一氧化碳氣體傳感設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一氧化碳氣體傳感設備，包括一個紅外寬帶光源、一個可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個氣體采樣室、一個光電探測裝置以及驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括兩種設計方案：第一種設計方案的主要技術(shù)特點是：包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動源，液晶相位調(diào)制器設置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅腔內(nèi)，驅(qū)動源通過控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶材料的有效折射率實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。第二種設計方案的主要技術(shù)特點與第一種設計方案的區(qū)別是：所述第一帶通濾波器和第二帶通濾波器分別由一個長波通和一個短波通且具有不同截止頻率的階躍式濾波器所替代。
【專利說明】一氧化碳氣體傳感設備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電氣體傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種采用了可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的一氧化碳氣體傳感設備。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外氣體傳感技術(shù)是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關(guān)系(朗伯-比爾Lambert-Beer定律)鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感技術(shù)。它與其它類別氣體傳感技術(shù)如電化學式、催化燃燒式、半導體式等相比具有應用廣泛、使用壽命長、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適合氣體多、性價比高、維護成本低、可在線分析等等一系列優(yōu)點，因此，廣泛應用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。隨著半導體激光器技術(shù)的發(fā)展，在各類紅外氣體傳感技術(shù)中，采用可調(diào)諧激光器的氣體傳感技術(shù)，近幾年來，得到了越來越廣泛的應用。相比于利用寬帶紅外光源和窄帶濾光片的技術(shù)，這種技術(shù)具有低飄移和抗干擾等特點，提供了更加穩(wěn)定和精確的氣體濃度檢測。但是，這種技術(shù)需要高質(zhì)量的可調(diào)諧激光器，因此，價格比較昂貴。另一種可行的技術(shù)是采用寬帶紅外光源和可調(diào)諧窄帶濾光片的技術(shù)，也能提供與采用可調(diào)諧激光器技術(shù)的氣體測量相比擬的穩(wěn)定性和精度。
[0003]在各類濾波器技術(shù)中，傳統(tǒng)的光學法布里-珀羅標準具是一種利用多光束干涉原理制作的窄帶濾波器件，主要有兩種類型:一種是空氣間隔的，一種是光學玻璃間隔的。通過兩個通光面上多層介質(zhì)膜的高反射率所形成法布里-珀羅腔的多光束干涉效應，可以實現(xiàn)在寬頻譜范圍內(nèi)的多波長窄帶濾波輸出，而且具有性能穩(wěn)定、通光孔徑大、光功率破壞閾值高、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等特性，因此，被廣泛應用于各類激光器、光學測量儀器和光纖通訊器件中。
[0004]對于空氣間隔的法布里-珀羅標準具，可通過改變光的入射角度進行調(diào)諧，但是這種方法的調(diào)諧范圍很?。灰部梢圆捎糜脵C械方法(如步進馬達)改變法布里-珀羅標準具的腔長進行調(diào)諧，這種方法可以實現(xiàn)大的調(diào)諧范圍，但調(diào)諧精度低，而且對機械部件的精度要求高，穩(wěn)定性不好。另外，采用PZT壓電陶瓷(鋯鈦酸鉛)技術(shù)通過改變法布里-珀羅標準具的腔長，可以提高調(diào)諧精度和速度，但是不易做到小型化，且驅(qū)動電路也較復雜；改變標準具的溫度也可以實現(xiàn)較大范圍的調(diào)諧，但是，該方法的缺點是速度慢。同時，單一法布里-珀羅標準具的濾波輸出特性是一個光頻率間隔為自由光譜范圍的多模輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用寬帶紅外光源和可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器和光電探測器等來實現(xiàn)高穩(wěn)定性，高精度和低價格的氣體濃度檢測。所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器是將液晶相位調(diào)制器放置在法布里-珀羅標準具的腔內(nèi)實現(xiàn)對透過法布里-珀羅濾波器的線偏振光信號的連續(xù)、快速和精密光頻率調(diào)諧功能，并將法布里-珀羅腔的兩個反射面設置為帶通濾波器或階躍式濾波器和根據(jù)所述帶通濾波器的透射帶寬或所述階躍式濾波器的透射帶寬來設置法布里-珀羅腔的自由光譜范圍來實現(xiàn)法布里-珀羅濾波器的窄帶單模輸出。
