CN108827374A - 一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量*** - Google Patents

一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***，该***包括宽带光源、3dB耦合器、第一LPFG、第二LPFG、光谱分析仪、计算机和PCF。本***主要解决光纤气体传感器，在测量气体物理参量时的单一性和不同参量相互交叉敏感，以及监测工作的智能化和自动化的问题。在实验过程中，通过敏感光纤接收外界参量的变化，可以从光谱仪上光谱的变化间接计算敏感光纤周围环境中参量的改变，从而实现参量测量的目的。实验中分别设计了氢气和氧气两种气体测量的敏感探头，以及温度和湿度测量的敏感探头，实现了氢气、氧气、温度和湿度多参量的自动化实时智能测量。

Description

一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***
技术领域
本发明涉及一种实现多气体多参量同时测量的***，属于光电子、激光和自动化测量领域。
背景技术
随着日益严重的空气污染和化石燃料的消耗，利用清洁能源和可再生能源是人类的当务之急。氢是一种理想的未来能源来源，由于其可回收和无污染的特性，受到人们的青睐。但是由于氢气分很小，在生产、储存、运输和使用过程中极易泄漏，而且氢气无色无味，***极限范围宽(4％-75％)，遇明火即发生***，对人们的生命和财产安全造成重大威胁。在氢气的使用过程中，必须对环境中氢气含量进行检测并对其泄漏进行监测，避免氢气***事故的发生。氧气的含量作为氢气是否发生***的一个重要指标，因此，其含量的测量同样有着很重要意义。然而现有的可商用的基于电化学原理的氢传感器，由于潜在的电火花，仍然有***的危险。因此，研究安全、可靠、灵敏度、选择性好和响应回复速度快的气体传感器具有十分重大的意义。
专利CN201310095458公开了一种一种温湿度和气体浓度同时测量的Hybrid光纤光栅传感***，对温度、湿度、气体浓度等物理量进行测量，并对测量的信号进行分析处理，构成温湿度和气体浓度同时测量的Hybrid光纤光栅传感***。其主要采用Hybrid光纤光栅作为传感元件，对温度、湿度和气体浓度进行传感，不仅具有耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰、易复用等特点，还有解调结构简单易于实现等优点，在预防污染、环境健康监测等方面有广泛的应用前景。
伴随着光纤技术和光纤通信技术发展而兴起的光纤传感技术为解决上述问题提供了新的思路。光纤气体传感器以光作为被测信号的载体，对测量对象不产生影响，其自身独立性好，并适应各种使用环境。尽管目前的光纤气体传感器的种类以及方式繁多，其中有长周期光栅(LPFG)、布拉格光纤光栅(FBG)、D型光纤、光子晶体光纤(PCF)、被腐蚀的光纤等，敏感膜的材料也有很多种，例如，ZnO、SnO2、TiO2、MoO3、WO3等，但本发明用一个传感器一条传感线路实现氢气氧气等多气体以及所在环境温度和湿度多参量同时自动化实时测量。从而实现了对氢气运输环境多参量全面的把握。其中温敏液体也有很多种例如，乙醇、甲醇、四氯化碳等。湿度敏感膜也有很多选择包括，PVA、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺等。本***就是将LPFG、敏感材料薄膜、PCF、温敏液体以及光纤和计算机有机结合起来，实现多参量多气体的实时测量装置。本发明不仅可以根据具体环境的需要通过改变气体敏感膜从而实现对不同种类气体的测量还可以根据实际测量需要改变光子晶体光纤的填充液体实现测量参量的转换。
发明内容
本发明的主要目的在于实现了对氢气等易燃易爆气体在运输过程中是否发生泄露的探测，以及对泄漏点的氧气浓度、温湿度等多参量进行全方位实时智能化远距离测量。方便技术工人对气体泄漏点环境的把握，为针对不同氢气泄露情况采取不同的合理化方案提供依据。进而极大地提高了气体检测以及检修的时间和金钱成本。并且本传感器用一路传感线路完成了对多参量的同时测量，极大地简化了传感线路和探测复杂度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***，通过该***实现对氢气、氧气、温度和湿度多参量远距离实时智能测量，该***包括宽带光源(BBS)、3dB耦合器、第一LPFG、第二LPFG、光谱分析仪(OSA)、计算机和PCF。
宽带光源的光谱需要覆盖到第一LPFG、第二LPFG和PCF的光谱范围。
宽带光源(BBS)和第一LPFG通过3dB耦合器连接，PCF和3dB耦合器连接；
第一LPFG和第二LPFG串联连接。第二LPFG和光谱分析仪(5)连接，光谱分析仪和计算机连接。
第一LPFG的表面涂覆有氢气敏感薄膜用以做氢气浓度的检测。
第二LPFG的表面涂覆有氧气敏感薄膜用以做氧气浓度的检测。
光谱分析仪用来探测和分析光谱。
计算机用以存储记录光谱分析仪探测和分析的光谱信息。因为两个LPFG外面涂覆的敏感薄膜材料和传感的机理不同，所以由光谱分析仪OSA探测到的敏感波形所对应的波长不同，从而可以同时作两种气体浓度的检测。
在PCF的纤芯和端面分别填充温敏材料和涂覆湿敏材料做温度和湿度的双参量传感测量。
PCF和第一LPFG、第二LPFG、光谱分析仪(OSA)、计算机是串联连接在一起的。
本发明可以取得如下有益的效果：
本发明将LPFG、PCF、敏感膜、温敏液体和光纤以及计算机有机结合，完成氢气低浓度检测，以及氢气浓度探测点的温湿度和氧气浓度的实时智能化远距离测量。对氢气泄漏点的氧气含量以及周围环境清晰而全面的把握，从而针对氢气泄漏点的具体情况采取相应的措施。并且本传感器用一路串联式传感线路完成了对多参量的同时测量，极大地简化了传感线路，和探测复杂度。进而极大地提高了气体检测以及检修的时间和金钱成本。同时可以根据实际环境的测量需求更换敏感薄膜，实现多气体浓度测量组合。此***旨在提供一种串联式氢气，氧气浓度以及温湿度的多参量探测***不仅可以满足多功能、智能化的要求，而且与光纤遥测技术相配合可实现远距离测量与控制。
附图说明
图1为氢气氧气浓度和温湿度同时测量***的原理布局图。
图2为氢气氧气浓度和温湿度同时测量的装置连接示意图。
图中：1、宽带光源，2、3dB耦合器，3、第一LPFG，4、第二LPFG，5、光谱分析仪，6、计算机，7、PCF。
具体实施方式
下面结合图1对本发明作进一步说明：
本多参量实时远距离自动监测***有两部分构成。一是敏感光纤感应外界环境的变化，另一部分是计算机读取并判断所检测的参量的具体数值。
如图1所示，本***选择宽带光源1来满足对参量测量的光谱需求。用3dB耦合器2将PCF7探测的湿度光谱与第一LPFG3和第二LPFG4所探测的光谱用同一条传输光纤，实现了多参量测量的串联过程。通过在PCF7中填充温敏材料和截面涂覆湿度敏感薄膜做温度和湿度的测量。敏感波长的探测过程为光从BBS1发射出来通过3dB耦合器2传到填充温敏材料的PCF7再经过湿度敏感薄膜反射回3dB耦合器2经第一LPFG3、第二LPFG4最后通过光谱分析仪5、计算机6分别完成对传感光谱的分析与反馈。第一LPFG3和第二LPFG4为气体敏感探头，因此分别在第一LPFG3和第二LPFG4表面镀氢气和氧气的敏感薄膜完成对气体浓度的测量。
为了实现多参量测量光谱分立不交叠，不仅需要考虑两长周期光栅周期匹配以及光栅表面所涂覆敏感材料的种类和厚度而且需选择两长周期光栅合适的连接距离等问题。
这是本***实现直观简单的多参量测量的关键。最后通过光谱分析仪5、计算机6分别完成对光纤中所有传感光谱的分析与反馈。从而实现远距离实时智能化多参量测量。
本多参量测量***也可以做成小型化多参量测量仪表，供实地实时测量。

