专利名称：一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法，具体讲是一种内腔式的 利用激光波长扫描的光谱吸收性气体检测方法和系统。
背景技术：
现代工业发展的同时也引发了一系列安全和环境污染等社会问题，例如，工业生 产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体的种类和数量随着工业的发展而越来越 多，这些气体中，有毒性气体和可燃性气体不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾和使人中 毒的危险。伴随着世界各国大力发展煤炭工业，煤矿爆炸事故日益增加。此外汽车工业的 蓬勃发展，家庭液化石油气、煤气和天然气的广泛使用对环境污染提出更为严峻的挑战。对 这些气体迅速准确的检测将有效地防止此类恶性事件的发生。气体浓度的快速准确检测是环保监控、安全生产、医疗监护、工业过程必不可少的 关键技术，在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗等行业以及环保工程和生物工程等方 面都有着广泛的应用，气体传感器的研究已经受到极大的重视。目前主要存在如下几种气体传感器形式氧化物半导体气体传感器、固体电解质 气体传感器、有机半导体气体传感器、石英振子气体传感器、场效应气体传感器、热催化气 体传感器、表面声波气体传感器、光学气体传感器、气相色谱分析传感器等。随着经济与科技的发展，人们对气体传感器提出了越来越高的要求，传统的气体 传感器渐渐暴露了自身的一些弱点，如半导体气体传感器普遍存在易中毒测量精度低、抗 干扰能力差的问题，而且在石油、化工等易燃易爆环境中使用这类传感器还会带来安全方 面的隐患。因此，开发先进的新型的气体传感器成为一项紧迫的任务，而近年来迅速发展的 光纤气体传感器具有传统气体传感器无可比拟的优点，由于光纤传感器具有体积�。垢� 扰能力强，测量精度高，可远离现场检测等优点，因此能可靠用于工业现场条件的光纤气体 传感器日益得到人们的重视。而光谱吸收型光纤气体传感器又是当前主要采用的检测方 式。光谱吸收型光纤气体传感器又采用以下的方式来实现气体的检测直接吸收型， 差分吸收法，扫描式吸收法，二次谐波法，内腔式气体检测法等，直接吸收型和差分吸收法， 结构简单，但灵敏度不高，扫描式吸收法和二次谐波法，测量精度较高，而且也是目前比较 常用的方法，但电路结构复杂，不利于多路复用；内腔式气体检测法，将气室引入谐振腔内 部，大大提高了检测精度，但技术还不够成熟，成本也比较高。〈激光与红外>2002，32(3) :pl93 196.作者为喻洪波，廖延彪，靳伟，何海律，名 称为“光纤化的气体传感技术”，文章中提到了多种气体检测技术，直接吸收型和差分吸收 法，结构 简单，但灵敏度不高，扫描式吸收法和二次谐波法，测量精度较高，而且也是目前比 较常用的方法，但电路结构复杂，不利于多路复用；内腔式气体检测法，将气室引入谐振腔 内部，大大提高了检测精度，但技术还不够成熟，成本也比较高。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种波长扫描的内腔式气体 检测系统和方法。本发明的技术方案是按以下方式实现的一种波长扫描的内腔式气体检测系统，包括980nm泵浦源、WDM(980/1550nm波 分复用器)、掺铒光纤、准直器、气室、全反镜、布拉格光栅、压电陶瓷、隔离器、光电探测器、 放大及滤波电路、数据采集卡和计算机，其特征在于980nm泵浦源通过尾纤连接到WDM的 980nm—端，WDM的公共端连接到掺铒光纤上；掺铒光纤的另一端接到准直器上，准直器的 后面是气室，由准直器将光注入到气室中；气室中装有待测气体，气室的后端装有全反镜； WDM的1550nm端通过尾纤和光纤光栅相连，光纤光栅固定在压电陶瓷上；光纤光栅另一端 和隔离器相连，隔离器的另一端和光电探测器连接，光电探测器输出端连接放大及滤波电 路，放大及滤波电路后面连接数据采集卡；数据采集卡和计算机相连，通过数据采集卡将信 号送入计算机进行数据处理；压电陶瓷和数据采集卡相连接，由计算机经由数据采集卡提 供驱动电压作用到压电陶瓷上。所述的数据采集卡包括模拟输入和模拟输出部分，为通用型数据采集卡，如上海 仪可电子科技有限公司生产的PCI-2113A。