[0006]本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種一氧化碳氣體傳感設備包括一個紅外寬帶光源、一個可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個氣體采樣室、一個光電探測裝置以及驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、所述光電探測器的驅(qū)動和信號接收電路以及控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由所述紅外寬帶光源發(fā)出的光首先通過可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器后，通過所述氣體采樣室后被所述第一光電探測裝置接收，由所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行對所檢測的氣體的吸收頻譜進行數(shù)據(jù)分析得到該氣體的濃度。
[0007]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動源，液晶相位調(diào)制器設置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
[0008]而且，所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器是一種在光學透明材料的內(nèi)表面上設置的多層介質(zhì)膜的帶通濾波器并具有相同的透射帶寬，在所述帶通濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對透射光的銳度系數(shù)設置不同的反射率，該反射率設置在80%到98%之間，在通帶以外設置100%或接近100%的反射率，且在光學透明材料的外表面上設置光學增透膜。
[0009]而且，所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器的通帶的中心與所需檢測的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，該通帶的寬度是根據(jù)對氣體測試精度的要求而定，設置為2納米到5納米之間，所述法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍應大于所述的通帶寬度，使得透過所述可調(diào)諧窄帶光學濾波器的光信號為單模光信號。
[0010]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括一個長波通階躍濾波器、液晶相位調(diào)制器、一個短波通階躍濾波器和驅(qū)動源，液晶相位調(diào)制器設置在由所述長波通階躍濾波器和所述短波通階躍濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過控制所述法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
[0011]而且，所述的長波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器是一種在光學透明材料的內(nèi)表面上設置的多層介質(zhì)膜的光學濾波器，所述的長波通階躍濾波器對于小于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率，所述的短波通階躍濾波器對于大于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率；在所述的長波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對透射光的銳度系數(shù)設置不同的反射率，該反射率設置在80和98%之間，且在光學透明材料的外表面上設置光學增透膜。
[0012]而且，所述的長波通階躍濾波器的截止頻率小于所述的短波通階躍濾波器的截止頻率，由所述的長波通階躍濾波器的截止頻率和所述短波通階躍濾波器的截止頻率構(gòu)成所述的法布里-珀羅濾波器的通帶寬度，該通帶的寬度是根據(jù)對氣體測試精度的要求而定，設置在2納米到5納米之間，該通帶的中心與所需檢測的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍大于其通帶范圍，使得透過所述可調(diào)諧窄帶光學濾波器的光信號為單模光信號。
[0013]而且，所述的液晶相位調(diào)制器采用的是向列相型液晶材料，液晶材料的厚度為幾微米至十幾微米。[0014]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器驅(qū)動源是一種頻率約為2KHz，電壓幅度可以在零到正負5伏的可調(diào)制的方波信號，且方波電壓幅度的調(diào)制頻率為10千赫或以上。
[0015]而且，所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括一個以數(shù)字信號處理器以及嵌入式軟件為核心的系統(tǒng)，用于控制所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的驅(qū)動源、所述光電探測器的驅(qū)動和信號接收電路以及接收外界控制信號和輸出信號，以實現(xiàn)對所述紅外氣體傳感設備對所檢測氣體的吸收光譜和濃度的檢測功能。
[0016]而且，所述氣體采樣室的尺寸根據(jù)對所要檢測氣體的濃度和精度等因素決定，一般為幾厘米到幾百厘米長。
[0017]而且，所述紅外寬帶光源的輸出是線偏振光，其光軸與所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的光軸一致，光譜寬度超過5納米，中心波長等于或接近所測氣體吸收光譜帶的中心。
