專利名稱：一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體測量領(lǐng)域，涉及一種光纖混合氣體測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
光譜吸收型光纖氣體傳感器現(xiàn)有技術(shù)分析
目前的光譜吸收型光纖氣體傳感器主要用于單一氣體測量。普遍存在的 問題是測試靈敏度較低，對環(huán)境中不同氣體存在交叉敏感現(xiàn)象，很難實現(xiàn)環(huán) 境中多組分混合氣體的測量。為提高系統(tǒng)對不同氣體測量的選擇性，目前常 采用兩種方法
(1) 采用激光二極管做為探測光源的氣體檢測系統(tǒng)激光二極管的輸出 光波長范圍很窄，其寬度可以做到比氣體吸收線寬還窄的程度。因此能夠?qū)?現(xiàn)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(xiàn)單一
(2) 采用可調(diào)諧激光器做為探測光源的氣體檢測系統(tǒng)系統(tǒng)由可調(diào)諧激 光器、測量氣室、光電轉(zhuǎn)換器、信號處理電路及調(diào)制信號產(chǎn)生電路構(gòu)成。其 中可調(diào)諧激光器的調(diào)諧范圍可以達到幾百納米?？梢詫崿F(xiàn)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(yīng)用。當(dāng)前光纖氣體檢測系 統(tǒng)靈敏度低，成本高，普遍只能測量單一氣體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)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(shù)據(jù)采集卡11產(chǎn)生光纖可調(diào)諧濾波器(T0F)調(diào)制信 號，T0F調(diào)制信號經(jīng)T0F驅(qū)動電路10輸入光纖可調(diào)諧激光器1，使光纖可調(diào) 諧激光器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 范圍內(nèi)做正弦調(diào)制；
(2) 探測光經(jīng)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(jīng)待測氣體吸收之后會產(chǎn)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(zhuǎn)換，然后由微弱 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(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù) 采集卡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置于恒溫箱9 中，探測光經(jīng)光纖光柵陣列3之后由第一光電探測器4進行光電轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡11采集至計 算機12，計算機通過監(jiān)測分析光纖光柵陣列3透射光譜的形狀，調(diào)整控制T0F 調(diào)制信號的大小，使TOF輸出光中心波長始終以待測氣體吸收峰為中心，在 待測氣體吸收線寬范圍內(nèi)穩(wěn)定地掃描。
一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光纖可調(diào)諧激光器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(qū)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、恒溫箱9、 T0F驅(qū)動電 路10、數(shù)據(jù)采集卡11和計算機12;計算機12控制數(shù)據(jù)采集卡11產(chǎn)生T0F 調(diào)制信號，TOF調(diào)制信號經(jīng)TOF驅(qū)動電路10輸入光纖可調(diào)諧激光器1，光纖 可調(diào)諧激光器1在T0F驅(qū)動電路10的作用下輸出波長調(diào)制的探測光，探測光經(jīng)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(jīng)待測氣體吸 收之后由第二光電探測器7進行光電轉(zhuǎn)換，然后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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡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(jīng)光纖光柵反射之 后由第一光電探測器4進行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換之后的信號由數(shù)據(jù)采集卡11 采集至計算機12，光纖光柵陣列3置于恒溫箱9中。
所述光纖可調(diào)諧激光器1由980nm泵浦光源101、波分復(fù)用器102、光 纖可調(diào)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(chǎn)生的泵浦光經(jīng) 波分復(fù)用器102加至摻鉺光纖104，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射的寬帶光，經(jīng)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(diào)諧濾波器 103進行選頻，濾波器的出射光經(jīng)波分復(fù)用器102再次進入摻鉺光纖形成正 反饋，產(chǎn)生激光，激光經(jīng)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(zhuǎn)換成平行 光，經(jīng)過氣室之后，由第二光纖準直器604接收耦合入光纖，同理，經(jīng)第三 光纖準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖準直器607之后，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(diào)理電路808組成；微弱信號經(jīng)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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡11輸入?yún)⒖夹盘栒{(diào)理電路808,參考信號調(diào)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后輸出。
本發(fā)明以T0F為調(diào)諧元件的可調(diào)諧摻鉺光纖激光器(EDFL)，以此作為探 測光源，探測被測氣體。計算機控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生TOF調(diào)制信號，通過T0F 驅(qū)動電路對T0F的中心波長進行調(diào)制，使EDFL輸出探測光波長以待測氣體吸 收峰為中心，在吸收譜線的線寬范圍內(nèi)做正弦調(diào)制。探測光經(jīng)光纖耦合器分 成兩路，其中一路探測光進入測量氣室，經(jīng)待測氣體吸收之后由光電探測器 2進行光電轉(zhuǎn)換，然后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(jīng)數(shù)據(jù)采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(jīng)光纖光柵反射之后由光電探測器1進行光電 轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換之后的信號由數(shù)據(jù)采集卡采集至計算機。
