瓦斯传感***及传感方法

技术领域

本发明属于分析仪器、气体化学、安全技术领域，具体涉及一种双栅光纤微腔瓦斯传感***及传感方法。

背景技术

每次重大特大煤矿事故都带来***损失，尤其给矿业工人的生命带来无法挽回的损失。煤矿事故的主要原因之一是瓦斯引起的***。对煤矿井瓦斯(主成分是甲烷CH4)气体浓度的检测与控制是一个规避煤矿恶性事故的有效方法。瓦斯传感器及其***是矿井瓦斯综合治理和灾害预测的关键装备，受到人们的广泛重视。

瓦斯传感是一种气体传感。目前，矿井瓦斯传感器主要有半导体气敏元件、电化学传感器、载体催化元件、光干涉或红外吸收型传感器等。半导体气敏元件的精度低、零漂大、稳定性和选择性差。电化学传感器的精度和稳定性好，其不足是寿命短、价格高。载体催化瓦斯传感器具有方便和价格低的优点，其不足是反应慢、稳定性差、寿命短、易波动激活及中毒、温湿度影响大、对瓦斯选择性差、抗高浓冲击性差、存在安全隐患等。光干涉式瓦斯传感器的零漂低稳定性好，其不足是选择性差、干扰大。根据传光形式，红外吸收型瓦斯传感器可分为自由空间式和波导光纤式两种，其优点是精度高、零漂低、选择性好、寿命和校正周期长。自由空间式瓦斯传感器的不足是防尘性差、温湿度影响大、稳定性差、价格高。光纤瓦斯传感器根据光的作用方式可有倏逝波型和White气室吸收式传感器，其共同优点是可遥测、电气绝缘、无安全隐患。光纤倏逝波型瓦斯传感器的不足是制作困难、信号噪声大、精度低、探测***复杂。光纤White气室吸收式瓦斯传感器具有体积大、准直装配困难、防振性和温度稳定性差、环境适应性弱、光损失和干扰大等不足。

与本发明相近的是基于光纤White吸收气室和短周期光纤光栅(短周期光纤光栅也称为Bragg光纤光栅或布拉格光纤光栅)而形成的光纤瓦斯传感***，目前有两种结构的传感***。一类传感***是通过压电陶瓷和光纤光栅得到波长调制的反射光源，传输到White吸收气室被甲烷气体吸收，用2个光电探测器分别获取被瓦斯吸收后的二次谐波分量光信号及光纤光栅的透射光信号，相除后得瓦斯传感数据。另一类是双波长差分式光纤光栅瓦斯传感***：其光源光在White吸收气室被瓦斯气体吸收后，被2个短周期光纤光栅反射回两个波长的光；该两波长光被2个光纤耦合器和1个光纤隔离器或2个光纤环行器分离开，再分别传到2个光电探测器被转换为电信号，最后由数据采集与处理***得到瓦斯浓度数据。这些传感***具有遥测、精度高、电气绝缘、无安全隐患等优点；其缺点包括光纤White气室吸收式瓦斯传感器的所有不足(如前述)，同时还包括传感器成本高(光纤隔离器或环行器昂贵)、***结构复杂、环境温度影响大(不能温度补偿)等不足。这些不足有待新的技术和方法加以克服与改进。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有结构和装调简单、可同时检测瓦斯浓度和温度、其传感器体积小、准直容易、成本较低、防振性和温度稳定性好、光损失和干扰小等特点的双栅光纤微腔瓦斯传感***；

本发明的另一目的是提供一种能进行温度补偿校正、精度高的瓦斯浓度传感方法。

本发明的技术方案如下：

双栅光纤微腔瓦斯传感***，其特征在于：由宽带光源A、光纤B1～B3、宽带耦合器Cw、双栅光纤微腔瓦斯传感器S、光谱解调器D和计算机E组成；宽带光源A通过光纤B1连接到宽带耦合器Cw的一个输入端，宽带耦合器Cw的输出端通过光纤B3连接到双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，宽带耦合器Cw的另一个输入端通过光纤B2连接到光谱解调器D的光纤输入端，光谱解调器D的数据端口通过数据接口线连接到计算机E；