[0018]而且，所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的中心透射波長設置在4.6微米或接近
4.6微米。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
本發(fā)明設計合理，通過對寬帶紅外光信號進行連續(xù)、快速和精密的頻譜調(diào)諧掃描，使其透過可調(diào)諧窄帶濾波器的光是一個可以快速調(diào)諧的窄帶光信號，結(jié)合光電探測器等實現(xiàn)對檢測氣體吸收光譜和氣體濃度的精確檢測。
[0019]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、無機械移動部件、性能穩(wěn)定可靠、成本低、尺寸小、易于安裝及生產(chǎn)等特點，可滿足對于要求尺寸小和極端工作環(huán)境下的可靠運行，可廣泛應用于石油化工、冶金工業(yè)、工礦開采、大氣污染檢測、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是一個普通法布里-珀羅標準具的示意圖；
圖2是液晶相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3是光透過液晶相位調(diào)制器的相位隨外加電場的變化曲線示意圖；
圖4是液晶相位調(diào)制器的驅(qū)動電信號示意圖；
圖5是一種可調(diào)諧布里-珀羅濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是帶通濾波器的示意圖；
圖7是長波通濾波器的示意圖；
圖8是短波通濾波器的示意圖；
圖9是普通法布里-珀羅標準具的透射光譜示意圖；
圖10是可調(diào)諧布里-珀羅濾波器的透射光譜示意圖；
圖11是本發(fā)明的不意圖；
圖12是本發(fā)明的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述。
[0022]圖1給出了一種普通的法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標準具100的示意圖。該法布里-珀羅光標準具100的材料一般在近紅外和可見光波段使用象融石英或BK7這樣的光學玻璃，假設材料的折射率為n，兩個通光面2和4都鍍高反射膜，其反射率為R，厚度為h，光以接近零度的入射角入射，則只有滿足2?=πιλ，才能透過標準具，其中m是透射光的級次。光標準具100的自由光譜范圍FSR1可以表示為:Δ λ = λ V (2nh),或用頻率表示:Δ V =c/ (2nh),其中c是光速。透射光的峰值頻率可以表示為:v =mc/ (2nh)，其中m是干涉級次，透射光的頻率帶寬可以表示為:
Δ v1/2 (FWHM) =c (1-R)/(2nhR1/2)，其中 c 是光速。
[0023]從上述兩個公式可以看出，光標準具100的自由光譜范圍FSR1與厚度為h成反比。假設材料的折射率為n=l.5，要實現(xiàn)FSR1=IOOGHz,厚度h~I毫米。自由光譜范圍FSR1越大，其厚度就越小。在標準具的材料和厚度確定后，透射光的頻率帶寬主要和反射率R有關(guān)，反射率越高，頻率寬帶或銳度(finesse)越小。法布里-拍羅(Fabry-Perot)光標準具的透射光譜的特點是每個透射譜的帶寬可以做到非常窄，透射光譜的頻率間隔相等并且光頻帶寬度非常寬，一般可覆蓋100納米以上的光頻譜帶，如圖9所示。
[0024]由于一般用作光電器件的液晶材料具有高的電阻率，因此，可以被認為是理想的電介質(zhì)材料。由于構(gòu)成分子的有序取向和拉伸延長的形態(tài)，液晶具有各向異性的電介質(zhì)特性和單軸對稱性，就象一個單軸晶體一樣，其光軸的方向與分子的排列取向一致。當液晶分子在外界電場的作用下，會形成電偶極子。在電偶極子所形成的力矩作用下，使得液晶分子的取向轉(zhuǎn)向電場的方向，可以通過改變電場的強弱，改變液晶的光軸的方向。因此，可以利用液晶的這一特性制作光相位調(diào)制器，可調(diào)諧濾波器或其他光電器件，如光開關(guān)和光強調(diào)制器等。一般用作光電器件的液晶膜層的厚度為幾微米到十幾微米。本發(fā)明正是利用液晶在電場作用下對線偏振光的折射率產(chǎn)生改變這一特性設計而成。
[0025]圖2是一個液晶相位調(diào)制器200的結(jié)構(gòu)示意圖，包括外層光學透明材料12和24，透明電極層16和26,隔離層19和液晶層18.—般在光學透明材料12和24的內(nèi)外兩側(cè)表面5和7鍍光學增透膜。液晶相位調(diào)諧器的兩個透明電極16和26與驅(qū)動電路14相連接，由驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動信號在兩透明電極膜層之間形成驅(qū)動電場，利用電場改變Fabry-Perot腔內(nèi)液晶的有效折射率n，來調(diào)節(jié)法布里-珀羅濾波器的透射光的光頻率V和自由光譜范圍。圖3給出了一個厚度約為10微米的`向列相型液晶在2KHz，最大幅度為+/-5伏的方波電壓的驅(qū)動下(如圖4所示)，對光波長為1550納米光波相位變化的關(guān)系示意圖。最大可實現(xiàn)約2 的光相位延遲。
