專利名稱：一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于硫化氫氣體濃度在線監(jiān)測(cè)儀器，特別適用于光纖消逝場(chǎng)與硫化氫氣體反應(yīng)的不規(guī)則孔光纖硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
硫化氫氣體是一種無色、有臭雞蛋氣味的有毒氣體，O. 1%——O. 15%的硫化氫頃刻間就能致人死亡。同時(shí)，硫化氫氣體還是腐蝕性極強(qiáng)的氣體，鋼結(jié)構(gòu)在微量硫化氫氣體作用下也能發(fā)生較強(qiáng)的腐蝕。硫化氫氣體廣泛產(chǎn)生于煉鋼、煉油、造紙、染料、制藥和制革等多種生產(chǎn)過程中，因此，必須對(duì)有硫化氫氣體產(chǎn)生的生產(chǎn)過程進(jìn)行硫化氫氣體濃度檢測(cè)，以保障人員和設(shè)備安全。
國內(nèi)外對(duì)硫化氫氣體濃度檢測(cè)已有很多報(bào)道，常采用碘量法、亞甲基藍(lán)法、醋酸鉛反應(yīng)速率法、檢測(cè)管比長(zhǎng)法等電化學(xué)法來檢測(cè)硫化氫氣體濃度。電化學(xué)法具有反應(yīng)速度快、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但氣體分子與敏感電極之間的反應(yīng)使測(cè)量基準(zhǔn)漂移，同時(shí)在電磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重的惡劣工作環(huán)境中，電化學(xué)傳感器信號(hào)很難遠(yuǎn)程傳輸。由于光纖抗電磁干擾能力強(qiáng)、能遠(yuǎn)程傳輸巨量信息形成檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，因此，光纖硫化氫氣體濃度檢測(cè)技術(shù)成為各國大力發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。光纖光譜吸收法是檢測(cè)硫化氫氣體濃度的重要方法。它利用光纖中傳播的光場(chǎng)與硫化氫氣體作用，改變傳播光強(qiáng)來檢測(cè)硫化氫氣體濃度，該方法具有反應(yīng)快、抗腐蝕抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有的國內(nèi)外公開文獻(xiàn)報(bào)道檢索表明利用光纖光譜吸收檢測(cè)硫化氫氣體濃度的方法是將1575納米波長(zhǎng)的光穿過通有硫化氫氣體的氣室，硫化氫氣體對(duì)該波長(zhǎng)的光具有較強(qiáng)的吸收作用，通過檢測(cè)吸收后的光強(qiáng)來檢測(cè)硫化氫氣體的濃度。利用這種方法檢測(cè)時(shí)，光在含硫化氫氣體的氣室里傳播時(shí)衰減很大，檢測(cè)到的光信號(hào)微弱；同時(shí)為增強(qiáng)吸收效果以提高檢測(cè)靈敏度，需設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的氣室增大光程，使得傳感器整體體積較大。為增強(qiáng)光吸收信號(hào)、減小傳感器體積，有研究文獻(xiàn)報(bào)道在光纖上涂覆能與硫化氫氣體進(jìn)行可逆反應(yīng)的有機(jī)聚合物，硫化氫氣體改變光纖涂覆層的光譜吸收特性，通過檢測(cè)吸收后的光強(qiáng)來檢測(cè)硫化氫氣體的濃度。這種光纖包層上的有機(jī)涂覆層與光纖芯層形成光纖傳感區(qū)與光纖傳光區(qū)，在傳感區(qū)域與傳光區(qū)域邊界處，由于有機(jī)聚合物的作用，光的散射損耗大幅增大，使傳感器的信噪比大幅降低。不規(guī)則孔光纖是在光纖拉制過程中，在光纖包層形成大小不等的(微米到幾十納米)不規(guī)則長(zhǎng)孔，長(zhǎng)孔構(gòu)成的孔隙率在光纖芯層、包層之間產(chǎn)生折射率差，使光沿光纖芯層傳播。由于包層中有大量小孔，使得不規(guī)則孔光纖包層消逝場(chǎng)能與硫化氫氣體進(jìn)行光譜吸收作用，改變不規(guī)則孔光纖傳播光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)硫化氫氣體濃度檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決硫化氫氣體檢測(cè)技術(shù)中信噪比小，靈敏度低的問題，特提供一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置及測(cè)試方法。