所述双栅光纤微腔瓦斯传感器包括第一光纤和第二光纤、第一自准直透镜和第二自准直透镜、第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅、支承体，其中第一光纤的一个端面位于第一自准直透镜的焦点并与第一自准直透镜固连在一起，该第一自准直透镜固定连接在支承体上，在支承体上相距第一自准直透镜一段距离处固定连接有第二自准直透镜，第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的空间构成为微腔，第二光纤的一个端面位于第二自准直透镜的焦点并与第二自准直透镜固定连接在一起，第二光纤上写有第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅；第一短周期光纤光栅的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带外，第二短周期光纤光栅的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带内，第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅的反射中心波长之间的间隔大于其反射波长带的3dB带宽之和的一半；第二光纤是双栅光纤微腔瓦斯传感器的后端，第一光纤是双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端。

在本传感***的双栅光纤微腔瓦斯传感器中，位于第一自准直透镜焦点的第一光纤的端面与第一自准直透镜的光轴垂直；位于第二自准直透镜焦点的第二光纤的端面与第二自准直透镜的光轴垂直；第一自准直透镜的光轴和第二自准直透镜的光轴同轴，第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的距离约为3-500mm；第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅的反射中心波长处的3dB波长带宽均约为0.02-0.5nm，这两个短周期光纤光栅的反射中心波长处的反射率均大于50％，这两个短周期光纤光栅之间的距离大于0.5mm，这两个短周期光纤光栅到第二光纤任意端面的距离大于5mm。

在双栅光纤微腔瓦斯传感器中，支承体上连接有一保护盖；保护盖在第一自准直透镜和第二自准直透镜之间的位置处有透气孔，在靠近两个短周期光纤光栅处有透气孔，在各透气孔处覆盖有防尘透气薄层；在靠近保护盖及支承体的两端部通过固化胶分别连接有第一光纤缓冲护套和第二光纤缓冲护套。

本传感***获取瓦斯气体浓度的传感方法，其具体步骤是：(i)先标定本传感***中双栅光纤微腔瓦斯传感器的初始常数、温度校正参数，(ii)然后由双栅光纤微腔瓦斯传感器的反射光感知瓦斯浓度和温度信息，由光谱解调器获取所述反射光的光谱数据并传输到计算机，(iii)最后由计算机根据光谱数据、初始常数、温度校正参数计算得到敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度值；其特征在于：1)宽带光源A的光通过光纤B1、宽带耦合器Cw和光纤B3传输到双栅光纤微腔瓦斯传感器的第一光纤，经第一自准直透镜准直后成为平行光而进入微腔，被微腔内的瓦斯气体吸收，再经第二自准直透镜耦合到第二光纤，被第二光纤上的第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅反射返回所述两个短周期光纤光栅反射中心波长附近的窄带光；2)所述两个短周期光纤光栅反射返回的光经第二自准直透镜准直后成为平行光而再次进入微腔，被微腔内的瓦斯气体再吸收，再经第一自准直透镜耦合到第一光纤，并经光纤B3、宽带耦合器Cw和光纤B2传输到光谱解调器；3)计算机通过光谱解调器获取所述两个短周期光纤光栅反射光的光谱，以第一短周期光纤光栅反射光的幅值作为参考信号，以第二短周期光纤光栅反射光的幅值作为瓦斯浓度信号，以第二短周期光纤光栅反射光的反射中心波长作为温度信号，计算机根据所述参考信号、瓦斯浓度信号、温度信号、初始常数、温度校正参数计算得到实际传感温度时的敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度的测量值；其标定和传感时的计算公式分别为：

(a)标定的传感器初始常数a₀为

$a_0=\ln \left[\frac{I_2\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}\right]$

其中，I₁(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第一短周期光纤光栅的反射光幅值；

I₂(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第二短周期光纤光栅的反射光幅值；

(b)温度校正参数k₀

$k_0=\frac{1}{C_0}\{\ln \left[\frac{I_2\left(1\right)}{I_1\left(1\right)}\right]-a_0\}$

