[发明专利]基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体传感装置，尤其是一种基于悬挂芯光纤的分布式气体传感器装置。

背景技术

易燃、易爆、有毒气体的生产、运输及使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸等事故，严重危害人民的生命和财产安全。当泄漏事故发生后需要迅速寻找泄漏点。通常由于管线或井道较长、泄漏点隐蔽等原因，漏点的位置较难确定。因此，进行气体的分布式测量对于确定气体的漏点具有重要意义。众所周知，光纤气体传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、可远距离在线测量等特点。先前技术也出现了利用光纤研制分布式气体传感器的例子。例如：周孟然等利用多个气体吸收池，结合传导光纤研制了分布式光纤传感瓦斯气体系统(分布式光纤传感瓦斯气体系统的研究，中国安全科学学报，2007，17(8)，167-170)。这些传感装置利用光纤通过不同的原理(例如气体吸收或者干涉原理)实现了气体泄漏的分布式测量，但是传感装置结构设计复杂，体积大，分布点受光纤数目的限制。该类传感器以光纤裸漏纤芯为传感单元，纤芯直径一般较小，所以强度差，不能大范围裸漏。传感部位必须置于样品室或者套管内，否则容易受损，这又增加了传感器的体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构集成、感应面积大的基于悬挂芯光纤的分布式光纤气体传感器。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的光纤分布式气体传感器包括光源、光时域反射计、耦合连接器和光纤；所述的光纤由标准光纤和与标准光纤耦合的悬挂芯光纤构成；所述的悬挂芯光纤的纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，所述一维孔道的形状为圆形或者“D”形，纤芯的折射率高于包层的折射率，纤芯紧贴悬挂于一维孔道内壁或部分嵌于包层内，在整个悬挂芯光纤长度范围内的包层上带有裸露结构。

本发明还可以包括：

1、所述的裸露结构是在包层上开有侧抛口的连续分布结构。

2、所述的裸露结构是在包层上间隔开有微孔的点分布结构。

3、在悬挂芯光纤的纤芯表面有气体敏感层。

4、所述的气体敏感层是采用这样的方法得到的Pt/WO3敏感层：将0.5M的Na₂WO₄·H₂O溶液通过阳离子交换树脂过滤，得到透明的黄色溶液，将起催化作用的4ml含0.125M的Pt(NH₃)₂(NO₂)₂以及H₂PtCl₆的溶液、8ml EtOH加入13ml上述透明液体中，悬挂芯光纤先用碱液处理，然后浸泡在上述配好的溶液中，并以1cm/s的速度缓慢提拉，形成膜后在室温下干燥2h，在马富炉内烧结1h，温度为500℃，最后在光纤表面形成Pt与W的摩尔比为1∶13的敏感膜。

本发明提供了一种结构集成、感应面积大的全光纤倏逝波气体在线传感器。

本发明涉及的传感光纤具备悬挂芯光纤的结构特征。该光纤显著的特点是纤芯与包层间具有一条延光纤轴向的一维孔道，其形状可以为圆形或者“D”形，孔道可以位于光纤内部的各个位置。高折射率纤芯紧贴孔道内壁并悬挂于孔道内的任意位置(部分嵌于包层之中)，围成孔道的微管为低折射率的光纤包层，光纤的端面如图1所示。该悬挂光纤一端焊接标准光纤，并进行熔融拉锥，提高光耦效率(如图2)。在整个悬挂光纤长度范围内，光纤包层带有裸露结构，其分布可以是连续或者为点分布，这可以使气体进入光纤内部，并将悬挂纤芯暴露于气体氛围之中(如图3)。对于具有敏感性的分子，可以在悬挂光纤纤芯表面修饰气体敏感层，以增加传感器灵敏度。这种悬挂的光纤结构既可以使气体与纤芯接触，也可以使纤芯得到保护，提高传感光纤的强度。

本发明的光纤分布式气体传感器包括光源、光时域反射计、耦合连接器、悬挂芯光纤。光源发出的光经过标准光纤后被耦合进入裸露的悬挂芯光纤或者外面包有敏感层的悬挂芯光纤。当悬挂芯光纤上的某个位置接触到泄露气体时，在纤芯表面对倏逝波产生吸收或者引起纤芯表面敏感层折射率变化，由此引起该处光纤特征改变。利用光时域反射计测量瑞利背向散射信号，获取光纤各点损耗信息，从而判断气体泄漏点位置。

本发明以悬挂光纤为传感单元，实现了多点检测的分布式传感器设计，通过技术成熟的光时域反射计与悬挂芯光纤的结合，实现光波信号的调制，同时代替了传统的气室结构，省略了光纤与气室的光路准直、耦合连接等部分，显著简化了结构设计以及传感器的体积。该传感器可以对矿井、输气管道等多种场合进行布设长距离传感装置，对气体泄漏做出快速响应并对漏点做出准确判断。

附图说明