一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統的製作方法
2023-10-11 23:34:29 1
一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統的製作方法
【專利摘要】一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，屬光纖氣體檢測【技術領域】。包括泵浦光源、波分復用器、計算機等，其中波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出耦合鏡的氣室、可調諧濾波器、光纖耦合器共同構成光纖雷射器的環形腔。石英音叉放置於氣室內的合適位置，用於探測光纖雷射器腔內雷射激發氣體產生的聲波信號；石英音叉探測到的信號由鎖相放大器進一步提取，並通過數據採集卡獲取傳輸給計算機，做氣體濃度反演後獲取氣體濃度信息。結合了光纖雷射技術與光聲光譜氣體檢測技術，本實用新型系統具有高靈敏度、高性價比、成本非常低等特點。
【專利說明】一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，即涉及一種內腔式的、基於光聲光譜氣體檢測技術的氣體檢測系統，屬光纖氣體檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]工業生產過程中，往往需要對某些氣體進行定性甚至定量分析以確保生產安全。而針對一些痕量氣體則需要高靈敏度的氣體檢測裝置，目前，常用氣體檢測方法主要有電化學法、紅外光譜法以及氣相色譜法等，其中紅外光譜法一直備受關注，其關鍵技術有直接光譜吸收技術、差分吸收技術、基于波長掃描的差分吸收技術、諧波檢測技術、內腔式光譜吸收技術以及光聲光譜技術。傳統的吸收技術由於氣體有效吸收光程有限，所以其檢測靈敏度不會很高；內腔式光譜吸收技術將氣室置於光纖雷射器諧振腔內，利用雷射往返振蕩大大增加氣體有效吸收光程，但該技術仍依賴波長掃描技術，需在強背景噪聲中提取極微弱的有效信號，使得提高探測靈敏度受到一定的限制；光聲光譜檢測技術直接測量氣體吸收的光能，可以探測極微弱的吸收，具有較高靈敏度，但現有研究均是基於成品雷射器耦合輸出的雷射作為激發光源，稱合過程損耗很大一部分光能。
[0003]《中國雷射》，2009年，36卷9期，2384-2387頁，作者為賈大功、劉琨、井文才、汪謊、張紅霞、張以謨，題為《基於環腔光纖雷射器的氣體檢測方法》的文章提出一種基於光纖雷射器內腔設計的氣體檢測系統，該系統採用波長掃描技術使光纖雷射器輸出波長覆蓋多個氣體吸收峰，通過對多吸收峰反演濃度取平均值的方法得出對應氣體濃度，該方法相對於利用單個吸收峰來說在檢測靈敏度和精度上都有所提升，然而基于波長掃描技術的直接光譜吸收本身就存在靈敏度低的缺陷，而且傳統氣室為能增加有效吸收光程其尺寸一般不會做太小，這將使得在未來形成產品時存在體積大的缺點。
【發明內容】
[0004]為克服現有相關技術的不足，本實用新型設計了一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統。
[0005]本實用新型系統由以下技術方案來實現:
[0006]一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，包括泵浦光源、波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、氣室、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡、石英音叉、可調諧濾波器、光纖稱合器、光電探測器、數據採集卡、鎖相放大器、計算機，其特徵在於泵浦光源輸出端接波分復用器對應輸入端，波分復用器複合端接稀土摻雜光纖的一端，稀土摻雜光纖的另一端接光隔離器輸入端；輸入I禹合鏡與輸出I禹合鏡的光軸對準分別放置於氣室內的前後端，光隔離器輸出端接氣室內放置的輸入耦合鏡，輸出耦合鏡接可調諧濾波器的輸入端，可調諧濾波器的輸出端接光纖I禹合器的輸入端，光纖I禹合器分光比為90%的一輸出端接波分復用器對應的另一輸入端，光纖稱合器分光比為10%的一輸出端接光電探測器的光輸入端；光電探測器信號輸出端接數據採集卡的模擬輸入端A ;石英音叉置於氣室內的輸入耦合鏡和輸出耦合鏡之間，石英音叉的信號輸出端接鎖相放大器信號輸入端，鎖相放大器的參考信號輸入端接數據採集卡的模擬輸出端B，鎖相放大器的輸出端接數據採集卡的模擬輸入端B ;數據採集卡的模擬輸出端A接可調諧濾波器的控制輸入端；數據採集卡的信號輸入埠通過數據線連接至計算機；