[0026]圖5所示是可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的第一種結(jié)構(gòu)，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300包括第一帶通濾波器10、液晶相位調(diào)制器200、第二帶通濾波器20和驅(qū)動電路14，第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20分別為在光學透明材料9和23的外表面8和22或內(nèi)表面11和21上鍍多層介質(zhì)膜來實現(xiàn)。第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20具有相同的濾波特性，如圖6所示，在通帶范圍V1與V2之間(濾波區(qū)間32)，反射率為R，反射率越高，透射光譜約窄(一般對于氣體傳感的應用，該反射率在80%到98%之間，對于其他應用，則根據(jù)要求專門設置)，小于V1 (濾波區(qū)間30)或大于V2 (濾波區(qū)間34)反射率為100%或接近100%，而現(xiàn)代鍍膜技術(shù)可以把這個通帶頻譜范圍做到大于100納米。
[0027]第一種帶通濾波器設計方案:如在光學透明材料9和23的外表面8和22上鍍帶通濾波器多層介質(zhì)膜，在兩個濾波器10和20之間形成法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔的長度為Dp第二種帶通濾波器設計方案:如在光學透明材料9和23的內(nèi)表面11和21上鍍帶通濾波器多層介質(zhì)膜，則在兩個濾波器10和20之間形成法布里-珀羅(Fabry-Perot)腔的長度為D2，顯然，由于D1要大于D2。因此，第一種帶通濾波器設計方案能夠?qū)崿F(xiàn)的法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍要小于第二種設計方案。當然，也可以在光學透明材料12和24的內(nèi)側(cè)和透明電極層16和26之間直接鍍多層介質(zhì)膜濾波器來實現(xiàn)，這樣，由于液晶的厚度很小(幾微米到十幾微米)，因此，可以實現(xiàn)本征自由光譜范圍(即在無外加電場時的可調(diào)諧濾波器的自由光譜范圍)更大的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，但濾波器制作難度比較大。
[0028]以上述第一種帶通濾波器設計方案為例，在圖5中，入射到濾波器300的光束6是一束沿Z方向傳播，偏振軸為X方向的線偏振光，與液晶相位調(diào)制器200的光軸方向相同，假設光透明材料的折射率為n，則在通帶范圍V1與V2之間，只有滿足ZnDjr=Ha的光才能透過標準具，其中m是透射光的級次。濾波器300的自由光譜范圍FSR2為:Λ λ = λ 2/(2η?1+gamma),或用頻率表示:Λ v=c/(2nD1+r),其中c是光速，gamma代表由液晶在外加電場作用下由折射改變對入射光所產(chǎn)生的光程，透射光的峰值頻率可以表示為:v=mc/(2η?1+gamma),其中m是干涉級次，透射光的頻率寬帶可以表示為:
Δ V (FWHM) =c (1-R)/(QnDjr)R"2),其中 c 是光速。
[0029]根據(jù)上述公式，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300對于接近零度入射的線偏振光，假設n=l.5，D1=I毫米，λ =1550納米，可以得到約150GHz的透射光峰值頻率的調(diào)諧范圍(約為濾波器300的本征自由光譜范圍FSR2的1.5倍)。相比較而言，根據(jù)上面的公式，對自由光譜范圍Λ V和透射光的頻帶寬帶的改變要小的多。可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的透射光譜示意圖如圖10所示。一般地，對于單一氣體傳感的應用，需要調(diào)諧的帶寬約為2到5納米范圍，因此，要求法布里-珀羅濾波器腔的長度約為0.5毫米到0.25毫米之間，在光學透明材料12和24的內(nèi)側(cè)或在透明電極層16和26之間直接鍍多層介質(zhì)膜濾波器來實現(xiàn)比較容易。
[0030]由此可見，可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300在外加電場的作用下，可以實現(xiàn)較大范圍的透射光峰值頻率的調(diào)諧而基本不改變透射光的頻率寬帶和自由光譜范圍。這個特性對于可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的許多應用，如應用于激光器和頻譜儀器等具有重要意義。同樣地，對第二種帶通濾波器設計方案也可以作相同的分析。在通帶范圍V1與V2以外的頻譜區(qū)間30和34，由于帶通濾波器10和20的反射率為100%或接近100%，因此，這部分入射光被濾波器300阻止了。
[0031]由以上分析可以看出，當濾波器300的本征自由光譜范圍FSR2大于通帶范圍V2-V1時，只有一個模透過濾波器300 ;當FSR2小于通帶范圍V2-V1，而大于0.5倍的(V2-V1 )時，只有2個模透過濾波器300.因此，當?shù)谝粠V波器10和第二帶通濾波器20的通帶范圍確定后，可以通過設置本征自由光譜范圍，實現(xiàn)在該通帶范圍內(nèi)，濾波器300的單?；?和2個以上模的可調(diào)諧輸出。由于圖6顯示的是一個理想的濾波器的濾波器特性曲線，實際上，上述帶通濾波器在頻譜區(qū)間30和32，32和34的過渡時，不會是一個跳變，而是存在一個過渡區(qū)間，因此，在設置第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20的通帶范圍時，還要考慮上述因素。
