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專利名稱：一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖傳感研究領(lǐng)域，特別涉及一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置。
背景技術(shù)：
甲烷催化氧化法濃度監(jiān)測技術(shù)的工作原理是:利用甲烷催化氧化元件催化甲烷和氧氣發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過監(jiān)測催化劑表面溫度得到甲烷濃度值。由于甲烷催化劑的活性溫度高于室溫很多，需要將催化劑溫度加熱到其活性溫度以上。傳統(tǒng)的方法是將催化劑連接上電線，通電加熱。這種傳統(tǒng)的方法要電源供電，存在產(chǎn)生電火花的安全隱患，能耗較大，需要經(jīng)常更換電池，維護(hù)周期短。光熱光纖是一種通過對(duì)光纖摻雜，將在光纖內(nèi)傳播的光能轉(zhuǎn)換為熱能的光纖。在光纖傳感領(lǐng)域，光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)由于其對(duì)溫度、應(yīng)力、折射率變化非常敏感，而成為業(yè)內(nèi)一個(gè)非常重要的傳感器件。FBG反射光譜的中心波長與光纖芯層的有效折射率成正比，而光纖芯層的有效折射率受外界的溫度、應(yīng)力影響，因此測量出FBG反射光譜的中心波長的變化就可以知道光纖溫度的變化。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，該裝置是在光熱光纖的包層外部鍍上甲烷催化劑，然后用光加熱，使甲烷催化劑的溫度達(dá)到其活化溫度以上，進(jìn)而進(jìn)行甲烷濃度傳感，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積較小的優(yōu)點(diǎn)，適用于需要小型化、遠(yuǎn)程在線監(jiān)測甲烷氣體的領(lǐng)域。本實(shí)用新型的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，包括加熱光源、檢測光源、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、甲烷傳感元件和波長檢測儀，其中加熱光源、檢測光源、光纖環(huán)形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環(huán)形器還分別與甲烷傳感元件、波長檢測儀連接；所述甲烷傳感元件包括光熱光纖和鍍?cè)诠鉄峁饫w包層外部的甲烷催化劑鍍層，光熱光纖纖芯層上刻有光纖光柵；工作時(shí)，光熱光纖吸收加熱光源發(fā)出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發(fā)甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應(yīng)，檢測光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器和光纖環(huán)形器進(jìn)入甲烷傳感元件，被光纖光柵濾波并反射，反射光經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入波長檢測儀；波長檢測儀用于檢測出反射光的波長。優(yōu)選的，所述光熱光纖長度小于lcm。優(yōu)選的，所述甲烷催化劑鍍層的材料為鈀或鉬。上述裝置采用以下的方法，包括以下步驟:甲烷催化劑鍍層鍍?cè)诠鉄峁饫w包層表面；使用光熱光纖作為光熱轉(zhuǎn)換元件使甲烷催化劑鍍層溫度達(dá)到活性溫度以上；甲烷催化劑鍍層催化甲烷進(jìn)行緩慢氧化反應(yīng)，緩慢氧化反應(yīng)放熱使光熱光纖溫度進(jìn)一步升高；光熱光纖內(nèi)部刻寫上光纖光柵；利用光纖光柵檢測溫度，通過數(shù)據(jù)標(biāo)定，最終計(jì)算得到甲烷濃度。具體的，包括以下步驟:(I)將甲烷傳感元件置于待檢測氣體中；(2)開啟加熱光源和檢測光源，其中光熱光纖吸收加熱光源發(fā)出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發(fā)甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)放出的熱量進(jìn)一步提高光熱光纖的溫度，使得光纖光柵特征反射波長進(jìn)一步向長波方向移動(dòng)；檢測光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器和光纖環(huán)形器進(jìn)入甲烷傳感元件，被光纖光柵濾波并反射，反射光的波長為光纖光柵的特征反射波長，反射光經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入波長檢測儀；所述加熱光源的波長設(shè)置在光熱光纖的吸收帶內(nèi)并且不覆蓋光纖光柵的特征反射波長，檢測光源的波長范圍覆蓋光纖光柵的特征反射波長；(3)波長檢測儀檢測出反射光的波長，然后通過數(shù)據(jù)標(biāo)定，計(jì)算出甲烷濃度。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:1、本實(shí)用新型中適用于甲烷濃度檢測，與傳統(tǒng)的甲烷濃度檢測方案相比，本實(shí)用新型的采用光纖傳感元件，尺寸很小，采用全光結(jié)構(gòu)，暴露在甲烷氣體中的傳感元件不需要電子元器件，不會(huì)受外界電磁干擾，也不會(huì)產(chǎn)生電火花等安全隱患。2.、本實(shí)用新型中甲烷催化劑直接鍍?cè)诠鉄峁饫w表面，和以往的催化劑和傳感元件分離的方案相比，傳感靈敏度提高非常多。3、本實(shí)用新型采用光纖結(jié)構(gòu)，傳感信號(hào)能傳輸很長距離，可以做到遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外采用的光纖光柵比較容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)甲烷傳感元件的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)傳感鏈路。

圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型中甲烷傳感元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1如圖1所示，一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，包括加熱光源1、檢測光源2、光纖耦合器3、光纖環(huán)形器4、甲烷傳感元件5和波長檢測儀6，其中加熱光源1、檢測光源2、光纖環(huán)形器4均分別與光纖耦合器3連接，光纖環(huán)形器4還分別與甲烷傳感元件5、波長檢測儀6連接。具體是，光纖耦合器3包括3個(gè)接口，其中加熱光源I與光纖耦合器3的a 口 3-1光連接，檢測光源2與光纖耦合器3的b 口 3-2光連接，光纖環(huán)形器4與光纖耦合器3的c 口 3-3光連接。光纖環(huán)形器4同樣有3個(gè)接口，其中，甲烷傳感元件5通過光纖與光纖環(huán)形器4的II 口 4-2光連接，光纖環(huán)形器4的III 口 4-3與波長檢測儀6光連接，光纖環(huán)形器4的I 口 4-1與光纖耦合器3的c 口 3-3光連接。如圖2所不，甲燒傳感兀件5的結(jié)構(gòu)包括光熱光纖5-1,光纖光柵5-4,甲燒催化劑鍍層5-5 ;所述的光纖光柵5-4刻寫在光熱光纖芯層5-2 ;所述的甲燒催化劑鍍層5-5鍍?cè)诠鉄峁饫w包層5-3外部,材料為鈕或鉬；所述的光熱光纖5-1長度為d, d 一般小于1cm。[0023]一種基于上述裝置的利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的方法，包括以下步驟:( I)將甲烷傳感元件5置于待檢測氣體中；(2)開啟加熱光源I和檢測光源2，其中光熱光纖吸收加熱光源I發(fā)出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發(fā)甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)放出的熱量進(jìn)一步提高光熱光纖的溫度，使得光纖光柵特征反射波長進(jìn)一步向長波方向移動(dòng)；檢測光源2發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器3和光纖環(huán)形器4進(jìn)入甲烷傳感元件5，被光纖光柵濾波并反射，反射光的波長為光纖光柵的特征反射波長，反射光經(jīng)過光纖環(huán)形器4進(jìn)入波長檢測儀6 ;所述加熱光源I的波長設(shè)置在光熱光纖的吸收帶內(nèi)并且不覆蓋光纖光柵的特征反射波長，檢測光源2的波長范圍覆蓋光纖光柵的特征反射波長；(3)波長檢測儀6檢測出反射光的波長，然后通過數(shù)據(jù)標(biāo)定，計(jì)算出甲烷濃度。本實(shí)施例中，加熱光源1、檢測光源2、波長檢測儀6、光纖耦合器3、光纖環(huán)形器4均為成熟產(chǎn)品，波長檢測儀6檢測到的光纖光柵5-4的特征反射波長和甲烷濃度的數(shù)據(jù)標(biāo)定算法為現(xiàn)有技術(shù)。上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，其特征在于，包括加熱光源、檢測光源、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、甲烷傳感元件和波長檢測儀，其中加熱光源、檢測光源、光纖環(huán)形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環(huán)形器還分別與甲烷傳感元件、波長檢測儀連接；所述甲烷傳感元件包括光熱光纖和鍍?cè)诠鉄峁饫w包層外部的甲烷催化劑鍍層，光熱光纖纖芯層上刻有光纖光柵；工作時(shí)，光熱光纖吸收加熱光源發(fā)出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發(fā)甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應(yīng)，檢測光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器和光纖環(huán)形器進(jìn)入甲烷傳感元件，被光纖光柵濾波并反射，反射光經(jīng)過光纖環(huán)形器進(jìn)入波長檢測儀；波長檢測儀用于檢測出反射光的波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，其特征在于，所述光熱光纖長度小于1cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，其特征在于，所述甲烷催化劑鍍層的材料為鈀或鉬。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種利用光熱光纖進(jìn)行甲烷濃度傳感的裝置，該裝置包括加熱光源、檢測光源、光纖耦合器、光纖環(huán)形器、甲烷傳感元件和波長檢測儀，其中加熱光源、檢測光源、光纖環(huán)形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環(huán)形器還分別與甲烷傳感元件、波長檢測儀連接。該裝置基于以下方法甲烷催化劑鍍層鍍?cè)诠鉄峁饫w包層表面；使用光熱光纖作為光熱轉(zhuǎn)換元件使甲烷催化劑鍍層溫度達(dá)到活性溫度以上；甲烷催化劑鍍層催化甲烷進(jìn)行緩慢氧化反應(yīng)，緩慢氧化反應(yīng)放熱使光熱光纖溫度進(jìn)一步升高；光熱光纖內(nèi)部刻寫上光纖光柵；利用光纖光柵檢測溫度，通過數(shù)據(jù)定標(biāo)，最終計(jì)算得到甲烷濃度。本實(shí)用新型適用于需要小型化、遠(yuǎn)程在線監(jiān)測甲烷氣體的領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/47GK203053863SQ201320005149
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者周斌, 陳卓, 何賽靈, 高少銳 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)