CN100445729C - 以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪。现有产品体积较大、不易维护。本发明包括测量路径和参考路径，分别利用光子晶体光纤能束缚传导光的特性以及其芯层可以是空心的特点，直接将光子晶体光纤的中空芯层作为气室对待测气体和参考气体进行测量。由于光子晶体光纤具有柔韧性、可以卷曲起来，具有体积小、重量轻的特点。同时通过分别测量和比较被测气体测量路径与参考气体测量路径的光衰减，可减小温度等环境因素对气体浓度测量的影响，因而有更高的测量精度。

Description

以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪
技术领域
本发明涉及一种红外线气体浓度检测装置，尤其是一种以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪。
背景技术
红外气体分析仪是利用光能量被气体分子选择特定频率吸收的吸收光谱原理，来测量气体的浓度。红外气体分析仪由光发射单元、气室、光接收单元、数据处理单元以及其它辅助单元组成。光发射单元包括各种红外光源，其发射的红外光射入气室，被气室中的气体吸收衰减后，照射到接收单元。接收单元一般包括红外探测器，它将红外光的吸收衰减变化量转化为电信号变化量，该电信号被数据处理单元处理后，即可得到被测气体中某些分子的浓度值。
具体来说，光源发射出的特定波长的红外光穿过被测气体时，被测气体吸收，导致特定频率光的强度产生衰减，光强度的衰减与被测气体浓度相关，通过测量光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。例如专利号为CN85104270、CN85104309、CN92112896.7、CN94194491.3、CN00803825.2、CN00238371.3、CN95206150.3的专利所公开的技术内容。通常气室是含有被测气体的较大尺寸的封闭部件或者是一段开放的空间，红外光在其中是以近似直线传播或者是经过多次反射的折线传播的。因而气室需要有一定的传播长度产生足够的光损耗，这使红外线式气体分析仪体积较大、笨重，并且需要对光发射单元、接收单元进行对准调节，这对分析仪的维护也产生重要问题。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑的，适合便携和廉价的红外线气体分析仪。
本发明包括测量路径和参考路径。
测量路径中的测量路径光子晶体光纤一端连接在进气连接单元上并与进气连接单元相通，另一端连接在出气连接单元上并与出气连接单元相通。进气连接单元为中空，设有进气口；出气连接单元为中空，设有出气口。待测气体可以通过进气口通入测量路径光子晶体光纤，经过测量路径光子晶体光纤通过出气口排出，这样测量路径光子晶体光纤内充满了待测气体。测量路径输入光纤一端与进气连接单元连接，另一端与光开关连接。测量路径输出光纤一端与出气连接单元连接，另一端与光纤耦合器连接。测量路径光子晶体光纤的两个端口分别与测量路径输入光纤端口和测量路径输出光纤端口位置对应，实现光耦合。
参考路径中的参考路径光子晶体光纤两端分别与两个中空的封闭连接器连接并相通，里面充满参考气体。参考路径输入光纤一端与一个封闭连接器连接，另一端与光开关连接。参考路径输出光纤一端与另一个封闭连接器连接，另一端与光纤耦合器连接。参考路径光子晶体光纤的两个端口分别与参考路径输入光纤端口和参考路径输出光纤端口位置对应，实现光耦合。
测量路径光子晶体光纤和参考路径光子晶体光纤均为中空的光子晶体光纤。
光发射单元的红外光源通过光纤与光开关连接，光接收单元的红外探测器通过光纤与光纤耦合器连接。光发射单元的控制信号输入端、光接收单元信号输出端以及光开关分别与数据处理单元电连接。
所述的光发射单元的红外光源与光开关之间设有光滤波器；所述的光接收单元的红外探测器与光纤耦合器之间设有光滤波器。其作用是使需要频率的光通过，而滤除不需要频率的光。
本发明中也可以不使用光开关，而采用两个光发射单元，其红外光源分别接入测量路径输入光纤和参考路径输入光纤，控制信号输入端分别与数据处理单元电连接，也可达到相同的发明目的。该方案也在本专利的保护范围内。
光发射单元、光接收单元和数据处理单元采用现有红外气体分析仪相应的技术。
本发明利用光子晶体光纤能束缚传导光的特性以及其芯层可以是空心的特点，直接将光子晶体光纤的中空芯层作为气室，光在其中以导波的形式传播的。其主要优点是，由于光子晶体光纤具有柔韧性、可以卷曲起来，光在其中传播也以导波的方式沿着光纤弯曲传播，因而气室的尺寸可以很小；增加光子晶体光纤的长度可以增加光传播的路径长度，从而增加气体对光吸收的幅度，提高红外线式气体分析仪的性能；光子晶体光纤的重量很轻，能大幅减轻分析仪的重量；本发明中有被测气体测量路径和参考气体测量路径，通过分别测量合比较被测气体测量路径与参考气体测量路径的光衰减，可减小温度等环境因素对气体浓度测量的影响，因而有更高的测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，该气体浓度检测装置包括测量路径20和参考路径21。
其中，测量路径20中的测量路径光子晶体光纤8一端连接在进气连接单元6上并与进气连接单元6相通，另一端连接在出气连接单元10上并与出气连接单元10相通。进气连接单元6为中空，设有进气口7。出气连接单元10为中空，设有出气口9。待测气体可以通过进气口7通入测量路径光子晶体光纤8，经过测量路径光子晶体光纤8通过出气口9排出，这样测量路径光子晶体光纤8内充满了待测气体。测量路径输入光纤5一端与进气连接单元6连接，另一端与光开关4连接。测量路径输出光纤11一端与出气连接单元10连接，另一端与光纤耦合器12连接。测量路径光子晶体光纤8的两个端口分别与测量路径输入光纤5端口和测量路径输出光纤11端口位置对应，实现光耦合。
参考路径21中的参考路径光子晶体光纤17两端分别与两个中空的封闭连接器16和18连接并相通，里面充满参考气体。参考路径输入光纤15一端与封闭连接器16连接，另一端与光开关4连接。参考路径输出光纤19一端与封闭连接器18连接，另一端与光纤耦合器12连接。参考路径光子晶体光纤17的两个端口分别与参考路径输入光纤15端口和参考路径输出光纤19端口位置对应，实现光耦合。
光发射单元2的红外光源3通过光纤与光开关4连接，光接收单元14的红外探测器13通过光纤与光纤耦合器12连接。光发射单元2的控制信号输入端、光接收单元14的信号输出端以及光开关4分别与数据处理单元1电连接。
数据处理单元1通过光开关4控制光发射单元2发射的红外光射入测量路径输入光纤5或参考路径输入光纤15。如果光射入测量路径20，则进行被测气体测量，如果光射入参考路径21，则进行参考气体测量。
如果光射入测量路径20中的测量路径输入光纤5，则测量路径20工作考路径21不工作。测量路径输入光纤5在进气连接单元6中将光耦合进入测量路径光子晶体光纤8中，光流过整条测量路径光子晶体光纤8，该光子晶体光纤8中流动被测气体，光被被测气体分子吸收衰减。测量路径光子晶体光纤8另一端在出气连接单元10中，将光耦合到测量路径输出光纤11中；光经过光纤耦合器12通过光纤将光照射在光接收单元14的红外探测器13上，光接收单元14将光强信号转化为电信号，传送到数据处理单元1。
如果光流入参考路径输入光纤15，则参考路径21工作测量路径20不工作。参考路径输入光纤15在封闭连接器16中，将光耦合进入参考路径光子晶体光纤17中，并且光流过整条参考路径光子晶体光纤17，该光子晶体光纤17中充满参考气体，光被其中的参考气体分子吸收衰减。光子晶体光纤17另一端在另一个封闭连接器18中，通过参考路径输出光纤19经过光纤耦合器12将光照射在光接收单元14的红外探测器13上，光接收单元14将光强信号转化为电信号，传送到数据处理单元1。
数据处理单元1将测量路径20与参考路径21对光的衰减幅度大小进行对比和处理，可以消除因外界环境以及器件老化等因素对测量结果的影响，精确的测量气体中某些分子的浓度。