[0032]對于通帶范圍V2-V1較大的情況，如大于50納米，帶通濾波器10和帶通濾波器20的制作難度比較大，特別是，如要求在頻譜區(qū)間30和32，32和34的過渡區(qū)間小的情況，則難度更大。為此，設計了可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的第二種結(jié)構(gòu):該結(jié)構(gòu)采用一種階躍式濾波器。這個設計結(jié)構(gòu)使用了兩個具有不同濾波范圍的階躍式濾波器分別代替第一帶通濾波器10和第二帶通濾波器20。如圖7所示，是一個長波通階躍式濾波器，光頻率大于V1的光具有反射率為R，而光頻率小于V1的光具有反射率為100%或接近100%，用該長波通濾波器代替帶通濾波器10。圖8所示的是一個短波通階躍式濾波器，光頻率小于V2的光具有反射率為R，而光頻率大于V2的光具有反射率為100%或接近100%，用該短波通濾波器代替帶通濾波器20，顯然，這個使用長波通和短波通階躍式濾波器的結(jié)構(gòu)對濾波器300的功能與上述使用帶通濾波器的設計方案是相同的。
[0033]這個使用長波通和短波通階躍式濾波器的第二種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是:(I)相對容易實現(xiàn)大的通帶范圍(V2-V1), (2)相對容易實現(xiàn)比較小的從截止到通帶或從通帶到截止帶的頻譜過渡，由于濾波器300具有對稱性和光路的可逆性，因此，把上述兩個階躍式濾波器互換，不影響濾波器300的性能。
[0034]圖11是本發(fā)明的示意圖。一種一氧化碳氣體傳感設備400包括一個紅外寬帶光源40、可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300及其驅(qū)動源50、氣體采樣室44、氣體采樣室44內(nèi)的一氧化碳氣體46、光電探測器48、以及一個控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，如圖12所示，該系統(tǒng)包括光電探測器48的驅(qū)動和信號接收電路52、控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)54，紅外寬帶光源40的帶寬應大于5納米，且其中心頻率等于或接近一氧化碳的吸收光譜的中心頻率，一氧化碳的紅外吸收光譜在4.4微米到4.8微米,其中心頻率在4.6微米附近。由于一氧化碳的紅外吸收光譜帶寬遠遠超過可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的通帶寬度，因此，紅外寬帶光源40的光譜中心頻率和可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的透射中心頻率只要在4.6微米附近就能滿足氣體的檢測精度。
[0035]由紅外寬帶光源40產(chǎn)生的準直光束透過可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300后進入氣體采樣室44，其輸出光強分別由光電探測器48檢測得到，當驅(qū)動源50對可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300調(diào)諧時，透過氣體采樣室44的氣體吸收光信號被光電探測器48檢測得到并通過驅(qū)動和信號接收電路52，再由控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)54進行數(shù)據(jù)分析得到氣體采樣室44中所含一氧化碳氣體46的濃度。根據(jù)朗伯-比爾Lambert-Beer定律,氣體46的濃度越高，則被吸收越強烈，透過氣體采樣室44的光強越弱。氣體采樣室44的長度取決于所測氣體的濃度，氣體吸收強度和所需的測試精度等因素，一般要求在幾個厘米到幾百厘米的范圍。為了保證最大的測試精度，一般要求在所設置的通帶范圍(V2-V1)內(nèi)，從
V2到V1調(diào)諧的頻率為IOKHz或以上，要求驅(qū)動源50的輸出具有頻率為2KHz，幅值在零到+/-5可調(diào)制的方波電壓信號，幅值在零最大值的調(diào)制頻率在IOK或以上，如圖4所示。
[0036]本發(fā)明要求紅外寬帶光源40的輸出光是線偏振光，其光軸與可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器300的光軸在同一方向上。
[0037]需要強調(diào)的是，上述說明僅起演示和描述的作用，并不是一個詳細無遺漏的說明，也沒有意圖將本發(fā)明限制在所描述的具體形式上。經(jīng)過上面的描述，對本發(fā)明的許多改動和變化都可能出現(xiàn)。所選擇的具體實施僅僅是為了更好的解釋本發(fā)明的原理和實際中的應用。這個說明能夠使熟悉此領(lǐng)域的人可以更好的利用本發(fā)明，根據(jù)實際需要設計不同的具體實施和進行相應的改動。
【權(quán)利要求】
1.一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:包括一個紅外寬帶光源、一個可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器、一個氣體采樣室、一個光電探測裝置以及驅(qū)動控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、所述光電探測器的驅(qū)動和信號接收電路以及控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由所述紅外寬帶光源發(fā)出的光首先通過可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器后，通過所述氣體采樣室后被所述第一光電探測裝置接收，由所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行對所檢測的氣體的吸收頻譜進行數(shù)據(jù)分析得到該氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器包括第一帶通濾波器、液晶相位調(diào)制器、第二帶通濾波器和驅(