一种基于光纤传感器的多参量融合检测方法及制作方法

本发明属于光纤传感器检测，具体地说，本发明涉及一种基于光纤传感器的多参量融合检测方法及制作方法。

背景技术：

1、相较于传统电化学检测、气相色谱检测、红外光谱检测等甲酸气体检测技术，光纤气体传感器凭借本质安全、体积小巧、重量轻便、抗电磁干扰、耐腐蚀、可远距离传输、适配恶劣工况等诸多优势，成为微量、痕量气体检测的主流技术方向，被广泛应用于工业现场、密闭空间、大气监测等复杂场景的气体浓度检测。

2、中国专利101044393a提出了一种适用于生物大分子分析的光纤检测装置。该装置中的光纤检测环包括用于引入激发光的光纤、至少两根用作探头的光纤以及用于固定光纤的定位圆环。该定位圆环将所述光纤的一端固定在同一平面上,并且使每一根所述光纤的固定端端面的中心轴都向定位圆环的中心对齐。在该光纤检测装置中,光纤检测环可以与流室结构结合构成光纤检测单元,多个上述光纤述检测单元可以平行扩充形成光纤检测阵列。

3、现有技术中光纤传感器在检测时的抗干扰性较弱，容易收到其它气体、温湿度等因素的影响，这会影响光纤传感器的检测精度。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于光纤传感器的多参量融合检测方法及制作方法，以达到提高光纤传感器检测的抗干扰性和检测精度的技术目的。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、本发明提供一种基于光纤传感器的多参量融合检测方法，包括以下步骤：

4、步骤一：检测目标参量和干扰参量与光纤传感器采集的光谱特性的关系；

5、步骤二：确定光纤传感器的干扰参量；

6、步骤三：建立检测模型，以目标参量和干扰参量为输入，以光谱特性为输出；

7、步骤四：获取当前场景下的已知参量，从预设的多种工作模式中匹配对应检测模式，并将实测波谷波长与波谷透射率代入到检测模型，计算得到待测参量。

8、步骤一中，通过单参量控制实验，分别确定目标参量和每个干扰参量与光谱特性的关系。

9、步骤二中，将对光谱特性影响大的变量确定为干扰变量。

10、步骤三中，确定目标参量为甲酸气体浓度，干扰参量包括温度和相对湿度，光谱特性包括波谷波长和透射率，建立检测模型，包括以下计算公式：

11、；

12、；

13、其中为波谷波长，为透射率，c为甲酸气体浓度，为温度，为相对湿度，为甲酸气体浓度对波谷波长的灵敏度系数，为温度对波谷波长的灵敏度系数，为相对湿度对波谷波长的灵敏度系数，为基准常数，为甲酸气体对透射率的灵敏度系数，为温度对透射率的灵敏度系数，为相对湿度对透射率的灵敏度系数，为基准常数。

14、以标准环境状态作为初始标定条件，确定计算公式内的基准常数。当确定目标参量为甲酸气体浓度，干扰参量包括温度和相对湿度，光谱特性包括波谷波长和透射率时，多种工作模式包括：