其中，C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

I₁(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第一短周期光纤光栅的反射光幅值；

I₂(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第二短周期光纤光栅的反射光幅值；

a₀是标定的传感器初始常数；

(c)温度校正参数γ

$\mathrm{\γ}=({\mathrm{\λ}}_{2T}-{\mathrm{\λ}}_0)\sqrt{\frac{k_0{C}_0}{k_0{C}_0+a_0-\ln \left[\frac{I_2\left(2\right)}{I_1\left(2\right)}\right]}-1}$

其中，λ₀是第二短周期光纤光栅的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ_2T是在标定温度(T_C)且λ_2T≠λ₀时，第二短周期光纤光栅的反射中心波长；

C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(2)是在标定温度(T_C)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第一短周期光纤光栅的反射光幅值；

I₂(2)是在标定温度(T_C)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第二短周期光纤光栅的反射光幅值；

(d)传感时所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数k

$k=\frac{k_0}{1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}$

其中，k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

γ是标定时得到的温度校正参数γ；

λ₀是第二短周期光纤光栅的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ₂是传感时获取的第二短周期光纤光栅的反射中心波长；

(e)传感时传感***得到的被测瓦斯气体的浓度C为：

$C=\frac{1}{k}\{\ln \left[\frac{I_2\left(C\right)}{I_1\left(C\right)}\right]-a_0\}$

其中，k是传感时计算得到的所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(C)是传感时第一短周期光纤光栅的反射光幅值；

I₂(C)是传感时第二短周期光纤光栅的反射光幅值。

相比现有技术，本传感***及传感方法具有如下优点：

(a)本传感***中的双栅光纤微腔瓦斯传感器结构稳定，体积小，温度稳定性好，抗高浓冲击性好，反应快，寿命长，不需经常调校，电气绝缘，不燃烧，无安全隐患(本安型传感器)；(b)自准直透镜是基于渐变折射率的微型透镜，由其构成的微腔吸收气室与光纤的匹配性好，准直和装配容易，抗振性强，耦合稳定性好；(c)本传感***可实现遥测，无中继遥测距离可达20公里以上，***布线简单；(d)该传感***及其传感方法消除了温度对瓦斯浓度测量的影响，也消除了光源和光路干扰的影响，还可同时获取温度信息，传感精度高，可达10ppm。

附图说明

图1是本发明涉及的双栅光纤微腔瓦斯传感***的结构图及其局部放大图；

图2是本发明涉及的双栅光纤微腔瓦斯传感器的结构图；

图3是图2的H-H剖视图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明：

如图1所示，本发明的传感***由宽带光源A、光纤B1～B3、宽带耦合器Cw、双栅光纤微腔瓦斯传感器S、光谱解调器D和计算机E组成。其构成方法是：中心波长为1330nm、带宽40nm的宽带光源A通过光纤B1连接到宽带耦合器Cw的一输入端，宽带耦合器Cw的输出端通过光纤B3连接到双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，宽带耦合器Cw的另一输入端通过光纤B2连接到光谱解调器D的光纤输入端，光谱解调器D的数据输出端通过GPIB接口(或USB、RS232、485等标准数据接口)总线连接到计算机E，双栅光纤微腔瓦斯传感器置于被测瓦斯气体中。其中，宽带光源的光谱带为1310～1350nm，包含瓦斯气体(主成分是甲烷CH4)的一个或多个吸收光谱带。

