一種增強吸收型氣體檢測系統的製作方法
2023-06-03 01:38:11
一種增強吸收型氣體檢測系統的製作方法
【專利摘要】一種增強吸收型氣體檢測系統，屬光纖氣體檢測【技術領域】。包含分布反饋式雷射器、第一分束器、氣室、第二分束器、第一電探測器、第二光電探測器及單片機等。其中氣室由一個雙纖準直器、一個單纖準直器及帶氣體交換孔的金屬套管組成。分布反饋式雷射器位於第一分束器之前，第一分束器的一輸出端接第一光電探測器另一輸出端接氣室，第二分束器位於氣室後，第二光電探測器位於第二分束器之後。本系統採用的氣室設計，能夠使雷射在氣室內循環傳輸，氣體分子對雷射產生循環吸收從而極大增強吸收信號，兩個光電探測器實現對光信號的光電轉換並由單片機進行採集處理，從而得到氣體濃度信息；本實用新型具有雷射利用率高，性價比高以及靈敏度高的特點。
【專利說明】一種增強吸收型氣體檢測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種增強吸收型氣體檢測系統，即涉及一種光譜吸收式的、增強吸收型的氣體檢測系統，屬於光纖氣體檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002]痕量氣體的高靈敏度分析在科學研究、工農業生產過程中，特別是在聚合物製造、植物研究甚至環境科學等領域中扮演具有極其重要的角色，目前，常用的氣體檢測方法主要有電化學法、露點法、阻容法以及近紅外光譜吸收法，其中近紅外光譜吸收法因其抗電磁幹擾、穩定性好、測量精度高可實現無電檢測等優點在痕量氣體檢測領域得到越來越廣泛的應用，並在一些易燃易爆氣體的存儲等特殊場合發揮著不可替代的作用。
[0003]待測氣體的濃度主要通過檢測氣體分子的雷射吸收量來完成，當雷射通過待測氣體時，雷射與待測氣體分子發生相互作用而產生吸收效應，可用比爾朗伯定律來描述，即It(A) = Ι0(λ)θχρ[-α ( λ )CL]，其中C為待測氣體的濃度，L為有效工作距離，ItU)為經過吸收後的光強，IJ λ)為入射光強，α (λ)為對應波長下的氣體吸收係數，可在資料庫HITRAN2012 中查出。
[0004]((Photonic Sensors》，2012 年，2 卷 I 期，71-76 頁，作者為 Shicong Zhang, QiangWang, Yan Zhang, Fujun Song, Kun Chen, Guoqing Chou, Jun Chang, Pengpeng Wang, DelongKong, Zongliang Wang, Weijie Wang, Yongning Liu, Haiyong Song,題為《Water vapordetect1n systembased on scanning spectra》的文章提出一種基於掃描光譜的水氣檢測系統，該系統採用波長掃描技術和差分法實現了對水氣的濃度檢測，通常近紅外光譜吸收式氣體檢測系統中，氣室中的光都由光纖準直器導入，但是商用光纖準直器的工作距離多小於10cm，這就決定了這一類光纖氣體檢測系統中的有效工作距離不會很長，這就使得系統的檢測靈敏度受到限制。
【發明內容】
[0005]為克服現有相關技術的不足，本實用新型設計了一種增強吸收型氣體檢測系統，旨在突破有限長有效工作距離對檢測靈敏度提升的限制，提供性價比高、光譜雷射利用率高的高靈敏度近紅外光譜吸收法氣體傳感器。
[0006]本實用新型的技術方案是按以下方式實現的:
