一種光纖混合氣體定量測量系統及測量方法

2023-10-29 09:10:42 2

專利名稱：一種光纖混合氣體定量測量系統及測量方法
技術領域：
本發明屬於氣體測量領域，涉及一種光纖混合氣體測量系統及測量方法。
背景技術：
光譜吸收型光纖氣體傳感器現有技術分析
目前的光譜吸收型光纖氣體傳感器主要用於單一氣體測量。普遍存在的 問題是測試靈敏度較低，對環境中不同氣體存在交叉敏感現象，很難實現環 境中多組分混合氣體的測量。為提高系統對不同氣體測量的選擇性，目前常 採用兩種方法
(1) 採用雷射二極體做為探測光源的氣體檢測系統雷射二極體的輸出 光波長範圍很窄，其寬度可以做到比氣體吸收線寬還窄的程度。因此能夠實 現對待測氣體的高選擇性測量，同時測量靈敏度較大。缺點是只能實現單一
(2) 採用可調諧雷射器做為探測光源的氣體檢測系統系統由可調諧激 光器、測量氣室、光電轉換器、信號處理電路及調製信號產生電路構成。其 中可調諧雷射器的調諧範圍可以達到幾百納米。可以實現混合氣體測量。缺 點是價格極其昂貴，極大地限制了其在實際中的應用。當前光纖氣體檢測系 統靈敏度低，成本高，普遍只能測量單一氣體。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種光纖混合氣體定量測量方法，該方法按照以下步驟
(1) 計算機12控制數據採集卡11產生光纖可調諧濾波器(T0F)調製信 號，T0F調製信號經T0F驅動電路10輸入光纖可調諧雷射器1，使光纖可調 諧雷射器1輸出的探測光波長以待測氣體吸收峰為中心，在吸收譜線的線寬 範圍內做正弦調製；
(2) 探測光經光纖耦合器2分成兩路；
(3) 第一路探測光進入測量氣室6，經待測氣體吸收之後會產生與氣體濃 度成正比的二次諧波信號，由第二光電探測器7進行光電轉換，然後由微弱 信號檢測電路8提取二次諧波信號，微弱信號檢測電路8的輸出數據經數據 採集卡11送至計算機12進行分析處理；
(4) 第二路探測光進入光纖光柵陣列3，光纖光柵陣列3置於恆溫箱9 中，探測光經光纖光柵陣列3之後由第一光電探測器4進行光電轉換，第一 光電探測器4輸出為光纖光柵陣列3的透射光譜，由數據採集卡11採集至計 算機12，計算機通過監測分析光纖光柵陣列3透射光譜的形狀，調整控制T0F 調製信號的大小，使TOF輸出光中心波長始終以待測氣體吸收峰為中心，在 待測氣體吸收線寬範圍內穩定地掃描。
一種光纖混合氣體定量測量系統，該系統包括光纖可調諧雷射器l、 光纖耦合器2、光纖光柵陣列3、第一光電探測器4、探測器驅動電路5、測 量氣室6、第二光電探測器7、微弱信號檢測電路8、恆溫箱9、 T0F驅動電 路10、數據採集卡11和計算機12;計算機12控制數據採集卡11產生T0F 調製信號，TOF調製信號經TOF驅動電路10輸入光纖可調諧雷射器1，光纖 可調諧雷射器1在T0F驅動電路10的作用下輸出波長調製的探測光，探測光經光纖耦合器2分成兩路，其中一路探測光進入測量氣室6，經待測氣體吸 收之後由第二光電探測器7進行光電轉換，然後由微弱信號檢測電路8提取 二次諧波信號的幅值，微弱信號檢測電路8的輸出經數據採集卡11送至計算 機12進行分析處理；另一路探測光進入光纖光柵陣列3，經光纖光柵反射之 後由第一光電探測器4進行光電轉換，光電轉換之後的信號由數據採集卡11 採集至計算機12，光纖光柵陣列3置於恆溫箱9中。
所述光纖可調諧雷射器1由980nm泵浦光源101、波分復用器102、光 纖可調諧濾波器103、摻鉺光纖104、第一隔離器105、第二隔離器106、光 纖耦合器107和第三隔離器108組成。980nm泵浦光源101產生的泵浦光經 波分復用器102加至摻鉺光纖104，摻鉺光纖產生自發輻射的寬帶光，經過 第一隔離器105、光纖耦合器107、第二隔離器106加至光纖可調諧濾波器 103進行選頻，濾波器的出射光經波分復用器102再次進入摻鉺光纖形成正 反饋，產生雷射，雷射經光纖耦合器107、第三隔離器108輸出。
所述測量氣室6包括進氣口 601、出氣口 602、第一光纖準直器603、 第二光纖準直器604、第三光纖準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖 準直器607、第六光纖準直器608。入射光由第一光纖準直器603轉換成平行 光，經過氣室之後，由第二光纖準直器604接收耦合入光纖，同理，經第三 光纖準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖準直器607之後，由第六光 纖準直器608射出氣室。入射光三次通過氣室，延長了氣體吸收光程。