参见图2和图3，本发明传感***中的双栅光纤微腔瓦斯传感器的结构包括：第一光纤缓冲护套1、第一光纤2、支承体3、固化胶4、第一自准直透镜5、第二自准直透镜6、固化胶7、第一短周期光纤光栅8、第二短周期光纤光栅9、第二光纤10、第二光纤缓冲护套11、保护盖12、防尘透气薄层13和固化胶14。其中，第二光纤10上写有长度均为5mm的第一短周期光纤光栅8和第二短周期光纤光栅9；第一短周期光纤光栅8距离最近的光纤端面10mm，其反射中心波长为1327nm，其反射波长带的3dB带宽为0.2nm，其反射中心波长处的反射率为95％；第二短周期光纤光栅9距离最近的光纤端面17mm，其反射中心波长为1331.5nm，其反射波长带的3dB带宽为0.2nm，其反射中心波长处的反射效率为95％；支承体长约80mm，第一自准直透镜5和第二自准直透镜6的外径均为4mm；通过固化胶4和固化胶7，第一光纤2和第一自准直透镜5、第二光纤10和第二自准直透镜6都同光轴地固定连接在支承体3上，这两个自准直透镜之间的距离为12mm，第一光纤2作为双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，第二光纤10上离第一短周期光纤光栅8最近的端面位于第二自准直透镜6的焦点；在支承体3上，通过固化胶连接有保护盖12；该保护盖12在中心位置有长12mm弧长7mm的透气孔，在靠近短周期光纤光栅的保护盖端部有长8mm弧长6mm的透气孔，保护盖的内弧半径3mm；在保护盖的两透气孔处覆盖有防尘透气薄膜13，该防尘透气薄膜通过固化胶粘贴到保护盖的表面；保护盖上的透气孔及其防尘透气薄层可阻止尘埃的进入，但让瓦斯气体进入微腔内吸收光，可使温度快速影响短周期光纤光栅，使所述传感器更好地感知温度和瓦斯信息；在靠近保护盖及支承体的两端部通过固化胶14分别连接有第一光纤缓冲护套1和第二光纤缓冲护套11，以保护光纤免受损坏；在靠近短周期光纤光栅的保护盖端部表面标识有“后端”。

在本发明的双栅光纤微腔瓦斯传感器中，位于第一自准直透镜5焦点处的第一光纤2的端面与第一自准直透镜5的光轴垂直，位于第二自准直透镜6焦点处的第二光纤10的端面与第二自准直透镜6的光轴垂直；第二短周期光纤光栅9的反射中心波长在瓦斯气体吸收光谱的3dB带内较好，在瓦斯气体的吸收峰值波长附近最好；两个自准直透镜之间的空间构成为一个微腔，作为瓦斯气体的微型吸收气室，其直径约3mm。

本发明的传感***获取瓦斯气体浓度的传感方法，其具体步骤及其特征是：

步骤(i)先标定双栅光纤微腔瓦斯传感器初始常数a₀、温度校正参数k₀和γ：(a)双栅光纤微腔瓦斯传感器被置于温度为常温且瓦斯浓度为0的气体盒中，计算机获取1327nm和1331.5nm附近窄光谱带中心波长处的幅值分别为I₁(0)和I₂(0)；(b)双栅光纤微腔瓦斯传感器置于瓦斯浓度C₀＝2％的气体盒中，气体盒置于温度可调的恒温箱中，改变恒温箱的温度，计算机通过1331.5nm附近窄光谱带中心波长处的幅值来确定该幅值为最小时的温度Tr，并在温度Tr点恒温，此时计算机获取1327nm附近窄光谱带中心波长处的幅值为I₁(1)，获取1331.5nm附近窄光谱带的中心波长和幅值分别为λ₀和I₂(1)，该λ₀在1331.5nm附近；(c)双栅光纤微腔瓦斯传感器置于瓦斯浓度C₀＝2％的气体盒中，气体盒置于温度为T_C＝10℃的恒温箱中，计算机获取1327nm附近窄光谱带中心波长处的幅值为I₁(2)，获取1331.5nm附近窄光谱带的中心波长和幅值分别为λ_2T和I₂(2)；(d)计算机将获取的上述数据代入所述计算公式中，得到传感器初始常数a₀、温度校正参数k₀和γ。