一种利用上述气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下1)将气体检测系统连接好，将标准气体充入气室；打开计算机和数据采集卡的电 源，调试数据采集卡使其能正常进行数据采集和模拟输出；2)将980nm泵浦源电源打开，将功率计接到隔离器的输出端，检查由全反镜和光 栅构成的谐振腔的激光输出是否正常；使用光谱仪接到隔离器输出端，粗略测量并确定波 长；3)上述两步完成后，将光电探测器、放大及滤波电路的供电电源打开，使得数据采 集卡输出三角波电压以驱动压电陶瓷；采集光电探测器经放大和滤波后的信号数据，将其 存储到计算机中作为参考值；4)将气室的气体换成待测的气体，重复步骤3的检测过程，采集光电探测器经放 大和滤波后的信号数据，将其存储到计算机中，上述检测过程经3-6次测量取平均值，与参 考值经行对比，可得到待测气体的浓度；5)待测气体检测完毕，关闭电源。上述本发明的气体检测方法中待测气体是有毒气体时，须在封闭环境下进行操 作，同时要注意尾气的处理。本发明的检测原理如下980nm的泵浦光通过波分复用器(WDM)注入掺铒光纤 (EDF)，产生C波段的ASE (放大自发辐射)光，气室后端的全反镜和WDM相连的光纤布拉格 光栅(FBG)构成激光器的谐振腔，和FBG中心波长相同波长的光就会在谐振腔内部起振，产 生增益，光栅选用高反射率的，从而输出较强的激光。气室作为谐振腔的一部分，通过测量 激光器输出光谱因气体吸收而引起的变化，反演所测量气体的浓度。光子在谐振腔内的振 荡使光与气体多次相互作用，增加了有效吸收光程。由于气体吸收本身就是激光器的组成 部分，这时气体吸收的损耗是激光器腔内损耗的一部分，这种附加损耗对激光器的输出造 成巨大的影响，因此这种测量方法灵敏度很高。产生的激光从光栅出来后通过隔离器，注入光电探测器，将光强转变为电流，再接入后续的放大及滤波电路，通过数据采集卡将信号采 集到计算机中进行数据处理。将光纤光栅固定在压电陶瓷(PZT)上，当加载在压电陶瓷两 端的电压改变时，压电陶瓷伸缩带动光纤光栅也伸缩，改变光栅的中心波长，从而改变谐振 腔的输出波长，当连续改变压电陶瓷的驱动电压的时候，使输出激光的波长连续改变，实现 了波长的扫描，当波长从气体吸收峰扫过时，就将气体吸收和激光背景的信息都摄�。岣� 了检测的信噪比。压电陶瓷的驱动电压由计算机产生通过数据采集卡连接到压电陶瓷上。光纤光栅的固定，如图2，将压电陶瓷嵌入和其相匹配的金属框架中，保证紧密连 接，没有空隙。将光纤光栅与压电陶瓷平行的放置到金属框架上，先将一端固定利用502胶 水，固定在胶点上，等胶水固化将光栅一端固定好了，再将光纤光栅拉直，保证光纤光栅平 行于压电陶瓷，但不受应力(以免中心波长漂移过多)，将其用胶固定，需等胶固化后才可 (可将金属框架竖立放置，让光纤光栅悬空，保证与压电陶瓷平行后点胶固定)。本发明具有以下的优点内腔式的结构，保证了检测系统具有很高的灵敏度；扫 描式的检测方法，可以消除激光器功率不稳定等因素，具有很高的信噪比；基于光纤的系 统，便于多个复用，组成网络，实现多点的远距离监控。
图1是本发明气体检测系统的结构示意图。其中1，980nm泵浦源，2，WDM (980/1550nm波分复用器)，3掺铒光纤，4，准直器，5， 气室，6，全反镜，7，光纤光栅，8，压电陶瓷，9，隔离器，10，光电探测器，11，放大及滤波电路， 12，数据采集卡，13，计算机。图2是本发明的光纤光栅固定在压电陶瓷上的结构示意图。14，光纤光栅，15，金属框架，16，柱状压电陶瓷，17，压电陶瓷电极，18，固定胶点
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例1 本发明实施例如图1所示，包括980nm泵浦源1，980/1550nm波分复用器2，掺铒 光纤3，准直器4，气室5，全反镜6，布拉格光栅7，压电陶瓷8，隔离器9，光电探测器10，放 大及滤波电路11，数据采集卡12，计算机13，其特征在于980nm泵浦源1通过尾纤连接到 WDM2的980nm —端，WDM2的公共端连接到掺铒光纤3上；掺铒光纤3的另一端接到准直器 4上，准直器4的后面是气室5，由准直器4将光注入到气室5中；气室5中装有待测气体， 气室5的后端装有全反镜6 ；WDM2的1550nm端通过尾纤和光纤光栅7相连，光纤光栅7固 定在压电陶瓷8上；光纤光栅7另一端和隔离器9相连，隔离器9的另一端和光电探测器 10连接，光电探测器10输出端连接放大及滤波电路11，放大及滤波电路11后面连接数据 采集卡12 ；数据采集卡12和计算机13相连，通过数据采集卡12将信号送入计算机13进 行数据处理；压电陶瓷8和数据采集卡12相连接，由计算机13经由数据采集卡12提供驱 动电压作用到压电陶瓷8上。实施例2 一种利用上述气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下