15、第一模式：阻断甲酸气体接触传感光纤组件，将甲酸浓度设为固定值，解算得到环境温度与环境相对湿度；

16、第二模式：采用恒温设备维持环境温度恒定，解算得到甲酸浓度与环境相对湿度；

17、第三模式：通过疏水透气膜隔绝水汽，将环境相对湿度设为固定值，解算得到甲酸浓度与环境温度；

18、第四模式：外接辅助传感器采集任意一项参量，代入方程组后解算得到另外两项参量。

19、本发明提供一种应用于基于光纤传感器的多参量融合检测方法得光纤传感器的制作方法，包括以下步骤：

20、步骤一：制备光纤结构；

21、步骤二：制备气敏材料；

22、步骤三：光纤涂敷。

23、步骤一中，在光纤熔接机在两段单模光纤中间熔接无芯光纤。

24、步骤二中，将二硫化钼原材料通过液相超声法处理得到纳米片悬浮液，静置一段时间后，经两层滤纸过滤，得到二硫化钼纳米片分散液。

25、步骤三中，将制备完成的二硫化钼纳米片分散液通过提拉镀膜方式涂覆于无芯光纤表面。

26、本发明的技术效果为：

27、（1）本发明具有多参量同步融合检测、功能适配性强的优点。将原本干扰检测的温度、相对湿度参量转化为可检测参量，构建了甲酸气体浓度、环境温度、环境相对湿度三参量关联检测模型。同时创新设计四种适配不同应用场景的工作模式，可根据现场环境条件灵活切换：通过阻断甲酸气体实现温湿度双检测、恒温条件下实现气湿双检测、隔水汽条件下实现气温双检测、依托辅助传感器实现任意两参量精准解算，能够适配工业车间、博物馆、室内环境等多种复杂场景的检测需求，极大拓展了传感器的功能覆盖面与适用范围。

28、（2）本发明具有抗干扰能力优异、检测准确性高的优点。通过系统性单参量控制实验精准甄别干扰因素，首先通过多类气体选择性测试，证实传感器仅对甲酸气体产生显著响应，彻底排除二甲苯、苯、乙醇、甲醛、乙醚等常规气体的干扰；同时针对性攻克温度、湿度交叉敏感核心难题，不再忽略温湿度对光谱特性的影响，而是通过建立精准的线性拟合数学模型，量化温度、湿度、甲酸浓度对波谷波长和透射率的灵敏度系数，通过算法补偿修正环境干扰带来的检测误差。有效解决了传统单一检测方式下环境干扰导致的检测结果失真、参考价值低的问题，大幅提升复杂工况下的检测稳定性与准确性。

29、（3）本发明具有检测模型精准、标定简单、实用性强的优点。基于大量实验数据构建了双线性方程组检测模型，精准量化了各参量与光谱特性的线性关联关系，明确了甲酸浓度、温度、湿度对应的灵敏度系数与基准常数标定方法，以标准稳态环境为初始标定条件，即可快速完成模型参数校准，建模逻辑清晰、标定流程简便。模型依托光纤光谱双重特征参数构建，利用波长、透射率双维度信息互补校验，打破了单一光谱参数检测的局限性，且模型运算为简单线性计算，无需复杂算法迭代，硬件算力需求低，可实现现场实时快速解算待测参量，适配在线实时监测场景，具备极强的工程落地实用性。

30、（4）本发明具有传感器结构稳定、气敏传感性能优异的优点。通过熔接无芯光纤构建特殊光纤传感结构，搭配液相超声法制备的二硫化钼纳米片气敏材料，结合提拉镀膜工艺实现气敏材料均匀涂覆，保障了传感界面的稳定性与灵敏性。

31、（5）本发明具有场景适配灵活、拓展性与兼容性强的优点。通过简单的物理封装改性适配不同检测模式，如镀石墨烯半透膜阻断甲酸、镀pdms疏水透气膜隔绝水汽，无需改动核心传感结构即可实现检测功能切换，改造成本低、适配效率高。依托光纤传感器本质安全、体积小、重量轻、抗电磁干扰、支持远距离遥感传输的天然优势，本方案可适配工业防爆、复杂电磁环境、远距离分布式监测等特殊场景，具备良好的升级拓展空间与工程应用前景。

32、（6）本发明具有成本可控、检测效率高的优点。需依赖高精度、高成本的多通道独立检测设备，仅通过单根光纤传感器采集光谱双重特征信号，结合自主构建的融合算法即可完成三参量灵活检测，大幅降低了多参量检测的设备成本与部署成本。同时摒弃了传统多传感器分步检测的繁琐流程，单次光谱采集即可完成多参量解算，检测流程简化、响应速度快，有效提升了环境多参量同步监测的工作效率，适合规模化普及应用。