步骤(ii)双栅光纤微腔瓦斯传感器的反射光感知瓦斯浓度和温度信息，由光谱解调器获取所述反射光的光谱数据并传输到计算机：(a)1310～1350nm带的宽带光源A的光通过光纤B1、宽带耦合器Cw和光纤B3传输到双栅光纤微腔瓦斯传感器的第一光纤，经第一自准直透镜准直后成为平行光而进入微腔，被微腔内的瓦斯气体吸收，再经第二自准直透镜耦合到第二光纤，被第二光纤上的第一短周期光纤光栅和第二短周期光纤光栅反射返回1327nm和1331.5nm波长附近的窄带光；(b)反射返回的1327nm和1331.5nm波长附近的窄带光经第二自准直透镜准直后成为平行光而再次进入微腔，被微腔内的瓦斯气体再吸收，再经第一自准直透镜耦合到第一光纤，并经光纤B3、宽带耦合器Cw和光纤B2传输到光谱解调器；(c)光谱解调器获取1327nm和1331.5nm波长附近的窄带光谱数据，并传送到计算机。

步骤(iii)最后由计算机根据光谱数据、初始常数、温度校正参数计算得到敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度值：(a)计算机获取1327nm和1331.5nm波长附近的窄带光谱数据；(b)计算机获取1327nm波长附近窄带光谱中心波长处的幅值为I₁(C)以作为参考信号，获取1331.5nm波长附近窄带光谱中心波长处的幅值为I₂(C)以作为瓦斯浓度信号，获取1331.5nm波长附近窄带光谱的中心波长为λ₂以作为温度信号，根据所述计算公式、温度信号λ₂、步骤(i)得到的λ₀及温度校正参数k₀和γ等计算出实际传感时所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数k；(c)计算机根据所述计算公式、步骤(i)得到的传感器初始常数a₀、步骤(iii)得到的参考信号I₁(C)及瓦斯浓度信号I₂(C)和敏感系数k等计算得到瓦斯气体浓度的测量值C。这样就传感得到被测瓦斯气体的浓度值。该测量值已消除了温度、光源及光路上干扰的影响，其精度可达10ppm。

Claims (5)

1、双栅光纤微腔瓦斯传感***，其特征在于：由宽带光源A、光纤B1～B3、宽带耦合器Cw、双栅光纤微腔瓦斯传感器S、光谱解调器D和计算机E组成；宽带光源A通过光纤B1连接到宽带耦合器Cw的一个输入端，宽带耦合器Cw的输出端通过光纤B3连接到双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端，宽带耦合器Cw的另一个输入端通过光纤B2连接到光谱解调器D的光纤输入端，光谱解调器D的数据端口通过数据接口线连接到计算机E；

所述双栅光纤微腔瓦斯传感器S包括第一光纤(2)和第二光纤(10)、第一自准直透镜(5)和第二自准直透镜(6)、第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)、支承体(3)，其中第一光纤(2)的一个端面位于第一自准直透镜(5)的焦点并与第一自准直透镜(5)固连在一起，第一光纤(2)的端面与第一自准直透镜(5)的光轴垂直，该第一自准直透镜(5)固定连接在支承体(3)上，在支承体(3)上相距第一自准直透镜(5)3-500mm处固定连接第二自准直透镜(6)，第一自准直透镜(5)和第二自准直透镜(6)之间的空间构成为微腔，第二光纤(10)的一个端面位于第二自准直透镜(6)的焦点并与第二自准直透镜(6)固连在一起，第二光纤(10)的端面与第二自准直透镜(6)的光轴垂直，且第一自准直透镜和第二自准直透镜的光轴同轴，第二光纤(10)上写有第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)，两短周期光纤光栅之间的距离大于0.5mm，且两个短周期光纤光栅到第二光纤(10)的任意端面的距离大于5mm；第一短周期光纤光栅(8)的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带外，第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长在瓦斯气体的吸收光谱带内，第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长之间的间隔大于其反射波长带的3dB带宽之和的一半；第二光纤(10)是双栅光纤微腔瓦斯传感器的后端，第一光纤(2)是双栅光纤微腔瓦斯传感器的前端。

