專利名稱：一種利用光熱光纖進行甲烷濃度傳感的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光纖傳感研究領域，特別涉及一種利用光熱光纖進行甲烷濃度傳感的裝置。
背景技術：
甲烷催化氧化法濃度監測技術的工作原理是:利用甲烷催化氧化元件催化甲烷和氧氣發生緩慢的氧化反應，將化學能轉化為熱能，通過監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。傳統的方法是將催化劑連接上電線，通電加熱。這種傳統的方法要電源供電，存在產生電火花的安全隱患，能耗較大，需要經常更換電池，維護周期短。光熱光纖是一種通過對光纖摻雜，將在光纖內傳播的光能轉換為熱能的光纖。在光纖傳感領域，光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)由于其對溫度、應力、折射率變化非常敏感，而成為業內一個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。
實用新型內容本實用新型的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種利用光熱光纖進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到其活化溫度以上，進而進行甲烷濃度傳感，具有結構簡單、體積較小的優點，適用于需要小型化、遠程在線監測甲烷氣體的領域。本實用新型的目的通過以下的技術方案實現:一種利用光熱光纖進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、光纖環形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環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在光熱光纖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，光熱光纖吸收加熱光源發出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應，檢測光源發出的光經過光纖耦合器和光纖環形器進入甲烷傳感元件，被光纖光柵濾波并反射，反射光經過光纖環形器進入波長檢測儀；波長檢測儀用于檢測出反射光的波長。優選的，所述光熱光纖長度小于lcm。優選的，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:甲烷催化劑鍍層鍍在光熱光纖包層表面；使用光熱光纖作為光熱轉換元件使甲烷催化劑鍍層溫度達到活性溫度以上；甲烷催化劑鍍層催化甲烷進行緩慢氧化反應，緩慢氧化反應放熱使光熱光纖溫度進一步升高；光熱光纖內部刻寫上光纖光柵；利用光纖光柵檢測溫度，通過數據標定，最終計算得到甲烷濃度。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，引發甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應，氧化反應放出的熱量進一步提高光熱光纖的溫度，使得光纖光柵特征反射波長進一步向長波方向移動；檢測光源發出的光經過光纖耦合器和光纖環形器進入甲烷傳感元件，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，反射光經過光纖環形器進入波長檢測儀；所述加熱光源的波長設置在光熱光纖的吸收帶內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，然后通過數據標定，計算出甲烷濃度。本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果:1、本實用新型中適用于甲烷濃度檢測，與傳統的甲烷濃度檢測方案相比，本實用新型的采用光纖傳感元件，尺寸很小，采用全光結構，暴露在甲烷氣體中的傳感元件不需要電子元器件，不會受外界電磁干擾，也不會產生電火花等安全隱患。2.、本實用新型中甲烷催化劑直接鍍在光熱光纖表面，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、本實用新型采用光纖結構，傳感信號能傳輸很長距離，可以做到遠程監控。另外采用的光纖光柵比較容易實現多個甲烷傳感元件的串聯，實現傳感鏈路。
圖1為本實用新型裝置的結構示意圖；圖2為本實用新型中甲烷傳感元件的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例1如圖1所示，一種利用光熱光纖進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、光纖環形器4均分別與光纖耦合器3連接，光纖環形器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，光纖環形器4與光纖耦合器3的c 口 3-3光連接。光纖環形器4同樣有3個接口，其中，甲烷傳感元件5通過光纖與光纖環形器4的II 口 4-2光連接，光纖環形器4的III 口 4-3與波長檢測儀6光連接，光纖環形器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的結構包括光熱光纖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鍍在光熱光纖包層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，引發甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應，氧化反應放出的熱量進一步提高光熱光纖的溫度，使得光纖光柵特征反射波長進一步向長波方向移動；檢測光源2發出的光經過光纖耦合器3和光纖環形器4進入甲烷傳感元件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，反射光經過光纖環形器4進入波長檢測儀6 ;所述加熱光源I的波長設置在光熱光纖的吸收帶內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，然后通過數據標定，計算出甲烷濃度。本實施例中，加熱光源1、檢測光源2、波長檢測儀6、光纖耦合器3、光纖環形器4均為成熟產品，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據標定算法為現有技術。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種利用光熱光纖進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、光纖環形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環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在光熱光纖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，光熱光纖吸收加熱光源發出的光，使甲烷催化劑鍍層溫度上升到催化劑活化溫度以上，引發甲烷催化劑鍍層表面的甲烷緩慢氧化反應，檢測光源發出的光經過光纖耦合器和光纖環形器進入甲烷傳感元件，被光纖光柵濾波并反射，反射光經過光纖環形器進入波長檢測儀；波長檢測儀用于檢測出反射光的波長。
2.根據權利要求1所述的利用光熱光纖進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.根據權利要求1所述的利用光熱光纖進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。
專利摘要本實用新型公開了一種利用光熱光纖進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、光纖環形器均分別與光纖耦合器連接，光纖環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在光熱光纖包層表面；使用光熱光纖作為光熱轉換元件使甲烷催化劑鍍層溫度達到活性溫度以上；甲烷催化劑鍍層催化甲烷進行緩慢氧化反應，緩慢氧化反應放熱使光熱光纖溫度進一步升高；光熱光纖內部刻寫上光纖光柵；利用光纖光柵檢測溫度，通過數據定標，最終計算得到甲烷濃度。本實用新型適用于需要小型化、遠程在線監測甲烷氣體的領域。
文檔編號G01N21/47GK203053863SQ201320005149
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月5日 優先權日2013年1月5日
發明者周斌, 陳卓, 何賽靈, 高少銳 申請人:華南師范大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