所述微弱信號檢測電路8由前置放大器801、第一帶通濾波器802、放大 器803、第二帶通濾波器804、同步積分器805、鎖相放大器806、低通濾波 器807和參考信號調理電路808組成；微弱信號經前置放大器801、第一帶通濾波器802、放大器803和第二帶通濾波器804輸入同步積分器805;計算 機12輸出信號經數據採集卡11輸入參考信號調理電路808,參考信號調理 電路808輸出的信號分別進入同步積分器805和鎖相放大器806，同步積分 器805輸出的信號輸入鎖相放大器806中，鎖相放大器806輸出的信號進入 低通濾波器807後輸出。
本發明以T0F為調諧元件的可調諧摻鉺光纖雷射器(EDFL)，以此作為探 測光源，探測被測氣體。計算機控制數據採集卡產生TOF調製信號，通過T0F 驅動電路對T0F的中心波長進行調製，使EDFL輸出探測光波長以待測氣體吸 收峰為中心，在吸收譜線的線寬範圍內做正弦調製。探測光經光纖耦合器分 成兩路，其中一路探測光進入測量氣室，經待測氣體吸收之後由光電探測器 2進行光電轉換，然後由微弱信號檢測電路提取與濃度成正比的二次諧波信 號，微弱信號檢測電路的輸出經數據採集卡送至計算機進行分析處理。另一 路探測光進入光纖光柵陣列，經光纖光柵反射之後由光電探測器1進行光電 轉換，光電轉換之後的信號由數據採集卡採集至計算機。
不同氣體有不同的吸收光譜。儘管不同氣體的吸收光譜可能發生交疊現 象，但是對於每種氣體某單個吸收線來講，與氣體吸收線重合或交疊的概率 幾乎為零。因此，探測光波長在被測氣體吸收線寬內調製的的特點，使得系 統對環境中不同氣體具有極高的測試選擇性，消除了傳統氣體檢測系統中對 不同氣體交叉敏感的現象。
此外，經證明，波長調製的探測光經待測氣體吸收後光信號中的二次諧 波分量與待測氣體濃度成正比關係，信號中不存在背景信號。而在傳統的直 接光譜吸收法中，信號中往往存在與被測氣體濃度不相關的較強的背景信號，該背景信號會極大地影響系統的測試靈敏度。因此，本發明中通過對探測光 進行波長調製，消除背景信號影響，對提高系統的測試靈敏度有著極重要的 意義。
EDFL輸出探測光的中心波長由T0F控制。壓電陶瓷(PZT)驅動式T0F 的輸出光中心波長和控制電壓之間的關係是非線性的。為穩定T0F輸出光調 制中心及調製寬度，系統引入參考光纖光柵，其中心波長對應待測氣體吸收 譜線。探測光以氣體吸收譜線為中心掃描時，光電探測器l輸出為光纖光柵 的透射光譜，通過監測光纖光柵透射光譜，可以控制TOF輸出中心波長始終 以待測氣體吸收峰為中心，在待測氣體吸收線寬範圍內穩定地掃描。光纖光 柵置於恆溫箱中，用於保證其中心波長穩定，同時可使其中心波長準確與待 測氣體吸收峰對準。恆溫箱內的溫度由計算機控制。
本發明以同步累積器為核心的微弱信號檢測電路。對系統在小濃度輸入 氣體情況下，系統的微弱響應信號實現了高靈敏度測量。
本發明的光纖氣體檢測系統靈敏度高、成本低、能夠測試光纖混合氣體、 測試結果精度高、該系統適用領域廣，具有良好的應用前景。


圖l為本發明的系統結構圖2為本發明的光纖可調諧雷射器示意圖3為本發明的氣室結構圖4為本發明的微弱信號檢測電路圖5為本發明的T0F控制電壓波形及光纖光柵透射光譜圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述
參見圖1、 2、 3、 4、 5， 一種光纖混合氣體定量測量系統，該系統包括
光纖可調諧雷射器l、光纖耦合器2、光纖光柵陣列3、第一光電探測器4、 探測器驅動電路5、測量氣室6、第二光電探測器7、微弱信號檢測電路8、 恆溫箱9、 TOF驅動電路10、數據釆集卡11和計算機12;計算機12控制數 據採集卡11產生T0F調製信號，T0F調製信號經T0F驅動電路10輸入光纖 可調諧雷射器1，光纖可調諧雷射器1探測被測氣體，光纖可調諧雷射器1 在TOF驅動電路10的作用下輸出探測光，探測光經光纖耦合器2分成兩路， 其中一路探測光進入測量氣室6，經待測氣體吸收之後由第二光電探測器7 進行光電轉換，然後由微弱信號檢測電路8提取二次諧波信號，微弱信號檢 測電路8的輸出經數據採集卡11送至計算機12進行分析處理；另一路探測 光進入光纖光柵陣列3,經光纖光柵反射之後由第一光電探測器4進行光電 轉換，光電轉換之後的信號由數據採集卡11採集至計算機12，光纖光柵陣 列3置於恆溫箱9中。