2、根据权利要求1所述的双栅光纤微腔瓦斯传感***，其特征在于：在所述的双栅光纤微腔瓦斯传感器中，第一光纤(2)、第一自准直透镜(5)和支承体(3)通过固化胶(4)固连在一起；第二光纤(10)、第二自准直透镜(6)和支承体(3)通过固化胶(7)固连在一起；第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长处的3dB波长带宽均约为0.02-0.5nm，其反射中心波长处的反射率均大于50％。

3、根据权利要求1或2所述的双栅光纤微腔瓦斯传感***，其特征在于：在所述的支承体(3)上，通过固化胶(4)和固化胶(7)连接有一保护盖(12)；保护盖(12)在第一自准直透镜(5)和第二自准直透镜(6)之间的位置处有透气孔，在靠近第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)处有透气孔，在各透气孔处覆盖有防尘透气薄层(13)；在靠近保护盖(12)及支承体(3)的两端部通过固化胶(14)分别连接有第一光纤缓冲护套(1)和第二光纤缓冲护套(11)。

4、由权利要求1或2所述的传感***获取瓦斯气体浓度的传感方法，其具体步骤是：(i)先标定所述传感***中双栅光纤微腔瓦斯传感器的初始常数、温度校正参数，(ii)然后由双栅光纤微腔瓦斯传感器的反射光感知瓦斯浓度和温度信息，由光谱解调器获取所述反射光的光谱数据并传输到计算机，(iii)最后由计算机根据光谱数据、初始常数、温度校正参数计算得到敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度值；其特征在于：

1)宽带光源A的光传输到双栅光纤微腔瓦斯传感器的第一光纤(2)，经第一自准直透镜(5)准直后成为平行光而进入微腔，被微腔内的瓦斯气体吸收，再经第二自准直透镜(6)耦合到第二光纤(10)，被第二光纤(10)上的第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)反射返回所述两个短周期光纤光栅反射中心波长附近的窄带光；

2)所述两个短周期光纤光栅反射返回的光经第二自准直透镜(6)准直后成为平行光而再次进入微腔，被微腔内的瓦斯气体再吸收，再经第一自准直透镜(5)耦合到第一光纤(2)，并传输到光谱解调器；

3)计算机通过光谱解调器获取所述两个短周期光纤光栅反射光的光谱，以第一短周期光纤光栅(8)反射光的幅值作为参考信号，以第二短周期光纤光栅(9)反射光的幅值作为瓦斯浓度信号，以第二短周期光纤光栅(9)反射光的反射中心波长作为温度信号，计算机根据所述参考信号、瓦斯浓度信号、温度信号、初始常数、温度校正参数计算得到实际传感温度时的敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度的测量值；

其标定和传感时的计算公式分别为：

(a)标定的传感器初始常数a₀为

$a_0=\ln \left[\frac{I_2\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}\right]$

其中，I₁(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

(b)温度校正参数k₀

$k_0=\frac{1}{C_0}\{\ln \left[\frac{I_2\left(1\right)}{I_1\left(1\right)}\right]-a_0\}$

其中，C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

I₁(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

a₀是标定的传感器初始常数；

(c)温度校正参数γ

$\mathrm{\γ}=({\mathrm{\λ}}_{2T}-{\mathrm{\λ}}_0)\sqrt{\frac{k_0{C}_0}{k_0{C}_0+a_0-\ln \left[\frac{I_2\left(2\right)}{I_1\left(2\right)}\right]}-1}$

其中，λ₀是第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ_2T是在标定温度(T_C)且λ_2T≠λ₀时，第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长；

C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(2)是在标定温度(T_C)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(2)是在标定温度(TC)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

(d)传感时所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数k

$k=\frac{k_0}{1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}$

其中，k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

γ是标定时得到的温度校正参数γ；

λ₀是第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ₂是传感时获取的第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长；

(e)传感时传感***得到的被测瓦斯气体的浓度C为：

$C=\frac{1}{k}\{\ln \left[\frac{I_2\left(C\right)}{I_1\left(C\right)}\right]-a_0\}$