本發(fā)明由于不規(guī)則孔光纖較大的孔隙率，可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的硫化氫氣體光譜吸收以減小氣室長(zhǎng)度，使本發(fā)明的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置體積小、穩(wěn)定性好。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置包括光源及偏光系統(tǒng)、馬赫-曾德干涉儀、氣室裝置和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置，其結(jié)構(gòu)特征是光源及偏光系統(tǒng)包括激光器、起偏器、透鏡A，激光器輸出光波長(zhǎng)為1575nm，起偏器采用TE或TM偏振，激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖由起偏器起偏后，經(jīng)透鏡A聚焦后輸入馬赫-曾德干涉儀；馬赫-曾德干涉儀包括分束器、輸入耦合元件、不規(guī)則孔光纖、參考臂光纖、輸出稱合兀件和合束器，分束器安裝在透鏡A之后,分束器將透鏡A輸入的偏振光分成等光強(qiáng)的兩束光輸出，分束器兩個(gè)輸出端裝在輸入I禹合兀件上，分別與裝在輸入耦合元件上的不規(guī)則孔光纖和參考臂光纖的輸入端進(jìn)行耦合，在與待測(cè)硫化氫氣體作用后，不規(guī)則孔光纖和參考臂光纖的輸出端在輸出I禹合兀件上分別與合束器的兩輸入端率禹合，分束器為一分二分束器，合束器為一合二合束器，輸入稱合兀件和輸出稱合兀件設(shè)置在氣室裝置的基底上，其耦合方式均為V型槽端面對(duì)接耦合，參考臂光纖為單模光纖，合束器輸出的干涉光輸入光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置；光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置包括透鏡B、檢偏
器、光電二極管和微信號(hào)處理器，透鏡B安裝在合束器之后,其后依次安裝檢偏器、光電二極管和微信號(hào)處理器，透鏡B將合束器的輸出光聚焦,經(jīng)檢偏后將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算得到待測(cè)的硫化氫氣體濃度值；氣室裝置包括氣體盒、基底、真空泵接口、針閥A、待測(cè)硫化氫氣體接口和針閥B，基底安裝在氣體盒內(nèi)，真空泵接口設(shè)置在氣體盒一側(cè)，在真空泵接口上安裝針閥A，待測(cè)硫化氫氣體接口設(shè)置在氣體盒另一側(cè)，在待測(cè)硫化氫氣體接口上安裝針閥B。一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置的測(cè)試方法先接通電源，打開激光器開關(guān)，激光器發(fā)出波長(zhǎng)為1575nm的激光經(jīng)起偏器后形成線偏振光，由透鏡A I禹合進(jìn)入馬赫一曾德干涉儀中傳播；其后將真空泵與真空泵接口聯(lián)接，打開針閥A，關(guān)閉針閥B，啟動(dòng)真空泵,將氣體盒抽真空,使氣體盒內(nèi)真空度為負(fù)50Kpa，然后關(guān)閉針閥A，打開針閥B通入待測(cè)硫化氫氣體，使待測(cè)硫化氫氣體充滿氣體盒，盒內(nèi)壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在壓力作用下待測(cè)硫化氫氣體進(jìn)入不規(guī)則孔光纖包層的長(zhǎng)孔內(nèi)，光纖包層內(nèi)的待測(cè)硫化氫氣體與包層內(nèi)傳播的光消逝場(chǎng)進(jìn)行光譜吸收作用，改變消逝場(chǎng)大小從而改變光纖中傳播的光強(qiáng)；然后將上述光強(qiáng)變化的光導(dǎo)入光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)，由光電二極管檢測(cè)光強(qiáng)變化得到相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)微信號(hào)處理器處理后獲得待測(cè)硫化氫氣體的濃度值；最后關(guān)閉針閥B停止通入待測(cè)硫化氫氣體,將氣體盒抽成真空,使氣體盒內(nèi)真空度為負(fù)50Kpa，將進(jìn)入不規(guī)則孔光纖包層長(zhǎng)孔內(nèi)的待測(cè)硫化氫氣體排出。本發(fā)明具有如下有益效果(I)本發(fā)明是在不規(guī)則孔光纖包層中填充待測(cè)硫化氫氣體，利用硫化氫氣體的光譜吸收特性來檢測(cè)待測(cè)硫化氫氣體濃度，由于不規(guī)則孔光纖包層中含有大量的長(zhǎng)孔，這極大增強(qiáng)了待測(cè)硫化氫氣體與包層消逝場(chǎng)之間的光譜吸收效果，因此相同濃度的硫化氫引起的光強(qiáng)改變更顯著，提高了硫化氫氣體的檢測(cè)靈敏度；例如可以達(dá)到5ppm，甚至可達(dá)2ppm ；(2)本發(fā)明采用傳播波長(zhǎng)為1575nm的不規(guī)則孔光纖，其波長(zhǎng)與硫化氫氣體吸收譜一致，并將不規(guī)則孔光纖作為馬赫-曾德干涉儀的信號(hào)臂，則只有待測(cè)硫化氫氣體能與不規(guī)則孔光纖包層消逝場(chǎng)相互作用引起光強(qiáng)度的變化.檢測(cè)這些變化可得到硫化氫濃度有關(guān)的信息，這消除了其他雜質(zhì)氣體的干擾，提高了氣體的選擇性；(3)本發(fā)明采用的不規(guī)則孔光纖具有較大的孔隙率，有效增大了吸收強(qiáng)度，使氣室長(zhǎng)度更短，傳感器體積小。