所述光纖可調諧雷射器1由980nm泵浦光源101、波分復用器102、光纖 可調諧濾波器103、摻鉺光纖104、第一隔離器105、第二隔離器106、光纖 耦合器107和第三隔離器108組成。980nm泵浦光源101產生的泵浦光經波 分復用器102加至摻鉺光纖104，摻鉺光纖產生自發輻射的寬帶光，經過第 一隔離器105、光纖耦合器107、第二隔離器106加至光纖可調諧濾波器103 進行選頻，濾波器的出射光經波分復用器102再次進入摻鉺光纖形成正反饋， 產生雷射，雷射經光纖耦合器107、第三隔離器108輸出。
所述測量氣室6包括進氣口 601、出氣口 602、第一光纖準直器603、第二光纖準直器604、第三光纖準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖準 直器607、第六光纖準直器608。入射光由第一光纖準直器603轉換成平行光， 經過氣室之後，由第二光纖準直器604接收耦合入光纖，同理，經第三光纖 準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖準直器607之後，由第六光纖準 直器608射出氣室。入射光三次通過氣室，延長了氣體吸收光程。
所述微弱信號檢測電路8由前置放大器801、第一帶通濾波器802、放大 器803、第二帶通濾波器804、同步積分器805、鎖相放大器806、低通濾波 器807和參考信號調理電路808組成；微弱信號經前置放大器801、第一帶 通濾波器802、放大器803和第二帶通濾波器804後進入同步積分器805;計 算機12控制數據採集卡11輸出參考信號，經參考信號調理電路808後分別 進入同步積分器805和鎖相放大器806，同歩積分器805輸出的方波信號經 鎖相放大器806後轉換成直流信號，鎖相放大器806輸出的信號經低通濾波 器807濾波後輸出至計算機。
光纖可調諧雷射器1:可調諧光譜範圍1525 1610nm，輸出波長帶寬 0-0.04nm，輸出光功率大於5mW;光電探測器雪崩光電探測器(APD);乙 炔中心波長1530.27nm，帶寬0. 13nm，反射率95%; —氧化碳中心波長 1567. 90ran，帶寬0. 21匿，反射率97%; 二氧化碳中心波長1572. 18nm，帶 寬0.22nm，反射率97%;恆溫箱溫度波動士rC;測量氣室內徑30咖， 長度為30cm，等效光程90cm，總傳輸損耗1. 5dB;數據採集卡USB-6251，
16位模擬輸入，採集速率最大L25MS/S;微量進樣器最小刻度0.1ul;
本發明對乙炔、 一氧化碳、二氧化碳、氨氣、硫化氫和碘化氫氣體進行
測量結果如下乙炔測量分辨力0. 5ppm，量程0-1000ppm; 一氧化碳測量分辨力50ppm，量程0-5000ppm;
二氧化碳測量分辨力50ppm，量程0-10%;
氨氣測量分辨力2ppm，量程0-1000ppm; 硫化氫測量分辨力30卯m，量程0-3000ppm; 碘化氫測量分辨力10卯m，量程0-1000ppm;
以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明， 不能認定本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通 技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演 或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。
權利要求
1、一種光纖混合氣體定量測量方法，其特徵在於，該方法按照以下步驟(1)計算機(12)控制數據採集卡(11)產生TOF調製信號，TOF調製信號經TOF驅動電路(10)輸入光纖可調諧雷射器(1)，使光纖可調諧雷射器(1)輸出的探測光波長以待測氣體吸收峰為中心，在吸收譜線的線寬範圍內做正弦調製；(2)探測光經光纖耦合器(2)分成兩路；(3)第一路探測光進入測量氣室(6)，經待測氣體吸收之後會產生與氣體濃度成正比的二次諧波信號，經氣體吸收後的探測光由第二光電探測器(7)進行光電轉換，然後由微弱信號檢測電路(8)提取二次諧波信號的幅值，微弱信號檢測電路(8)的輸出數據經數據採集卡(11)送至計算機(12)進行分析處理；(4)第二路探測光進入光纖光柵陣列(3)，光纖光柵陣列(3)置於恆溫箱(9)中，探測光經光纖光柵陣列(3)之後由第一光電探測器(4)進行光電轉換，第一光電探測器(4)輸出為光纖光柵陣列(3)的透射光譜，由數據採集卡(11)採集至計算機(12)，計算機通過監測分析光纖光柵陣列(3)透射光譜的形狀，調整控制TOF調製信號的大小，使TOF輸出光中心波長始終以待測氣體吸收峰為中心，在待測氣體吸收線寬範圍內穩定地掃描。