1)将气体检测系统连接好，将标准气体充入气室；打开计算机和数据采集卡的电 源，调试数据采集卡使其能正常进行数据采集和模拟输出；2)将980nm泵浦源电源打开，将功率计接到隔离器的输出端，检查由全反镜和光 栅构成的谐振腔的激光输出是否正常；使用光谱仪接到隔离器输出端，粗略测量并确定波 长；3)上述两步完成后，将光电探测器、放大及滤波电路的供电电源打开，使得数据采 集卡输出三角波电压以驱动压电陶瓷；采集光电探测器经放大和滤波后的信号数据，将其 存储到计算机中作为参考值；4)将气室的气体换成待测的气体，重复步骤3的检测过程，采集光电探测器经放 大和滤波后的信号数据，将其存储到计算机中，上述检测过程经3-6多次测量取平均值，与 参考值经行对比，可得到待测气体的浓度；5)待测气体检测完毕，关闭电源。
权利要求
一种波长扫描的内腔式气体检测系统，包括980nm泵浦源、WDM、掺铒光纤、准直器、气室、全反镜、布拉格光栅、压电陶瓷、隔离器、光电探测器、放大及滤波电路、数据采集卡和计算机，其特征在于980nm泵浦源通过尾纤连接到WDM的980nm一端，WDM的公共端连接到掺铒光纤上；掺铒光纤的另一端接到准直器上，准直器的后面是气室，由准直器将光注入到气室中；气室中装有待测气体，气室的后端装有全反镜；WDM的1550nm端通过尾纤和光纤光栅相连，光纤光栅固定在压电陶瓷上；光纤光栅另一端和隔离器相连，隔离器的另一端和光电探测器连接，光电探测器输出端连接放大及滤波电路，放大及滤波电路后面连接数据采集卡；数据采集卡和计算机相连，通过数据采集卡将信号送入计算机进行数据处理；压电陶瓷和数据采集卡相连接，由计算机经由数据采集卡提供驱动电压作用到压电陶瓷上。
2.一种利用权利要求1所述气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下1)将气体检测系统连接好，将标准气体充入气室；打开计算机和数据采集卡的电源， 调试数据采集卡使其能正常进行数据采集和模拟输出；2)将980nm泵浦源电源打开，将功率计接到隔离器的输出端，检查由全反镜和光栅构 成的谐振腔的激光输出是否正常；使用光谱仪接到隔离器输出端，粗略测量并确定波长；3)上述两步完成后，将光电探测器、放大及滤波电路的供电电源打开，使得数据采集卡 输出三角波电压以驱动压电陶瓷；采集光电探测器经放大和滤波后的信号数据，将其存储 到计算机中作为参考值；4)将气室的气体换成待测的气体，重复步骤3的检测过程，采集光电探测器经放大和 滤波后的信号数据，将其存储到计算机中，上述检测过程经3-6次测量取平均值，与参考值 经行对比，可得到待测气体的浓度；5)待测气体检测完毕，关闭电源。
全文摘要
一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法，属气体检测技术，系统有980泵浦源、光纤光栅、压电陶瓷、气室等，980泵浦注入铒纤，产生波段的ASE光，气室内的全反镜和光纤光栅构成谐振腔，和光纤光栅中心波长相符的激光在腔内起振形成强光，气室内的气体成为谐振腔的一部分，通过改变加载在压电陶瓷上的电压，周期性的改变压电陶瓷的长度，引起光栅中心波长周期性的改变，从而使产生的激光的波长，可以连续的扫描气体吸收峰，消除激光器背景的影响。再通过后续的光电探测器电路和数据采集卡将信号送入计算机，通过合适的算法将气体的浓度信息推算出来。本发明具有很高的灵敏度，和很高的信噪比，且便于多个复用，组成网络，实现多点的监控。
文档编号G01N21/31GK101975752SQ201010278768
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者孔德龙, 孙文佳, 宋复俊, 常军, 张燕, 王伟杰, 王宗良 申请人:山东大学
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