[0007]所述波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出稱合鏡的氣室、可調諧濾波器、光纖稱合器共同構成光纖雷射器的環形腔。
[0008]所述泵浦光源為半導體雷射器。
[0009]所述的稀土摻雜光纖為摻鉺光纖或摻鐿光纖或摻銩光纖或鉺鐿共摻光纖。
[0010]所述石英音叉為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
[0011 ] 所述的光電探測器為銦鎵砷光電探測器。
[0012]所述的波分復用器、光隔離器、光纖稱合器、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡均為普通商用光纖傳感和光通訊器件。
[0013]所述的用於探測光聲信號的石英音叉位於光纖雷射器環形腔內部，光聲信號產生於光纖雷射器腔內；且光纖雷射器腔內光強比雷射器輸出光強大，因此腔內產生的光聲信號較輸出雷射在腔外可激發的光聲信號強。
[0014]所述可調諧濾波器的調諧範圍較大，可覆蓋多個氣體吸收譜線。
[0015]所述氣室可做到很小，需要待測氣體樣本很少。
[0016]本系統工作時，波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入耦合鏡的氣室、可調諧濾波器、光纖耦合器構成光纖雷射器的環形腔；數據採集卡輸出低頻鋸齒波和一定頻率的正弦波疊加信號作為可調諧濾波器的驅動信號，受驅動的可調諧濾波器作為雷射器選頻器件，雷射器腔內形成波長連續的窄帶雷射；腔內雷射經過輸入耦合鏡耦合進入氣室，並通過石英音叉叉股間的縫隙傳輸至輸出耦合鏡，由該輸出耦合鏡耦合傳輸至可調諧濾波器輸入端；光纖雷射器形成的穩定雷射絕大部分經光纖耦合器分光比為90%的輸出端返迴環形腔參與振蕩，另一少部分雷射由光纖I禹合器分光比為10%的輸出端輸出至光電探測器，又經數據採集卡採集，作為雷射輸出檢測、歸一化參考之用；氣室內裝有待測氣體，經過石英音叉叉股間的雷射激發光聲效應，石英音叉探測所產生的聲波信號，並將信號傳輸至鎖相放大器進行諧波檢測；數據採集卡將獲得的數據及必要參考數據傳輸給計算機，做進一步的反演計算，得出相應氣體濃度。由於可調諧濾波器的波長調諧範圍可以做至幾十納米，可以覆蓋多種氣體吸收譜線，所以該系統可以同時檢測多種氣體濃度。
[0017]本實用新型的優點:
[0018]首先，將氣室置於光纖雷射器內部充分利用了一個雷射器所能產生的雷射能量，而且可以提高檢測信號強度；其次，將具有極高檢測靈敏度的光聲光譜氣體檢測技術應用於內腔式氣體檢測系統中，進一步提高整個系統的檢測靈敏度；第三，可調諧濾波器的波長調諧範圍比較寬，可覆蓋多種氣體吸收譜線，進行多氣體檢測；第四，基於石英音叉的光聲光譜檢測技術需要極少量的樣品氣體；第五，系統的構成組件多數為光纖傳感和光通訊常用器件，其成本非常低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型涉及的氣體檢測系統的示意圖。[0020]其中:1、泵浦光源，2、波分復用器，3、稀土摻雜光纖，4、光隔離器，5、氣室，6、石英音叉，7、可調諧濾波器，8、光纖耦合器，9、光電探測器，10、數據採集卡，U、鎖相放大器，12、計算機，13、輸入f禹合鏡，14、輸出f禹合鏡。
[0021]具體實施方法
[0022]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明，但不限於此。
[0023]實施例1:
[0024]如圖1所示，一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，包括泵浦光源1、波分復用器2、稀土摻雜光纖3、光隔離器4、氣室5、輸入稱合鏡13、輸出稱合鏡14、石英音叉6、可調諧濾波器7、光纖耦合器8、光電探測器9、數據採集卡10、鎖相放大器11、計算機12，其特徵在於泵浦光源I輸出端接波分復用器2對應輸入端，波分復用器2複合端接稀土摻雜光纖3的一端,稀土摻雜光纖3的另一端接光隔離器4輸入端,光隔離器4輸出端接氣室5內放置的輸入耦合鏡13，輸入耦合鏡13與輸出耦合鏡14的光軸對準分別放置於氣室5內的前後端；輸出耦合鏡14接可調諧濾波器7的輸入端，可調諧濾波器7的輸出端接光纖耦合器8的輸入端,光纖稱合器8分光比為90%的一輸出端接波分復用器2對應的另一輸入端，光纖稱合器8分光比為10%的一輸出端接光電探測器9的光輸入端；光電探測器9信號輸出端接數據米集卡10的模擬輸入端A ;石英音叉6置於氣室內的輸入f禹合鏡13和輸出耦合鏡14之間，石英音叉6的信號輸出端接鎖相放大器11信號輸入端，鎖相放大器11的參考信號輸入端接數據採集卡10的模擬輸出端B，鎖相放大器11的輸出端接數據採集卡10的模擬輸入端B ;數據採集卡10的模擬輸出端A接可調諧濾波器7的控制輸入端；數據採集卡10的信號輸入埠通過數據線連接至計算機12 ；