Claims (3)

1.一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***，其特征在于：该***包括宽带光源(1)、3dB耦合器(2)、第一LPFG(3)、第二LPFG(4)、光谱分析仪(5)、计算机(6)和PCF(7)；
宽带光源(1)的光谱需要覆盖到第一LPFG(3)、第二LPFG(4)和PCF(7)的光谱范围；
宽带光源(1)和第一LPFG(3)通过3dB耦合器(2)连接，PCF(7)和3dB耦合器(2)连接；
第一LPFG(3)和第二LPFG(4)串联连接；第二LPFG(4)和光谱分析仪(5)连接，光谱分析仪(5)和计算机(6)连接；
第一LPFG(3)的表面涂覆有氢气敏感薄膜用以做氢气浓度的检测；
第二LPFG(4)的表面涂覆有氧气敏感薄膜用以做氧气浓度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***，其特征在于：在PCF(7)的纤芯和端面分别填充温敏材料和涂覆湿敏材料，做温度和湿度的双参量传感测量。
3.根据权利要求1所述的一种串联式氢气氧气浓度和温湿度同时测量***，其特征在于：
本***选择宽带光源(1)来满足对参量测量的光谱需求；用3dB耦合器(2)将PCF(7)探测的湿度光谱与第一LPFG(3)和第二LPFG(4)所探测的光谱用同一条传输光纤，实现了多参量测量的串联过程；通过在PCF(7)中填充温敏材料和截面涂覆湿度敏感薄膜做温度和湿度的测量；敏感波长的探测过程为光从BBS(1)发射出来通过3dB耦合器(2)传到填充温敏材料的PCF(7)再经过湿度敏感薄膜反射回3dB耦合器(2)经第一LPFG(3)、第二LPFG(4)最后通过光谱分析仪(5)、计算机(6)分别完成对传感光谱的分析与反馈；第一LPFG(3)和第二LPFG(4)为气体敏感探头，因此分别在第一LPFG(3)和第二LPFG(4)表面镀氢气和氧气的敏感薄膜完成对气体浓度的测量。
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