目前,各种燃料如汽油、煤油、光油被用在许多领域使我们的生活舒适。然而,燃料泄漏产生许多严重的问题,如污染土壤或水下爆炸,燃烧在加油站或油罐。防止这样的严重的问题,快速和安全检测燃料泄漏点的强烈要求。当然,不用说,光学传感是最安全的方法 1, 2),迄今为止,几个光学传感系统,如光学时域反射计(OTDR))和多点传感器系统研究[ 3, 4]。然而,考虑到实际应用在一个加油站油罐,更简单和低成本的要求。从这个背景,我们试图开发一个非常简单的、低成本的光传感系统检测土壤中泄漏的燃料。因此,我们主要用POF,因为它有很多优势,如成本低、从容处理,对电磁干扰的免疫力 5]。POF的系统由传输线,几个POF-type传感器头,和一个光电二极管。根据初步研究,某些种类的聚合物如聚异戊二烯(PIP)引起肿胀的附件燃料分子,然后改变其折射率显著( 6]。基于这种现象,POF-type传感器头检测汽油是制造和测试。特别,缩小的模型检测传感系统的燃料泄漏统一桑迪和粘质土壤从理论和实验上研究了。本文报道其对实际系统的开发基本属性。

这里的模型被认为是示意图见图 1。从这个图我们可以看到,该光学传感系统由传输线的POF,几个POF-type传感器头,和一个LED光电二极管。此外,其系统假设POF是埋在地下,但不是受到如此大的压力,会变形明显断裂和破碎程度,不能恢复原来的形状和状态。这种模式似乎适合实际情况在加油站或油罐。主管POF-type传感器的传感原理是基于包覆层的膨胀现象。当暴露在汽相烷烃或汽油,PIP薄膜的折射率和厚度5呢 μ米从1.52降低到1.48,如图 2。图中的实线 2显示了理论上的折射率的变化 n ( t ) 使用后,计算一维扩散方程对己烷浓度 N ( t ) 在皮普电影的扩散系数 D = 6 × 1 0 - - - - - - 6 mm / s和之间的关系 N ( t ) 和 n ( t ) ( 7, 8]: (1) ∂ N ( x , t ) ∂ t = D ∂ 2 N ( x , t ) ∂ x 2 。

假设的初始条件 N ( x , 0 ) = 0 和 N ( 0 , t ) = N 0 ,高于一维扩散方程的解决方案很容易获得如下: (2) N ( x , t ) = N 0 ( 1 - - - - - - 2 π ∫ 0 x / ( 2 D t ) e - - - - - - α 2 d α ) 。

然后,随着肿胀电影随密度增加 N ( x , t ) , n ( x , t ) 可以表示由以下方程: (3) n ( x , t ) = n 0 n ∞ ( N 0 ) ( n 0 - - - - - - n ∞ ( N 0 ) ) N ( x , t ) / N 0 + n ∞ ( N 0 ) , 在哪里 n 0 折射率在哪里 N ( x , 0 ) 和 n ( N 0 ) 是最后一个吗 N ( x , ∞ ) = N 0 。

考虑POF结构变化的传感器头组成膨胀聚合物复合和有机玻璃(PMMA)核心的折射率 n 1 = 1.490 ,最初的折射率( n 2 )在包覆层必须设置略比啤酒价值 n 1 在纤维芯 8]。因此,皮普的混合物和polyvinylidenfluoride (PVDF)以5比2被认为是一个敏感的熔覆层。裸露的PMMA的核心是通过删除商业化POF的熔覆层没有夹克(Mitsubushi-Rayon ESKA)等有机溶剂的意思是1,4 -二恶烷。大约15分钟浸在20°C和擦拭了包覆聚合物溶解使用软组织使我们容易获得裸PMMA芯表面光滑。皮普/ PVDF(5: 2)包覆聚合物溶解在二甲亚砜(DMSO)和浸涂在光秃秃的PMMA芯直径约1毫米。它的厚度大约是5 μm。根据这些条件,传感器的重复性制造变得非常高。被暴露在己烷蒸气时,熔覆层的折射率改变了从1.492到1.455,也显示在图吗 2。从这个结果,很明显,POF-type传感器头变化迅速泄漏其结构类型来引导的。