[0007]—種增強吸收型氣體檢測系統，包括分布反饋式雷射器、第一分束器、氣室、第二分束器、第一光電探測器、第二光電探測器及單片機等，其特徵在於第一分束器的分光比為30%和70%，第二分束器的分光比為10%和90% ;單片機和分布反饋式雷射器相連接，分布反饋式雷射器經光纖和第一分束器的輸入端相連接，第一分束器的30%端經光纖連接到第一光電探測器的輸入端作為參考光，第一分束器的70%端連接到氣室；氣室的輸出端連接到第二分束器的輸入端，第二分束器的90%端回接到氣室的輸入端，第二分束器的10%端連接到第二光電探測器的輸入端，第一、二光電探測器分別經單片機的A/D接口和單片機相連接；
[0008]所述的氣室由一個雙尾纖準直器、一個單尾纖準直器以及側面帶氣體交換孔的金屬套管組成，其中雙纖準直器位於金屬套管的前端並被金屬套管所包裹以構成氣室的輸入端，單纖準直器位於金屬套管的後端並由金屬套管所包裹以構成氣室的輸出端，金屬套管的中間部位側面帶氣體交換孔；
[0009]所述的氣室與第二分束器連接成循環結構，以實現雷射的循環利用，其中雙尾纖準直器的一條尾纖與第一分束器的70%端相連，雙尾纖準直器的另一條尾纖與第二分束器的90%端相連。
[0010]所述的氣室的雙尾纖準直器和單尾纖準直器均為C-1ens型光纖準直器，且有效工作距離在30-100mm內，一般商用化的光纖準直器就能滿足其工作距離，不需要特殊定製。
[0011]所述的分布反饋式雷射器為半導體雷射器，其線寬在MHz量級，相比於掃描範圍分布反饋式雷射器的出射光可視為線狀光譜線，另外還具有功率密度大、驅動方便等優勢。
[0012]所述的分布反饋式雷射器由梯形波電流驅動，梯形波電流由單片機給出，單周期內梯形波電流的上升沿、上底、下降沿、下底所佔的時間比例為1:2:1:2。
[0013]所述的分束器為熔融拉錐型分束器，這類分束器的製作工藝簡單、成本較低、分光比穩定且分光比可選，其中第一分束器的分光比為30%:70%,第二分束器的分光比為10%:90%。
[0014]所述的光電探測器為銦鎵砷光電探測器。
[0015]本實用新型的工作原理如下:增強吸收型氣體檢測系統工作時，由氣室與與第二分束器組成循環結構，單片機為分布反饋式雷射器提供梯形波驅動電流，單片機產生驅動信號用於驅動分布反饋式雷射器，使分布反饋式雷射器輸出波長連續的窄帶雷射，第一分束器將窄帶雷射一分為二，30%端連接第一光電探測器作參考光，70%端連接氣室，雷射與氣體發生相互作用；第二分束器將從氣室導出的雷射一分為二，90%端回接進入氣室雷射再次與氣體發生相互作用，然後進入第二分束器，產生循環吸收直至光強度損耗盡，10%端連接第二光電探測器，在循環過程中第二光電探測器上積累的光作信號光；第一光電探測器和第二光電探測器的輸出信號由單片機採集得到，並進一步反演出氣體濃度信息。
[0016]本實用新型的優點:
[0017]首先，採用的循環結構對雷射進行重複循環利用，提高了雷射的利用效率；其次，克服了光纖氣體檢測系統中有效工作距離短的不足，實現了高靈敏的氣體濃度檢測；第三，梯形波電流用於雷射器的驅動使得電信號的波形調整變得更加方便，第四，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】
[0018]圖1是本實用新型涉及的增強吸收型氣體檢測系統的示意圖。
[0019]其中:1、單片機,2、分布反饋式雷射器,3、第一分束器,4、氣室,5、第二分束器,6、第二光電探測器，7、第一光電探測器。
[0020]【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，但不限於此。
實施例:
[0022]本實用新型實施例如圖1所示:一種增強吸收型氣體檢測系統，包括分布反饋式雷射器2、第一分束器3、氣室4、第二分束器5、第一光電探測器7、第二光電探測器6及單片機I，其特徵在於第一分束器3的分光比為30%和70%,第二分束器5的分光比為10%和90% ;單片機I和分布反饋式雷射器2相連接，分布反饋式雷射器2經光纖和第一分束器3的輸入端相連接,第一分束器3的30%端經光纖連接到第一光電探測器7的輸入端作為參考光，第一分束器3的70%端連接到氣室4 ;氣室4的輸出端連接到第二分束器5的輸入端，第二分束器5的90%端回接到氣室4的輸入端，第二分束器5的10%端連接到第二光電探測器6的輸入端，第一、二光電探測器7和6分別經單片機I的A/D接口和單片機I相連接；
[0023]所述的氣室4由一個雙尾纖準直器、一個單尾纖準直器以及側面帶氣體交換孔的金屬套管組成，其中雙纖準直器位於金屬套管的前端並被金屬套管所包裹以構成氣室的輸入端，單纖準直器位於金屬套管的後端並由金屬套管所包裹以構成氣室的輸出端，金屬套管的中間部位側面帶氣體交換孔；
[0024]所述的氣室與第二分束器連接成循環結構，以實現雷射的循環利用，其中雙尾纖準直器的一條尾纖與第一分束器的70%端相連，雙尾纖準直器的另一條尾纖與第二分束器的90%端相連。
[0025]所述的氣室4的雙尾纖準直器和單尾纖準直器均為C-1ens型光纖準直器，且有效工作距離在30-100mm內，一般商用化的光纖準直器就能滿足其工作距離，不需要特殊定製。
[0026]所述的分布反饋式雷射器2為半導體雷射器，其線寬在MHz量級，相比於掃描範圍分布反饋式雷射器的出射光可視為線狀光譜線，另外還具有功率密度大、驅動方便等優勢。
[0027]所述的分布反饋式雷射器2由梯形波電流驅動，梯形波電流由單片機給出，單周期內梯形波電流的上升沿、上底、下降沿、下底所佔的時間比例為1:2:1:2。
[0028]所述的第一和第二分束器3和5為熔融拉錐型分束器，這類分束器的製作工藝簡單、成本較低、分光比穩定且分光比可選。
[0029]所述的光電探測器6和7為銦鎵砷光電探測器。
【權利要求】
1.一種增強吸收型氣體檢測系統，包括分布反饋式雷射器、第一分束器、氣室、第二分束器、第一光電探測器、第二光電探測器及單片機，其特徵在於第一分束器的分光比為30%和70%，第二分束器的分光比為10%和90% ;單片機和分布反饋式雷射器相連接，分布反饋式雷射器經光纖和第一分束器的輸入端相連接，第一分束器的30%端經光纖連接到第一光電探測器的輸入端作為參考光，第一分束器的70%端連接到氣室；氣室的輸出端連接到第二分束器的輸入端，第二分束器的90%端回接到氣室的輸入端，第二分束器的10%端連接到第二光電探測器的輸入端，第一、二光電探測器分別經單片機的A/D接口和單片機相連接； 所述的氣室由一個雙尾纖準直器、一個單尾纖準直器以及側面帶氣體交換孔的金屬套管組成，其中雙纖準直器位於金屬套管的前端並被金屬套管所包裹以構成氣室的輸入端，單纖準直器位於金屬套管的後端並由金屬套管所包裹以構成氣室的輸出端，金屬套管的中間部位側面帶氣體交換孔； 所述的氣室與第二分束器連接成循環結構，以實現雷射的循環利用，其中雙尾纖準直器的一條尾纖與第一分束器的70%端相連，雙尾纖準直器的另一條尾纖與第二分束器的901%?相連。
2.如權利要求1所述的一種增強吸收型氣體檢測系統，其特徵在於所述的氣室的雙尾纖準直器和單尾纖準直器均為C-1ens型光纖準直器。
3.如權利要求1所述的一種增強吸收型氣體檢測系統，其特徵在於所述的分束器為熔融拉錐型分束器。
4.如權利要求1所述的一種增強吸收型氣體檢測系統，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】G01N21/31GK203949864SQ201420342381
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】常恆泰, 常軍, 王強, 賈傳武, 姜浩, 朱存光 申請人:山東大學