Claims (3)

1、以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪，包括测量路径和参考路径，其特征在于：
测量路径中的测量路径光子晶体光纤一端连接在进气连接单元上并与进气连接单元相通，另一端连接在出气连接单元上并与出气连接单元相通；进气连接单元为中空，设有进气口，出气连接单元为中空，设有出气口；测量路径输入光纤一端与进气连接单元连接，另一端与光开关连接；测量路径输出光纤一端与出气连接单元连接，另一端与光纤耦合器连接；测量路径光子晶体光纤的两个端口分别与测量路径输入光纤端口和测量路径输出光纤端口位置对应，实现光耦合；
参考路径中的参考路径光子晶体光纤两端分别与两个中空的封闭连接器连接并相通，里面充满参考气体；参考路径输入光纤一端与一个封闭连接器连接，另一端与光开关连接；参考路径输出光纤一端与另一个封闭连接器连接，另一端与光纤耦合器连接；参考路径光子晶体光纤的两个端口分别与参考路径输入光纤端口和参考路径输出光纤端口位置对应，实现光耦合；
所述的测量路径光子晶体光纤和参考路径光子晶体光纤为中空的光子晶体光纤；
光发射单元的红外光源通过光纤与光开关连接，光接收单元的红外探测器通过光纤与光纤耦合器连接；光发射单元的控制信号输入端、光接收单元信号输出端以及光开关分别与数据处理单元电连接。
2、如权利要求1所述的以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪，其特征在于所述的光发射单元的红外光源与光开关之间设有光滤波器，所述的光接收单元的红外探测器与光纤耦合器之间设有光滤波器。
3、如权利要求1所述的以光子晶体光纤作为气室的红外线气体分析仪，其特征在于所述的测量路径输出光纤和参考路径输出光纤中设置有光滤波器。
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