其中，k是传感时计算得到的所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(C)是传感时第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(C)是传感时第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值。

5、由权利要求3所述的传感***获取瓦斯气体浓度的传感方法，其具体步骤是：(i)先标定所述传感***中双栅光纤微腔瓦斯传感器的初始常数、温度校正参数，(ii)然后由双栅光纤微腔瓦斯传感器的反射光感知瓦斯浓度和温度信息，由光谱解调器获取所述反射光的光谱数据并传输到计算机，(iii)最后由计算机根据光谱数据、初始常数、温度校正参数计算得到敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度值；其特征在于：

1)宽带光源A的光传输到双栅光纤微腔瓦斯传感器的第一光纤(2)，经第一自准直透镜(5)准直后成为平行光而进入微腔，被微腔内的瓦斯气体吸收，再经第二自准直透镜(6)耦合到第二光纤(10)，被第二光纤(10)上的第一短周期光纤光栅(8)和第二短周期光纤光栅(9)反射返回所述两个短周期光纤光栅反射中心波长附近的窄带光；

2)所述两个短周期光纤光栅反射返回的光经第二自准直透镜(6)准直后成为平行光而再次进入微腔，被微腔内的瓦斯气体再吸收，再经第一自准直透镜(5)耦合到第一光纤(2)，并传输到光谱解调器；

3)计算机通过光谱解调器获取所述两个短周期光纤光栅反射光的光谱，以第一短周期光纤光栅(8)反射光的幅值作为参考信号，以第二短周期光纤光栅(9)反射光的幅值作为瓦斯浓度信号，以第二短周期光纤光栅(9)反射光的反射中心波长作为温度信号，计算机根据所述参考信号、瓦斯浓度信号、温度信号、初始常数、温度校正参数计算得到实际传感温度时的敏感系数，再计算出瓦斯气体浓度的测量值；

其标定和传感时的计算公式分别为：

(a)标定的传感器初始常数a₀为

$a_0=\ln \left[\frac{I_2\left(0\right)}{I_1\left(0\right)}\right]$

其中，I₁(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(0)是所述传感器处瓦斯浓度为0时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

(b)温度校正参数k₀

$k_0=\frac{1}{C_0}\{\ln \left[\frac{I_2\left(1\right)}{I_1\left(1\right)}\right]-a_0\}$

其中，C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

I₁(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(1)是所述传感器处瓦斯浓度为C₀且第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长位于瓦斯吸收光谱峰值波长时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

a₀是标定的传感器初始常数；

(c)温度校正参数γ

$\mathrm{\γ}=({\mathrm{\λ}}_{2T}-{\mathrm{\λ}}_0)\sqrt{\frac{k_0{C}_0}{k_0{C}_0+a_0-\ln \left[\frac{I_2\left(2\right)}{I_1\left(2\right)}\right]}-1}$

其中，λ₀是第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ_2T是在标定温度(T_C)且λ_2T≠λ₀时，第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长；

C₀是标定时瓦斯气体的参考浓度；

k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(2)是在标定温度(T_C)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(2)是在标定温度(T_C)且所述传感器处瓦斯浓度为C₀时，第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值；

(d)传感时所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数k

$k=\frac{k_0}{1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}$

其中，k₀是标定时得到的温度校正参数k₀；

γ是标定时得到的温度校正参数γ；

λ₀是第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长所在的瓦斯吸收光谱带的峰值波长；

λ₂是传感时获取的第二短周期光纤光栅(9)的反射中心波长；

(e)传感时传感***得到的被测瓦斯气体的浓度C为：

$C=\frac{1}{k}\{\ln \left[\frac{I_2\left(C\right)}{I_1\left(C\right)}\right]-a_0\}$

其中，k是传感时计算得到的所述双栅光纤微腔瓦斯传感器的敏感系数；

a₀是标定时得到的传感器初始常数；

I₁(C)是传感时第一短周期光纤光栅(8)的反射光幅值；

I₂(C)是传感时第二短周期光纤光栅(9)的反射光幅值。

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