专利名称：一种光纤光栅传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤光栅传感器，是借助光纤和光纤光栅进行探测甲烷气变化的传 感器，该设备属于传感技术领域。
背景技术：
甲垸(CH4)是矿井瓦斯、天然气、沼气和多种液体燃料的主要成分，是重要的工 业原料和日常生活的燃气，它也是易燃易爆气体，在大气中爆炸的下限为5.3%,上限为 15.0%。同时也被认为是温室效应最主要的气体之一，据报道CH4吸收红外线能力是C02 的15-30倍，占据整个温室贡献量的15%。空气中CH4的浓度每年大约以1%的速度增 长。因此及时检测CH4气体的产生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行、人身安全及环 境保护有着十分重要的作用。《煤矿安全规程》也明文规定要对煤矿中的甲烷含量进行 多点、实时的高精度检测。
目前广丝采用的甲烷测量方法主要有催化氧化法和光学法。其中催化氧化法利用 催化剂催化甲烷和氧气发生氧化反应，将化学能转化为热能，由热敏电阻测出温度的变 化，从而得到甲烷浓度值。该方法」般只能达到0.1%的测量精度，而且电路部分容易受 外界电磁干扰，影响测量准确度；由于需要电源供电，有发出电火花的安全隐患；传感 器容易中毒、对气体的选择性差、易出现误报，而且系统需要频繁校准；该方法也不利
于实现分布式测量。光学法又分为吸收式和干涉式两种，他们分别利用了甲烷红外吸收 特性和甲烷浓度与光折射率存在的关系。干涉型传感器需经常调校，易受其他气体的干
扰，其可靠性及稳定性较差；光谱吸收式测量方法由于需要通过几何光学的方法来增大
光程以提高测量灵敏度，所以集成性相对较差，而且实现分布式测量难度很大。
近几年发展起来的光纤光栅传感器相对于常规传感器具有无可比拟的优点，它灵敏 度高、响应快、动态范围大、不受电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可以实现信号的长距离 传输和现场实施遥测、传感头可以放入恶劣环境中，结构简单，工作稳定可靠并且易于 组成光纤网络传感系统。但目前采用的是宽光源加精密波长解调装置来实现，其设备复 杂，维护成本高，无法满足很多生产生活的实际需要。

发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种测量精度高，易于集成和封装的基于光纤 布拉格光栅的甲垸传感设备。
为此，本发明提出了一种光纤光栅传感器，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤
上的位于测量点的用于甲烷变化的光纤光栅，其特征在于 一该光纤光栅表面镀有一层金属铂，
一光源输出的探测光信号从光纤的称为入射端的一端注入，探测光信号的波长不 在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，
一当被监测甲烷变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长 带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了所述探测光信 号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射或耗 散，即探测光信号的一部分反射或耗散，从而在光纤的入射端的另一端出射端，则探测到 透射光的变化，从而探测到甲烷的变化。
3本发明是探测受监测甲烷变化的一种光纤光栅传感器，是在光纤光栅表面镀有一层金 属铂，其厚度为l-5微米，铂膜层作为催化剂，在催化剂的作用下，待测气体中的甲烷与 空气中的氧气发生氧化反应放出热量，使铂膜附近温度升高，导致光纤光栅也随之改变， 从而使光纤光栅发生轴向应变，导致光纤光栅选择性作用波长带位置漂移，如果在一个光 纤光栅附近的受监测的甲垸发生了变化，且发生的变化达到了我们关心的程度，这时光纤 光栅的选择性作用波长带至少漂移了预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖 了探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定 的反射或耗散，即探测光信号的一部分反射或耗散掉，探测器检测到透射光的变化，这说 明有应力存在，从而可探测到相应甲烷的变化。
