能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器的製造方法
2023-10-04 21:59:09 2
能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源，輸出控制模塊，光放大器，氣室，光電探測器以及信號處理模塊，寬譜光源的輸出端與控制模塊的輸入端連接，控制模塊的輸出端與光放大器連接的輸入端連接，光放大器的輸出端連接到氣室輸入端上，氣室輸出端與光電探測器的輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊輸入端連接。本發明通過採用輸出控制模塊來選擇波長，並可根據需要改變探測光源的波長，可以測量多種不同的氣體濃度，使用波長選擇控制還能減少光電探測器的使用數量，從而降低成本；再通過光放大器對特徵譜線的強度有放大增強，從而提高信噪比，能夠實現調諧，提高了探測光的抗幹擾能力和靈敏度。
【專利說明】能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像處理【技術領域】，尤其是一種能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器。
【背景技術】
[0002]光纖氣體傳感器的檢測原理是根據光在待測物理參數作用的情況下，待測參數可能引起的光強、波長、頻率、相位等參數的變化，從這些可能變化的光參數中提取被測參數的信息。其一般形式為利用光纖本身的特性或外加敏感元件，將被測信號的變化調製成光參數的變化。因此光纖傳感器中根據光纖所起的作用可分為功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器。非功能性的光纖氣體傳感器中的基本結構是:將光源發射的光作為載波，氣室做為敏感元件，光強變化作為信號被加到光載波上，光纖作為傳輸媒介，再通過光電探測器提出信號，結合光譜知識分析待測氣體的濃度等信息。目前非功能性光纖氣體傳感器存在一些由於其結構特徵所帶來的不足，主要表現在:光源光譜範圍大，信號弱，在噪聲環境下難於提取信號，測量目標單一，一個傳感器只能測量一種目標氣體的相關物理參數。為了解決光纖傳感器系統存在的缺陷，現有技術採用了 一些新的結構和方法，但這些現有技術均存在以下缺點:
1)採用窄線寬光源(如=DFB雷射器)實現目標氣體的非特徵譜線對信號的幹擾。但由於DFB的發射波長具有溫度敏感性，這種傳感器穩定性控制困難；
2)採用F-P無源腔作為濾波結構，實現窄線寬載波。但是由LED光譜線型是高斯性，當特徵譜線位於LED光譜邊緣時，強度極其微弱，在噪聲條件下難於提取信號，這使得只能使用LED中心波長附近的光譜，這種結構一般只能測定一種目標氣體。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，它能實現多種氣體成分濃度測量，且能實現輸出波長可調，使整個系統穩定性好，以克服現有技術的不足。
[0004]本發明是這樣實現的:能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源，輸出控制模塊，光放大器，氣室，光電探測器以及信號處理模塊，寬譜光源的輸出端與控制模塊的輸入端連接，控制模塊的輸出端與光放大器連接的輸入端連接，光放大器的輸出端連接到氣室輸入端上，氣室的輸出端與光電探測器輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊輸入端連接；輸出控制模塊的組成包括波分解復用器，開關陣列和波分復用器，波分解復用器的輸入端與寬譜光源的輸出端連接，波分解復用器輸出端與開關陣列的輸入端連接，開關陣列的輸出端與波分復用器的輸入端連接，波分復用器的輸出端與光放大器連接的輸入端連接。
[0005]所述的光源為發光二極體(LED)，發射光譜半最大全寬(FWHM)在50nm以上。
[0006]所述波分解復用器及波分復用器為熔融拉錐型、介質模型、陣列波導型或光柵型結構；開關陣列為兩個以上結構相同的單列光控開關構成，或一個兩列以上開關組；且開關陣列為磁控開關、光控開關或機械式開關。
[0007]所述的氣室可以是自聚焦透鏡結構，還可以是懷特腔結構。
[0008]工作原理:光源為LED，輻射寬譜光，通過光纖輸入波長控制模塊，根據目標氣體，由波長控制模塊選擇特定波長的光輸出，輸出光變為窄線寬光源，將其經過光放大器放大後，被輸入氣室，當探測光通過氣室後，光譜中的對應待測物特徵譜線的位置發生吸收，表現為光強發生了變化，該光強變化經過光電探測器轉化為電信號再經過A/D轉換、諧波分析等標準的信號分析過程，最後得到待測氣體的濃度。
[0009]與現有技術相比，本發明通過採用輸出控制模塊來選擇波長，並可根據需要改變探測光源的波長，可以測量多種不同的氣體濃度，使用波長選擇控制還能減少光電探測器的使用數量，從而降低成本；再通過光放大器對特徵譜線的強度有放大增強，從而提高信噪t匕，能夠實現調諧，提高了探測光的抗幹擾能力和靈敏度。本發明結構簡單，能實現測量多種氣體成分的復用功能，使用效果好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]附圖1為本發明的工作原理結構示意圖；
附圖2為本發明的實施例1的結構示意圖。