首先,传感器头长度为50毫米测试来确认其操作甚至波长地区拥有大量传播损失。所以一个蓝色LED作为光源。图 3己烷和汽油蒸汽阶段显示了结果。从这个图我们可以看到,在透射光强度发生较大变化基于POF结构变化从漏水的类型来引导一个是观察实验。此外,该传感器结构给高灵敏度为汽油和己烷和良好的重现性。指这些结果,传感器的头10毫米的长度是正常pof在输入和输出连接到边缘和设置位置 x = 55 mm穿制服的沙质土壤或粘性土,如图 4。在这里,光反射在clad-soil边界被忽视简化分析。在这个图中,()没有燃料的情况下样本,输出光强度 P 一 反射系数很小,因为权力呢 R ( θ ) 在core-clad边界建设成为一个很小的值 8]。另一方面,与燃料样品(b)的情况下,输出光强度 P outB 增加显著,因为它引导结构变化。的价值 P outB / P 一 给出了透射光强度的变化,也就是说,敏感。房地产测量使用光电探测器,其电信号是美联储数字电压表连接到计算机进行实时数据处理,如图 5。在这个实验中,检查水的影响,水和正己烷的混合物作为燃料样品( 7]。获得传感器响应数据所示 6和 7,分别。从这些数据,很明显,透射光强度增加的变化取决于燃料浓度没有接收的影响水和燃料的扩散在粘性土样品要花更长的时间。此外,燃料的扩散系数在均匀土壤样本估计的开始时间在透射光强度增加。例如,它的价值在这里使用统一的沙质土壤决定是0.7毫米²/ s。使用这个值和射线跟踪方法( 8),透射光强度的变化通过传感器头也可以从理论上计算。其结果如图 8。从这个数字是明确的,除了小泡在临界点忽视造成的光反射在clad-soil边界,计算传感器响应同时定性与实验的图所示 6。此外,类似的操作确认的情况下传感器头长120毫米,串联几个传感器头总长度120毫米以下似乎是可能的。

考虑上述传感器的实际应用,发现泄漏点是必要的。因此,POF传感系统多传感器被认为是。其系统示意图见图 9,在上面的配置类型(a)与相同传感器头长度的10毫米和下一个是类型(b)与不同传感器头长度的30毫米,20毫米,分别和10毫米。这个模型也意味着降低传感器模型的燃料泄漏点周围加油站或油舱如图 1。然而,缩短实验时间,这些传感器头被埋在统一的光扩散系数的沙质土壤 D 1 = 80年 米 米 2 / 年代 和120毫米的深度。的价值 D 1 估计实验部分中描述使用相同的方法吗 2。此外,考虑到汽油的定向扩散均匀光沙质土壤,这些值 D 2 和 D 3 也估计的价值 D 1 是30毫米²/秒和10毫米²分别/ s。在这些条件下,一定数量的汽油涌上表面点的封闭圈子,B和C,分别。为了简化分析,我们认为,从每个燃料泄漏点不发生在同一时间。然后,我们可以考虑上述系统的级联连接三个传感器。计算透射光强度变化为每一个泄漏点,B和C所示 10和 11,分别。从这些数据,发现泄漏点的光强变化或C变小了,小的早期阶段,但一个用于燃料泄漏点B增加显著。后来的财产是由于,几分钟后汽油达到第二传感器头,第一个和第三个传感器头作为引导POF几乎同时运作。此外,传感器头长度的差异之间的第一个传感器头和第三个明确光强度水平的变化在早期阶段。从这些结果来看,系统的类型(b)显示一个有用的属性来检测燃料泄漏点。

确认上述特性实验,同样配置的三个传感器头和测量设置。在这个实验中,只有早期的透射光强度变化来衡量,因为连续供应的汽油是困难的。获得的结果数据所示 12和 13,分别。从这些数字是明确的,燃料泄漏的早期实验属性同时定性与计算的。因此,一个非常简单的系统组成的POF传输线和POF-type传感器头显示可能的光学检测燃料泄漏点周围均匀土壤中一个加油站和/或油柜。此外,这个系统将被用来在整个可见区域,因为它即使在蓝色波长。如果从一些点同时发生燃油泄漏,一个复杂的透射光强度的变化将观察到的。这样的反应也给出了一个重要的信息显示同时燃料泄漏点。此外,在考虑这个传感器的实际应用时,应该注意的是,这个传感器系统极大地取决于土壤成汽油的扩散系数。因此,对于实际应用的传感器,应该执行校准通过收集土壤样本的地方这个系统设置和测量土壤样本的扩散系数。然而,当扩散系数不是统一的,传感器的响应可能会变得复杂。因此,我们希望在不久的将来把他们在理论和实验。

非常简单的POF-type光学传感系统的燃料泄漏在均匀土壤,基于传感器头POF结构变化产生的膨胀现象在包覆层,研究了使用一个缩小的模型。其理论和实验结果表明,快速和安全检测汽油泄漏在均匀土壤成为可能没有收到水包含在燃料和土壤的影响。虽然这个系统不适合分布式泄漏探测距离也很长,而这似乎是用于几个点检测在一个加油站和/或油柜。指这些结果,我们现在学习改进的系统,能够用于检测燃料泄漏很多点。其结果我们将在不久的将来。