不同氣體有不同的吸收光譜。盡管不同氣體的吸收光譜可能發(fā)生交疊現(xiàn) 象，但是對于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(nèi)調(diào)制的的特點，使得系 統(tǒng)對環(huán)境中不同氣體具有極高的測試選擇性，消除了傳統(tǒng)氣體檢測系統(tǒng)中對 不同氣體交叉敏感的現(xiàn)象。
此外，經(jīng)證明，波長調(diào)制的探測光經(jīng)待測氣體吸收后光信號中的二次諧 波分量與待測氣體濃度成正比關(guān)系，信號中不存在背景信號。而在傳統(tǒng)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(guān)的較強的背景信號，該背景信號會極大地影響系統(tǒng)的測試靈敏度。因此，本發(fā)明中通過對探測光 進行波長調(diào)制，消除背景信號影響，對提高系統(tǒng)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(qū)動式T0F 的輸出光中心波長和控制電壓之間的關(guān)系是非線性的。為穩(wěn)定T0F輸出光調(diào) 制中心及調(diào)制寬度，系統(tǒng)引入?yún)⒖脊饫w光柵，其中心波長對應(yīng)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(jiān)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范圍內(nèi)穩(wěn)定地掃描。光纖光 柵置于恒溫箱中，用于保證其中心波長穩(wěn)定，同時可使其中心波長準確與待 測氣體吸收峰對準。恒溫箱內(nèi)的溫度由計算機控制。
本發(fā)明以同步累積器為核心的微弱信號檢測電路。對系統(tǒng)在小濃度輸入 氣體情況下，系統(tǒng)的微弱響應(yīng)信號實現(xiàn)了高靈敏度測量。
本發(fā)明的光纖氣體檢測系統(tǒng)靈敏度高、成本低、能夠測試光纖混合氣體、 測試結(jié)果精度高、該系統(tǒng)適用領(lǐng)域廣，具有良好的應(yīng)用前景。


圖l為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的光纖可調(diào)諧激光器示意圖3為本發(fā)明的氣室結(jié)構(gòu)圖4為本發(fā)明的微弱信號檢測電路圖5為本發(fā)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(jié)合附圖對本發(fā)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(tǒng)，該系統(tǒng)包括
光纖可調(diào)諧激光器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(qū)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、 恒溫箱9、 TOF驅(qū)動電路10、數(shù)據(jù)釆集卡11和計算機12;計算機12控制數(shù) 據(jù)采集卡11產(chǎn)生T0F調(diào)制信號，T0F調(diào)制信號經(jīng)T0F驅(qū)動電路10輸入光纖 可調(diào)諧激光器1，光纖可調(diào)諧激光器1探測被測氣體，光纖可調(diào)諧激光器1 在TOF驅(qū)動電路10的作用下輸出探測光，探測光經(jīng)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(jīng)待測氣體吸收之后由第二光電探測器7 進行光電轉(zhuǎn)換，然后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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡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(jīng)光纖光柵反射之后由第一光電探測器4進行光電 轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換之后的信號由數(shù)據(jù)采集卡11采集至計算機12，光纖光柵陣 列3置于恒溫箱9中。
所述光纖可調(diào)諧激光器1由980nm泵浦光源101、波分復(fù)用器102、光纖 可調(diào)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(chǎn)生的泵浦光經(jīng)波 分復(fù)用器102加至摻鉺光纖104，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射的寬帶光，經(jīng)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(diào)諧濾波器103 進行選頻，濾波器的出射光經(jīng)波分復(fù)用器102再次進入摻鉺光纖形成正反饋， 產(chǎn)生激光，激光經(jīng)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(zhuǎn)換成平行光， 經(jīng)過氣室之后，由第二光纖準直器604接收耦合入光纖，同理，經(jīng)第三光纖 準直器605、第四光纖準直器606、第五光纖準直器607之后，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(diào)理電路808組成；微弱信號經(jīng)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后進入同步積分器805;計 算機12控制數(shù)據(jù)采集卡11輸出參考信號，經(jīng)參考信號調(diào)理電路808后分別 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(jīng) 鎖相放大器806后轉(zhuǎn)換成直流信號，鎖相放大器806輸出的信號經(jīng)低通濾波 器807濾波后輸出至計算機。
光纖可調(diào)諧激光器1:可調(diào)諧光譜范圍1525 1610nm，輸出波長帶寬 0-0.04nm，輸出光功率大于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%;恒溫箱溫度波動士rC;測量氣室內(nèi)徑30咖， 長度為30cm，等效光程90cm，總傳輸損耗1. 5dB;數(shù)據(jù)采集卡USB-6251，
16位模擬輸入，采集速率最大L25MS/S;微量進樣器最小刻度0.1ul;
