[发明专利]一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于硫化氢气体浓度在线监测仪器，特别适用于光纤消逝场与硫化氢气体反应的不规则孔光纤硫化氢气体浓度测量装置及测试方法。

背景技术

硫化氢气体是一种无色、有臭鸡蛋气味的有毒气体，0.1%——0.15%的硫化氢顷刻间就能致人死亡。同时，硫化氢气体还是腐蚀性极强的气体，钢结构在微量硫化氢气体作用下也能发生较强的腐蚀。硫化氢气体广泛产生于炼钢、炼油、造纸、染料、制药和制革等多种生产过程中，因此，必须对有硫化氢气体产生的生产过程进行硫化氢气体浓度检测，以保障人员和设备安全。

国内外对硫化氢气体浓度检测已有很多报道，常采用碘量法、亚甲基蓝法、醋酸铅反应速率法、检测管比长法等电化学法来检测硫化氢气体浓度。电化学法具有反应速度快、体积小、成本低的优点，但气体分子与敏感电极之间的反应使测量基准漂移，同时在电磁场干扰严重的恶劣工作环境中，电化学传感器信号很难远程传输。由于光纤抗电磁干扰能力强、能远程传输巨量信息形成检测网络，因此，光纤硫化氢气体浓度检测技术成为各国大力发展的关键技术。光纤光谱吸收法是检测硫化氢气体浓度的重要方法。它利用光纤中传播的光场与硫化氢气体作用，改变传播光强来检测硫化氢气体浓度，该方法具有反应快、抗腐蚀抗电磁干扰能力强的优点。

经对现有的国内外公开文献报道检索表明：利用光纤光谱吸收检测硫化氢气体浓度的方法是：将1575纳米波长的光穿过通有硫化氢气体的气室，硫化氢气体对该波长的光具有较强的吸收作用，通过检测吸收后的光强来检测硫化氢气体的浓度。利用这种方法检测时，光在含硫化氢气体的气室里传播时衰减很大，检测到的光信号微弱；同时为增强吸收效果以提高检测灵敏度，需设计较长的气室增大光程，使得传感器整体体积较大。为增强光吸收信号、减小传感器体积，有研究文献报道：在光纤上涂覆能与硫化氢气体进行可逆反应的有机聚合物，硫化氢气体改变光纤涂覆层的光谱吸收特性，通过检测吸收后的光强来检测硫化氢气体的浓度。这种光纤包层上的有机涂覆层与光纤芯层形成光纤传感区与光纤传光区，在传感区域与传光区域边界处，由于有机聚合物的作用，光的散射损耗大幅增大，使传感器的信噪比大幅降低。

不规则孔光纤是在光纤拉制过程中，在光纤包层形成大小不等的（微米到几十纳米）不规则长孔，长孔构成的孔隙率在光纤芯层、包层之间产生折射率差，使光沿光纤芯层传播。由于包层中有大量小孔，使得不规则孔光纤包层消逝场能与硫化氢气体进行光谱吸收作用，改变不规则孔光纤传播光强，实现硫化氢气体浓度检测。

发明内容

本发明的目的是：为解决硫化氢气体检测技术中信噪比小，灵敏度低的问题，特提供一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置及测试方法。

本发明由于不规则孔光纤较大的孔隙率，可实现较强的硫化氢气体光谱吸收以减小气室长度，使本发明的硫化氢气体浓度测量装置体积小、稳定性好。

为了实现上述目的，本发明的目的由以下技术措施实现：一种不规则孔光纤的硫化氢气体浓度测量装置：包括光源及偏光系统、马赫-曾德干涉仪、气室装置和光电信号转换与处理装置，其结构特征是：光源及偏光系统包括激光器、起偏器、透镜A，激光器输出光波长为1575nm，起偏器采用TE或TM偏振，激光器发出的光经光纤由起偏器起偏后，经透镜A聚焦后输入马赫-曾德干涉仪；马赫-曾德干涉仪包括分束器、输入耦合元件、不规则孔光纤、参考臂光纤、输出耦合元件和合束器，分束器安装在透镜A之后，分束器将透镜A输入的偏振光分成等光强的两束光输出，分束器两个输出端装在输入耦合元件上，分别与装在输入耦合元件上的不规则孔光纤和参考臂光纤的输入端进行耦合，在与待测硫化氢气体作用后，不规则孔光纤和参考臂光纤的输出端在输出耦合元件上分别与合束器的两输入端耦合，分束器为一分二分束器，合束器为一合二合束器，输入耦合元件和输出耦合元件设置在气室装置的基底上，其耦合方式均为V型槽端面对接耦合，参考臂光纤为单模光纤，合束器输出的干涉光输入光电信号转换与处理装置；光电信号转换与处理装置包括透镜B、检偏器、光电二极管和微信号处理器，透镜B安装在合束器之后，其后依次安装检偏器、光电二极管和微信号处理器，透镜B将合束器的输出光聚焦，经检偏后将光强信号转化为电信号，经运算得到待测的硫化氢气体浓度值；气室装置包括气体盒、基底、真空泵接口、针阀A、待测硫化氢气体接口和针阀B，基底安装在气体盒内，真空泵接口设置在气体盒一侧，在真空泵接口上安装针阀A，待测硫化氢气体接口设置在气体盒另一侧，在待测硫化氢气体接口上安装针阀B。