qū)動源，液晶相位調(diào)制器設置在由第一帶通濾波器和第二帶通濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過控制法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器是一種在光學透明材料的內(nèi)表面上設置的多層介質(zhì)膜的帶通濾波器并具有相同的透射帶寬，在所述帶通濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對透射光的銳度系數(shù)設置不同的反射率，該反射率設置在80%到98%之間，在通帶以外設置100%或接近100%的反射率，且在光學透明材料的外表面上設置光學增透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的第一帶通濾波器和第二帶通濾波器的通帶的中心與所需檢測的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，該通帶的寬度是根據(jù)對氣體測試精度的要求而定，設置為2納米到5納米之間，所述法布里-珀羅濾波器的自由光譜范圍應大于所述的通帶寬度，使得透過所述可調(diào)諧窄帶光學濾波器的光信號為單模光信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:包括一個長波通階躍濾波器、液晶相位調(diào)制器、一個短波通階躍濾波器和驅(qū)動源，液晶相位調(diào)制器設置在由所述長波通階躍濾波器和所述短波通階躍濾波器構(gòu)成的法布里-珀羅濾波器的腔內(nèi)，通過控制所述法布里-珀羅腔內(nèi)液晶相位調(diào)制器實現(xiàn)濾波器的調(diào)諧功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的長波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器是一種在光學透明材料的內(nèi)表面上設置的多層介質(zhì)膜的光學濾波器，所述的長波通階躍濾波器對于小于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率，所述的短波通階躍濾波器對于大于截止頻率的光具有100%或接近100%的反射率；在所述的長波通階躍濾波器和短波通階躍濾波器的通帶內(nèi)可根據(jù)對透射光的銳度系數(shù)設置不同的反射率，該反射率設置在80和98%之間，且在光學透明材料的外表面上設置光學增透膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的長波通階躍濾波器的截止頻率小于所述的短波通階躍濾波器的截止頻率，由所述的長波通階躍濾波器的截止頻率和所述短波通階躍濾波器的截止頻率構(gòu)成所述的法布里-珀羅濾波器的通帶寬度，該通帶的寬度是根據(jù)對氣體測試精度的要求而定，設置在2納米到5納米之間，該通帶的中心與所需檢測的氣體的吸收光譜的中心相同或接近相同，所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的 自由光譜范圍大于其通帶范圍，使得透過所述可調(diào)諧窄帶光學濾波器的光信號為單模光信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2和5所述的可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器，其特征在于:所述的液晶相位調(diào)制器采用的是向列相型液晶材料，液晶材料的厚度為幾微米至十幾微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器驅(qū)動源是一種頻率約為2千赫，電壓幅度可以在零到正負5伏的可調(diào)制的方波信號，且方波電壓幅度的調(diào)制頻率為10千赫或以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:所述控制電路和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)包括一個以數(shù)字信號處理器以及嵌入式軟件為核心的系統(tǒng)，用于控制所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的驅(qū)動源、所述光電探測器的驅(qū)動和信號接收電路以及接收外界控制信號和輸出信號，以實現(xiàn)對所述紅外氣體傳感設備對所檢測氣體的吸收光譜和濃度的檢測功能。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:所述氣體米樣室的尺寸根據(jù)對所要檢測氣體的濃度和精度等因素決定，一般為幾厘米到幾百厘米長。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備,其特征在于:所述紅外寬帶光源的輸出是線偏振光，其光軸與所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的光軸一致，光譜寬度超過5納米,中心波長等于或接近所測氣體吸收光譜帶的中心。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一氧化碳氣體傳感設備，其特征在于:所述可調(diào)諧法布里-珀羅濾波器的中心透射波長`設置在4.6微米或接近4.6微米。
【文檔編號】G01N21/3504GK103776791SQ201210416714
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月28日
【發(fā)明者】高培良 申請人:天津奇譜光電技術(shù)有限公司