在实际工程中，我们常常只需要获取一部分甲垸变化的数据，就可以达到我们的目 标，如在一个需要监测甲垸浓度的现场中的甲垸报警系统中，对不大于0.05%时的甲垸 浓度我们不是迫切需要了解，我们只需设定一个监测报警浓度，如0.1%甲烷浓度，然后 在作为传感器的光纤上的镀有金属铂的光纤光栅，测量出该光纤光栅在0.1%甲垸浓度时 的选择性作用波长带并选取一个波长作为探测光信号的波长，然后根据该波长选择光 源，所述镀有金属铂的光纤光栅在不大于0.05%时的甲烷浓度时，其选择性作用波长带 与选定的探测光信号的波长有波长差，将该传感器安装在监测的地方，在通常情况下， 环境甲烷浓度在不大于0.05%时的甲垸浓度时，注入传感器光纤中的探测光信号在损失 较少的通过了光纤和光纤光栅，在光纤的出射端的探测器可以测得透过光信号的强度， 并以此为基准，只有当测量点处的甲烷浓度接近或达到0.1%甲烷浓度时，该测量点处的 镀有金属铂的光纤光栅选择性作用波长带就会漂移并与探测光信号的波长带交叉重叠， 并对探测光信号产生相当的反射或耗散，这时，探测器上会监测到透过光信号的强度的 明显的变化，从而触发了甲垸浓度报警条件，达到了监测的目的。
在实际工程条件下，仅监测甲烷浓度的一个量值常常是不够的，所以可以设置波长不 同的多个探测光信号，就可以监测甲烷浓度多个量值，同时就可以看出测量点甲烷浓度变 化的趋势，以便更好的监测。


图1是表示一个布拉格光栅的反射光谱、 一个探测光信号的光谱及两者的关系图； 图2是表示一个长周期光纤光栅的透射光谱、 一个探测光信号的光谱及两者的关系
图3是表示有关本发明的第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图； 图4是表示有关本发明的第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图； 图5是表示有关本发明的第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图中3， 3a, 3b， 3n—光源，
9a， 9b —光分路器，
5 —镀有金属铂的光纤光栅 6， 6a， 6b， 6n—光探测器，
7— 光纤，
8— 光开关，
10a， 10b， 10n—固定式滤波器。
具体实施方式
图1中的曲线1示意性地表示了一个布拉格光栅的反射光谱，A i和、分别是该布拉 格光栅反射波长的下限和上限波长，在这两个波长内所有的波长都是布拉格光栅可以反射 的波长，这里称为反射波长带。曲线2示意性地表示了一个探测光信号的光谱，i^3和"
分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，A 2和A 3之间的距离就是所述的预设波长差。
图2中的曲线11示意性地表示了一个长周期光纤光栅的透射光谱，、和入2分别是 该长周期光纤光栅耦合衰减波长的下限和上限波长，长周期光纤光栅对在这两个波长内所 有的波长都是有衰减的，这里称为耗散波长带。曲线2示意性地表示了一个探测光信号的
光谱，入3和入4分别是该探测光信号的下沿和上沿波长，入2和入3之间的距离就是所述的 预设波长差。
第一实施方式
图3是表示第一实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第一实施方式的光纤光栅 传感器由光源3、光探测器6、位于测量点处用于监测甲烷浓度变化的镀有金属钼的光纤 光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。
从光源3输出的探测光信号，探测光信号的波长不在镀有金属铂的光纤光栅5的选 择性作用波长带内，并与之有预设的波长差值，探测光信号通过光纤7和光纤光栅5， 并由光探测器6检测探测光信号的强度，在被监测甲烷浓度无变化或变化未达到我们关 心的程度时，探测光信号的波长不在位于测量点的镀有金属铂的光纤光栅5的选择性作 用波长带内，即光纤光栅5并不对探测光信号反射或耗损，这时光探测器6探测到是基 本无衰减的光信号，并将该强度作为基准，当被监测点的甲垸浓度变化到我们关心的程 度时，位于所述测量点的镀有金属铂的光纤光栅5的选择性作用波长带至少漂移了所述 的预设波长差值，这时所述的选择性作用波长带至少覆盖了探测光信号波长带的一部分， 该光纤光栅5就对探测光信号产生了相当的反射或耗散，这时光探测器6检测到探测光 信号的强度有明显的变化，从而检测到甲烷浓度的变化。
第二实施方式
图4是表示第二实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第二实施方式的光纤光栅 传感器由光源3a、光源3b、光源3n、光探测器6、光开关8、位于测量点用于监测甲垸 浓度变化的镀有金属铂的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。