2、 一種光纖混合氣體定量測量系統，其特徵在於，該系統包括光纖可調諧雷射器(l)、光纖耦合器(2)、光纖光柵陣列(3)、第一光電探測器(4)、探測器驅動電路(5)、測量氣室(6)、第二光電探測器(7)、微弱信號檢測電路(8)、恆溫箱(9)、 TOF驅動電路(IO)、數據採集卡(11)和計算機(12);計算機(12)控制數據採集卡(ll)產生T0F調製信號，T0F調製信號經TOF驅動電路(IO)輸入光纖可調諧雷射器(l)，光纖可調諧雷射器(l)在T0F驅動電路(IO)的作用下輸出探測光，探測光經光纖耦合器(2)分成兩路，其中一路探測光進入測量氣室(6)，經待測氣體吸收之後由第二光電探測器(7)進行光電轉換，然後由微弱信號檢測電路(8)提取二次諧波信號的幅值，微弱信號檢測電路(8)的輸出經數據採集卡(11)送至計算機(12)進行分析處理；另一路探測光進入光纖光柵陣列(3)，經光纖光柵反射之後由第一光電探測器(4)進行光電轉換，光電轉換之後的信號由數據採集卡(11)採集至計算機(12)，光纖光柵陣列(3)置於恆溫箱(9)中。
3、 根據權利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統，其特徵在於，所述光纖可調諧雷射器(l)由980nm泵浦光源(101)、波分復用器(102)、光纖可調諧濾波器(103)、摻鉺光纖(104)、第一隔離器(105)、第二隔離器(106)、光纖耦合器(107)和第三隔離器(108)組成；980nm泵浦光源(101)產生的泵浦光經波分復用器(102)加至摻鉺光纖(104)，摻鉺光纖產生自發輻射的寬帶光，經過第一隔離器(105)、光纖耦合器(107)、第二隔離器(106)加至光纖可調諧濾波器(103)進行選頻，濾波器的出射光經波分復用器(102)再次進入摻鉺光纖形成正反饋，產生雷射，雷射經光纖耦合器(107)和第三隔離器(108)輸出。
4、 根據權利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統，其特徵在於，所述測量氣室(6)包括進氣口(601)、出氣口(602)、第一光纖準直器(603)、第二光纖準直器(604)、第三光纖準直器(605)、第四光纖準直器(606)、第五光纖準直器(607)和第六光纖準直器(608);入射光由第一光纖準直器(603)轉換成平行光，經過氣室之後，由第二光纖準直器(604)接收耦合入光纖，再經第三光纖準直器(605)接收耦合入光纖、第四光纖準直器(606)接收耦合入光纖、第五光纖準直器(607)接收耦合入光纖之後，由第六光纖準直器(608)射出氣室。
5、根據權利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統，其特徵在於，所述微弱信號檢測電路(8)由前置放大器(801)、第一帶通濾波器(802)、放大器(803)、第二帶通濾波器(804)、同步積分器(805)、鎖相放大器(806)、低通濾波器(807)和參考調理電路(808)組成；微弱信號經前置放大器(801)、第一帶通濾波器(802)、放大器(803)和第二帶通濾波器(804)進入同步積分器(805);計算機(12)控制數據採集卡(11)輸出參考信號，經參考信號調理電路(808)後分別進入同步積分器(805)和鎖相放大器(806)，同步積分器(805)輸出的方波信號經鎖相放大器(806)後轉變成直流信號，然後經低通濾波器(807)濾波後輸出至計算機。
全文摘要
本發明公開了一種光纖混合氣體定量測量系統，該系統中計算機控制數據採集卡產生TOF調製信號，TOF調製信號經TOF驅動電路輸入光纖可調諧雷射器，光纖可調諧雷射器在TOF驅動電路的作用下輸出窄帶探測光，探測光經光纖耦合器分成兩路，其中一路探測光進入測量氣室，經微弱信號檢測電路的輸出經數據採集卡送至計算機進行分析處理；另一路探測光進入光纖光柵陣列，經光電轉換之後的信號由數據採集卡採集至計算機完成TOF調製中心和調製寬度的控制。本發明的光纖氣體檢測系統靈敏度高、成本低、能夠測試光纖混合氣體、測試結果精度高、該系統適用領域廣，具有良好的應用前景。
文檔編號G01N21/61GK101532951SQ200910021870
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月3日 優先權日2009年4月3日
發明者暉 丁, 崔俊紅, 梁建奇 申請人:西安交通大學