圖I本發(fā)明一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中
I、激光器，2、光纖,3、起偏器,4、透鏡A, 5、分束器,6、輸入稱合兀件,7不規(guī)則孔光纖,8、參考臂光纖，9、輸出稱合兀件,10、合束器,11、透鏡B, 12、檢偏器,13、光電二極管，14、微信號(hào)處理器，15、真空泵接口，16、針閥A，17、基底，18、待測(cè)硫化氫氣體接口，19、針閥B，20、氣體盒。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。·本發(fā)明裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖I所示，本發(fā)明裝置的光源及偏光系統(tǒng)由激光器I、起偏器3和透鏡A4組成，激光器I輸出光波長(zhǎng)為1575nm，起偏器3選擇TE或TM偏振。本發(fā)明裝置的硫化氫氣體濃度傳感系統(tǒng)由馬赫-曾德干涉儀和氣室裝置構(gòu)成，光纖2將透鏡A4聚焦后的線偏振光傳入分束器5中，分束器5、輸入稱合兀件6、不規(guī)則孔光纖7、參考臂光纖8、輸出耦合元件9、合束器10—起構(gòu)成馬赫-曾德干涉儀，其中，在輸入耦合兀件6上,分束器5兩輸出端分別與不規(guī)則孔光纖7和參考臂光纖8的輸入端稱合,輸入耦合元件6采用V型槽端面對(duì)接耦合，耦合后的光分別進(jìn)入不規(guī)則孔光纖7和參考臂光纖8，與硫化氫氣體作用后通過輸出耦合元件9耦合進(jìn)入合束器10并產(chǎn)生干涉，干涉后的光由合束器10輸出，輸出f禹合兀件9與輸入I禹合兀件6結(jié)構(gòu)一致并共同固定在基底17上。氣室裝置包括氣體盒20、基底17、真空泵接口 15、針閥A16、待測(cè)硫化氫氣體接口18和針閥B19，氣體盒20采用內(nèi)壁做耐腐蝕處理的鋁合金材料，在氣體盒20的一端，分別設(shè)置真空泵接口 15和待測(cè)硫化氫氣體接口 18，在兩接口上分別設(shè)置針閥A16、針閥B19，關(guān)閉針閥B19，打開針閥A16，可實(shí)現(xiàn)氣體盒抽真空，抽真空完成后關(guān)閉針閥A16，打開針閥B19，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)硫化氫氣體的填充，由于硫化氫氣體的劇毒性，要求氣體盒在一 50KPa (表壓)的真空下，可保壓10分鐘。本發(fā)明裝置的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置包括透鏡B11、檢偏器12、光電二極管13、微信號(hào)處理器14,從合束器10輸出的干涉光由光纖經(jīng)透鏡Bll和檢偏器12后導(dǎo)入光電二極管13，將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入微信號(hào)處理器14中，經(jīng)運(yùn)算得到待測(cè)硫化氫氣體濃度值，也可以將運(yùn)算結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種不規(guī)則孔光纖的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置，包括光源及偏光系統(tǒng)、馬赫-曾德干涉儀、氣室裝置和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置，其特征在于該測(cè)量裝置的光源及偏光系統(tǒng)包括激光器(I)、起偏器(3 )、透鏡A (4 );馬赫-曾德干涉儀包括分束器(5 )、輸入耦合元件(6)、不規(guī)則孔光纖(7)、參考臂光纖(8)、輸出耦合元件(9)和合束器(10)，分束器(5)安裝在透鏡A (4 )之后，分束器(5 )兩個(gè)輸出端裝在輸入耦合元件(6 )上，分別與裝在輸入耦合元件(6)上的不規(guī)則孔光纖(7)和參考臂光纖(8)的輸入端進(jìn)行耦合，不規(guī)則孔光纖(7)和參考臂光纖(8)的輸出端裝在輸出I禹合兀件(9)上分別與合束器(10)的兩輸入端I禹合,分束器(5)為一分二分束器,合束器(10)為一合二合束器,輸入稱合兀件(6)和輸出稱合兀件(9)設(shè)置在氣室裝置的基底(17)上，其耦合方式均為V型槽端面對(duì)接耦合，參考臂光纖(8)為單模光纖，合束器(10)輸出的干涉光輸入光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置；光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置包括透鏡B (11)、檢偏器(12)、光電二極管(13)和微信號(hào)處理器(14)，透鏡B (11)安裝在合束器(10)之后將合束器(10)的輸出光聚焦,其后依次安裝檢偏器(12)、光電二極管(13)和微信號(hào)處理器(14);氣室裝置包括氣體盒(20)、基底(17)、真空泵接口(15)、針閥A (16)、待測(cè)硫化氫氣體接口(18)和針閥B (19)，基底(17)安裝在氣體盒(20)內(nèi)，真空泵接口( 15)設(shè)置在氣體盒(20) —側(cè)，在真空泵接口( 15)上安裝針閥A (16)，待測(cè)硫化氫氣體接口(18)設(shè)置在氣體盒(20)另一側(cè)，在硫化氫氣體接口(18)上安裝針閥B (19)。
2.一種測(cè)量硫化氫氣體濃度的方法，其特征在于使用權(quán)利要求I所述的硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試的過程如下先接通電源，打開激光器(I)開關(guān)，激光器(I)發(fā)出波長(zhǎng)為1575nm的激光經(jīng)起偏器(3)后形成線偏振光，由透鏡A(4)耦合進(jìn)入馬赫一曾德干涉儀中傳播；其后將真空泵與真空泵接口(15)聯(lián)接，打開針閥A (16)，關(guān)閉針閥B (19)，啟動(dòng)真空泵，將氣體盒(20)抽真空，其真空度為-50Kpa，再關(guān)閉針閥A (16)，打開針閥B (19)通入待測(cè)硫化氫氣體，使氣體充滿氣體盒(20 )，其盒內(nèi)壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在壓力作用下待測(cè)硫化氫氣體進(jìn)入不規(guī)則孔光纖(7)包層的長(zhǎng)孔內(nèi)，光纖包層內(nèi)的待測(cè)硫化氫氣體與包層內(nèi)傳播的光消逝場(chǎng)進(jìn)行光譜吸收作用，改變消逝場(chǎng)大小從而改變光纖中傳播的光強(qiáng)；然后將上述光強(qiáng)變化的光導(dǎo)入光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)，光電二極管(13)檢測(cè)光強(qiáng)變化得到相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)微信號(hào)處理器(14)處理后獲得待測(cè)硫化氫氣體的濃度值；最后關(guān)閉針閥B (19)停止通入待測(cè)硫化氫氣體，再將氣體盒(20)抽成真空，使進(jìn)入不規(guī)則孔光纖(7)包層長(zhǎng)孔內(nèi)的待測(cè)硫化氫氣體排出。
3.如權(quán)利要求I所述的測(cè)量裝置在測(cè)試硫化氫氣體濃度中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于硫化氫氣體濃度在線監(jiān)測(cè)的不規(guī)則孔光纖硫化氫氣體濃度測(cè)量裝置及測(cè)試方法。它可解決硫化氫氣體檢測(cè)技術(shù)中信噪比小，靈敏度低的問題。其技術(shù)方案該裝置的光源及偏光系統(tǒng)裝有激光器、起偏器、透鏡A；馬赫-曾德干涉儀裝有分束器、輸入耦合元件、不規(guī)則孔光纖、參考臂光纖、輸出耦合元件和合束器；光電信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理裝置裝有透鏡B、檢偏器、光電二極管和微信號(hào)處理器；氣室裝置裝有氣體盒、基底、真空泵接口、針閥A、硫化氫氣體接口和針閥B。偏振光經(jīng)透鏡聚焦后輸入馬赫-曾德干涉儀，上述光強(qiáng)變化的光導(dǎo)入光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理系統(tǒng)獲得被測(cè)硫化氫氣體濃度值。本發(fā)明能有效增大吸收強(qiáng)度，提高檢測(cè)靈敏度。
文檔編號(hào)G01N21/31GK102914509SQ20121044231
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者唐東林, 賴欣 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)