从光源3a、光源3b、光源3n输出的不同波长的探测光信号，探测光信号的波长均 不在镀有金属铂的光纤光栅5的选择性作用波长带内，并与之有不同的预设波长差值， 光开关8可以选择不同光源的探测光信号通过光纤7和光纤光栅5，到达光探测器6，这 时光探测器6探测到是基本无衰减的光信号，并将该强度作为基准，被监测甲烷浓度的 变化会引起镀有金属铂的光纤光栅5的选择性作用波长带的漂移，当选择性作用波长带 漂移了不同的预设波长差值时，我们可以检测到输入的不同的探测光信号的强度变化， 这样就可以检测到甲烷浓度变化的多个量值。
第三实施方式
图5是表示第三实施方式的光纤光栅传感器的结构框图。第三实施方式的光纤光栅 传感器由光源3a、光源3b、光源3n、滤波器10a、滤波器10b、滤波器10n、光探测器 6a、光探测器6b、光探测器6n、光分路器9a、光分路器9b、位于测量点用于监测甲垸 浓度变化的镀有金属铂的光纤光栅5以及光纤7构成。各部件之间以光纤连接。
从光源3a、光源3b、光源3n输出的不同波长的探测光信号，探测光信号的波长均 不在光纤光栅5的选择性作用波长带内，并与之有不同的预设波长差值，探测光信号通
5过光分路器9a，再通过光纤7、光纤光栅5和光分路器9b，分别通过不同的滤波器进入 到不同的探测器，每个滤波器与光源是一一对应的，且仅允许对应波长的探测光信号通 过，将其他的探测光信号过滤掉，并将甲垸浓度未变化时各个探测光信号的强度作为基 准，被监测甲烷浓度的变化会引起镀有金属铂的光纤光栅5的选择性作用波长带的漂移， 当选择性作用波长带漂移了所述的不同预设波长差值时，就会引起不同的探测光信号强 度的变化，所有的探测光信号透过光纤7和光分路器9b，分别通过不同的滤波器进入到 不同的探测器，探测器将这时的各个探测光信号的强度与对应的基准强度比较，这样我 们就可以检测到甲垸浓度变化的多个量值。
可见，根据本发明的探测的方法比现有技术的方法简单。
当然，本发明并不限于前面所介绍的实施方式，我们可以将整个装置用另一种等价装 置代替，而不超出本发明的范围。
权利要求
1. 一种光纤光栅传感器，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷浓度变化的光纤光栅，其特征在于一该光纤光栅表面镀有一层金属铂，一光源输出的探测光信号从光纤的称为入射端的一端注入，探测光信号的波长不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与所述的选择性作用波长带有预设波长差值，一当被监测甲烷浓度变化达到一定量值时，位于测量点处的镀有金属铂的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使该选择性作用波长带至少覆盖了所述探测光信号波长带的一部分，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射或耗散，即探测光信号的一部分反射或耗散掉，探测器检测到光纤出射端探测光信号强度的变化，从而探测到所述甲烷浓度的变化。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感器，其特征在于多个光源从光纤的称为入射 端的一端注入多个探测光信号，其波长均不在所述反射波长带内，并与反射波长带有不同的 预设波长差值，从而可以探测出测量点处甲垸浓度变化的多个量值。
全文摘要
本发明涉及一种光纤光栅传感器，包括光源、光纤、探测器和安置于光纤上的位于测量点的用于监测甲烷浓度变化的镀有金属铂的光纤光栅，其特征在于一光源输出的探测光信号从光纤入射端注入，探测光的波长不在光纤光栅的选择性作用波长带内，并与选择性作用波长带有预设波长差值，一当被监测甲烷浓度变化达到一定量值时，位于测量点处的光纤光栅的选择性作用波长带至少漂移了上述的预设波长差值，从而使选择性作用波长带与探测光信号波长带交叉重叠，这时，该测量点处的光纤光栅就对探测光信号产生了一定的反射或耗散，探测器检测到出射端探测光信号强度的变化，从而探测到所述甲烷浓度的变化。
文档编号G01B11/16GK101424629SQ200810232238
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月12日 优先权日2008年11月12日
发明者兵 杜 申请人:西安金和光学科技有限公司