[0025]所述波分復用器2、稀土摻雜光纖3、光隔離器4、置入輸入、輸出稱合鏡13、14的氣室5、可調諧濾波器7、光纖耦合器8共同構成光纖雷射器的環形腔。
[0026]所述泵浦光源I為半導體雷射器。
[0027]所述的稀土摻雜光纖3為摻鉺光纖。
[0028]所述石英音叉6為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
[0029]所述的光電探測器9為銦鎵砷光電探測器。
[0030]實施例2:
[0031]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為摻鐿光纖。
[0032]實施例3:
[0033]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為摻錢光纖。
[0034]實施例4:
[0035]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為鉺鐿共摻光纖。
【權利要求】
1.一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，包括泵浦光源、波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、氣室、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡、石英音叉、可調諧濾波器、光纖稱合器、光電探測器、數據採集卡、鎖相放大器、計算機，其特徵在於泵浦光源輸出端接波分復用器對應輸入端，波分復用器複合端接稀土摻雜光纖的一端，稀土摻雜光纖的另一端接光隔離器輸入端；輸入I禹合鏡與輸出I禹合鏡的光軸對準分別放置於氣室內的前後端；光隔離器輸出端接氣室內放置的輸入耦合鏡，輸出耦合鏡接可調諧濾波器的輸入端，可調諧濾波器的輸出端接光纖耦合器的輸入端，光纖耦合器分光比為90%的一輸出端接波分復用器對應的另一輸入端，光纖稱合器分光比為10%的一輸出端接光電探測器的光輸入端；光電探測器信號輸出端接數據採集卡的模擬輸入端A ;石英音叉置於氣室內的輸入耦合鏡和輸出耦合鏡之間，石英音叉的信號輸出端接鎖相放大器信號輸入端，鎖相放大器的參考信號輸入端接數據採集卡的模擬輸出端B，鎖相放大器的輸出端接數據採集卡的模擬輸入端B ;數據採集卡的模擬輸出端A接可調諧濾波器的控制輸入端；數據採集卡的信號輸入埠通過數據線連接至計算機； 所述波分復用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出耦合鏡的氣室、可調諧濾波器、光纖稱合器共同構成光纖雷射器的環形腔。
2.如權利要求1所述的一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，其特徵在於所述泵浦光源為半導體雷射器。
3.如權利要求1所述的一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，其特徵在於所述的稀土摻雜光纖為摻鉺光纖或摻鐿光纖或摻銩光纖或鉺鐿共摻光纖。
4.如權利要求1所述的一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，其特徵在於所述石英音叉為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
5.如權利要求1所述的一種光纖雷射器腔內光聲光譜氣體檢測系統，其特徵在於所述的光電探測器為銦鎵砷光電探測器。
【文檔編號】G01N21/17GK203519485SQ201320605596
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】常軍, 劉永寧, 常恆泰, 王強, 王福鵬, 魏巍, 田長彬 申請人:山東大學