本發(fā)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(jié)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(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明， 不能認定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演 或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種光纖混合氣體定量測量方法，其特征在于，該方法按照以下步驟(1)計算機(12)控制數(shù)據(jù)采集卡(11)產(chǎn)生TOF調(diào)制信號，TOF調(diào)制信號經(jīng)TOF驅(qū)動電路(10)輸入光纖可調(diào)諧激光器(1)，使光纖可調(diào)諧激光器(1)輸出的探測光波長以待測氣體吸收峰為中心，在吸收譜線的線寬范圍內(nèi)做正弦調(diào)制；(2)探測光經(jīng)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(jīng)待測氣體吸收之后會產(chǎn)生與氣體濃度成正比的二次諧波信號，經(jīng)氣體吸收后的探測光由第二光電探測器(7)進行光電轉(zhuǎn)換，然后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(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(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)置于恒溫箱(9)中，探測光經(jīng)光纖光柵陣列(3)之后由第一光電探測器(4)進行光電轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡(11)采集至計算機(12)，計算機通過監(jiān)測分析光纖光柵陣列(3)透射光譜的形狀，調(diào)整控制TOF調(diào)制信號的大小，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范圍內(nèi)穩(wěn)定地掃描。
2、 一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括光纖可調(diào)諧激光器(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(qū)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)、恒溫箱(9)、 TOF驅(qū)動電路(IO)、數(shù)據(jù)采集卡(11)和計算機(12);計算機(12)控制數(shù)據(jù)采集卡(ll)產(chǎn)生T0F調(diào)制信號，T0F調(diào)制信號經(jīng)TOF驅(qū)動電路(IO)輸入光纖可調(diào)諧激光器(l)，光纖可調(diào)諧激光器(l)在T0F驅(qū)動電路(IO)的作用下輸出探測光，探測光經(jīng)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(jīng)待測氣體吸收之后由第二光電探測器(7)進行光電轉(zhuǎn)換，然后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(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(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(jīng)光纖光柵反射之后由第一光電探測器(4)進行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換之后的信號由數(shù)據(jù)采集卡(11)采集至計算機(12)，光纖光柵陣列(3)置于恒溫箱(9)中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖可調(diào)諧激光器(l)由980nm泵浦光源(101)、波分復(fù)用器(102)、光纖可調(diào)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(chǎn)生的泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器(102)加至摻鉺光纖(104)，摻鉺光纖產(chǎn)生自發(fā)輻射的寬帶光，經(jīng)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(diào)諧濾波器(103)進行選頻，濾波器的出射光經(jīng)波分復(fù)用器(102)再次進入摻鉺光纖形成正反饋，產(chǎn)生激光，激光經(jīng)光纖耦合器(107)和第三隔離器(108)輸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，其特征在于，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(zhuǎn)換成平行光，經(jīng)過氣室之后，由第二光纖準直器(604)接收耦合入光纖，再經(jīng)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)接收耦合入光纖之后，由第六光纖準直器(608)射出氣室。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，其特征在于，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(diào)理電路(808)組成；微弱信號經(jīng)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(shù)據(jù)采集卡(11)輸出參考信號，經(jīng)參考信號調(diào)理電路(808)后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(jīng)鎖相放大器(806)后轉(zhuǎn)變成直流信號，然后經(jīng)低通濾波器(807)濾波后輸出至計算機。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖混合氣體定量測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)中計算機控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生TOF調(diào)制信號，TOF調(diào)制信號經(jīng)TOF驅(qū)動電路輸入光纖可調(diào)諧激光器，光纖可調(diào)諧激光器在TOF驅(qū)動電路的作用下輸出窄帶探測光，探測光經(jīng)光纖耦合器分成兩路，其中一路探測光進入測量氣室，經(jīng)微弱信號檢測電路的輸出經(jīng)數(shù)據(jù)采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(jīng)光電轉(zhuǎn)換之后的信號由數(shù)據(jù)采集卡采集至計算機完成TOF調(diào)制中心和調(diào)制寬度的控制。本發(fā)明的光纖氣體檢測系統(tǒng)靈敏度高、成本低、能夠測試光纖混合氣體、測試結(jié)果精度高、該系統(tǒng)適用領(lǐng)域廣，具有良好的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者暉 丁, 崔俊紅, 梁建奇 申請人:西安交通大學(xué)