[0011]附圖3為本發明的實施例2的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發明的實施例1:能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器的結構如圖2所示，寬譜光源I的輸出端與控制模塊2的輸入端連接，輸出控制模塊2由波分解復用器7、開關陣列8、波分復用器9和用於連接的光纖構成，開關陣列由η個單列開關構成，解復用器7的輸入端是輸出控制模塊2的輸入端，解復用器7有η個輸出端，通過光纖分別與η個開關的輸入端連接，η個開關的輸出端分別與波分復用器9的η個輸入端連接，通過開關控制某一波長的光進入波分復用器9,波分復用器9的輸出端與光放大器3的輸入端連接,光信號被放大，光放大器3的輸出端連接到氣室4輸入端上,氣室4由兩段光纖10、16, —對自聚焦透鏡12、15，以及一隻開有兩個氣孔13、14的玻璃圓柱筒11構成；光纖10作為氣室4輸入端與自聚焦透鏡12連接，結點位於自聚焦透鏡12的右方焦點12F，通過透鏡12的光變為一組平行光，穿越氣室過程中被氣體部分吸收，平行光到達左端後由自聚焦透鏡15匯聚於焦點15F,並進入光纖16做為氣室4輸出端；氣室4的輸出端與光電探測器5的輸入端連接，光電探測器5的輸出端與信號處理模塊6輸入端連接；當探測光通過氣室後，光譜中的對應待測物特徵譜線的位置發生吸收，表現為光強發生了變化，該光強變化經過光電探測器5轉化為電信號再經過A/D轉換、諧波分析等標準的信號分析過程，最後得到待測氣體的濃度；開關陣列8可以改變探測光源的波長，進而可以測量多種不同的氣體濃度。
[0013]本發明的實施例2:能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器的結構如圖1所不，包括寬譜光源I，輸出控制模塊2,光放大器3,氣室4,光電探測器5以及信號處理模塊6，寬譜光源I的輸出端與控制模塊2的輸入端連接，控制模塊2的輸出端與光放大器3連接的輸入端連接，輸出控制模塊2由波分解復用器7、開關陣列8、波分復用器9和用於連接的光纖構成，開關陣列由η個單列開關構成，解復用器7的輸入端是輸出控制模塊2的輸入端，解復用器7有η個輸出端，通過光纖分別與η個開關的輸入端連接，η個開關的輸出端分別與波分復用器9的η個輸入端連接，通過開關控制某一波長的光進入波分復用器9，波分復用器9的輸出端與光放大器3的輸入端連接,光信號被放大,光放大器3的輸出端連接到氣室4輸入端上，氣室4由兩段光纖17、18，兩個凹面鏡22、23、一隻開有兩個氣孔20、21的玻璃圓柱筒19構成；光纖17 —端作為氣室的輸入端,另一端與凹面鏡鏡準直器24的輸入端連接，輸出端的光在在凹面鏡22、23的反射作用下多次往返穿過氣室最後進入準直器25，準直器25的另一端與光纖18連接作為氣室4的輸出，氣室4輸出端連接光電探測器5的輸入端連接，光電探測器5的輸出端與信號處理模塊6輸入端連接；波分解復用器7及波分復用器9均為波導陣列型(解)波分復用結構，開關陣列8為一個η列的磁控開關組8bI…8bn。
[0014] 上述實施例中，寬譜光源I為發光二級管光源，出射光譜寬50nm以上，輻射光譜符合高斯分布或洛倫茲分布；寬譜光源I發射寬譜光，波分解復用器7通道間隔△ λ，能夠將寬譜光源按照波長間隔為△ λ分成η路窄譜光，根據目標氣體的特徵譜線，將開關陣列8對應的開關設置為開通狀態，其它的開關設置為斷開狀態，控制該路光通過波分復用器9，再被光放大器3放大獲得窄譜寬高強度的理想探測光源，當探測光通過氣室後，光譜中的對應待測物特徵譜線的位置發生吸收，表現為光強發生了變化，該光強變化經過光電探測器5轉化為電信號再經過A/D轉換、諧波分析等標準的信號分析過程，最後得到待測氣體的濃度；開關陣列8可以改變探測光源的波長，進而可以測量多種不同的氣體濃度。
[0015]波分解復用器及波分復用器根據需要可以選擇熔融拉錐型、或介質模型、或陣列波導型、或光柵型結構；開關陣列可以用結構相同的單列光控開關構成，也可以由多列開關組成；開關陣列可以是磁控開關、光控開關、或機械式開關。
[0016]寬譜光源1、光放大器3,氣室4、光電探測器5以及信號處理模塊6均可購自能實現上述功能的常規市售產品。
【權利要求】
1.一種能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源(1)，輸出控制模塊(2),光放大器(3),氣室(4),光電探測器(5)以及信號處理模塊(6),其特徵在於:寬譜光源(I)的輸出端與控制模塊(2)的輸入端連接,控制模塊(2)的輸出端與光放大器(3)連接的輸入端連接，光放大器(3)的輸出端連接到氣室(4)輸入端上，氣室(4)的輸出端與光電探測器(5)的輸入端連接，光電探測器(5)的輸出端與信號處理模塊(6)輸入端連接；輸出控制模塊(2)的組成包括波分解復用器(7)，開關陣列(8)和波分復用器(9)，波分解復用器(7)的輸入端與寬譜光源(I)的輸出端連接，波分解復用器(7)輸出端與開關陣列(8)的輸入端連接，開關陣列(8)的輸出端與波分復用器(9)的輸入端連接，波分復用器(9)的輸出端與光放大器(3)連接的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，其特徵在於:寬譜光源(I)為發光二極體，光譜半最大全寬在50nm以上。
3.根據權利要求1所述的能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，其特徵在於:所述波分解復用器(7)及波分復用器(9)為熔融拉錐型、介質模型、陣列波導型或光柵型結構；開關陣列(8)為兩個以上結構相同的單列光控開關構成，或一個兩列以上開關組；且開關陣列(8)為磁控開關、光控開關或機械式開關。
4.根據權利要求1所述的能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，其特徵在於:光放大器(3)為摻鉺光纖放大器或半導體光放大器。
5.根據權利要求1所述的能測量多種氣體成分的復用式光纖氣體傳感器，其特徵在於:氣室(4)為自聚焦透鏡結構或懷特腔結構。
【文檔編號】G01N21/31GK103954572SQ201410185683
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】白光富, 江陽, 胡林 申請人:貴州大學