CN100516836C - 基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，是由泵浦光源、光波分复用器、掺铒光纤、光隔离器、F-P可调谐光滤波器通过光纤依次相连；F-P可调谐光滤波器还连接光环行器；光环行器又分别连接第一光耦合器、第二光耦合器；第一光耦合器的一路与参考光栅相连，另一路与检测气室的一端相连，检测气室的另一端连接反射光栅；第二光耦合器的一路与光波分复用器的输入端相连，另一路与光探测器相连，光探测器又通过光纤连接数据采集模块，数据采集模块又通过光纤连接F-P可调谐光滤波器。本发明可用于混合气体的识别及浓度测试，可实现对多种有害气体的识别。分布式系统实现了对不同位置的气体同时实施监测。可广泛的应用于煤矿、大气及化工等行业。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测混合气体的传感系统。特别是涉及一种可实现对多种有害气体的识别，并能实现对气体浓度的测试，且能够实现对不同位置的气体同时实施监测的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统。
背景技术
光纤传感器具有高灵敏度、抗电磁干扰、重量轻的优点，目前已广泛应用航天、军事和民用等领域。光纤光栅传感器不仅可以用来检测应力、应变、位移、扭矩和温度，还可用来检测气体。
气体识别及浓度测试技术在生产生活中有着广泛的应用价值，可应用于煤矿中对作业环境特别是危险气体进行监测；对大气中各污染有害气体进行识别检测；对容器中参加反应的各化学气体浓度进行实时监控。通常以光纤作为基元的气体检测方法可分为常规光纤气体检测和光纤光栅气体检测两种。
目前，以光纤作为基元的气体检测的技术主要集中在某种气体的识别或特定气体的浓度测试，尚无有对多种有害气体进行识别的气体检测装置或系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可实现对多种有害气体的识别，并能实现对气体浓度的测试，且能够实现对不同位置的气体同时实施监测的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，包括有泵浦光源、光波分复用器、增益介质、F-P可调谐光滤波器、光探测器、反射光栅和参考光栅，还设置有检测气室，其中，泵浦光源、光波分复用器、增益介质、光隔离器、F-P可调谐光滤波器通过光纤依次相连；F-P可调谐光滤波器还通过光纤连接光环行器；光环行器又通过光纤分别连接第一光耦合器、第二光耦合器；第一光耦合器分两路输出，其中的一路通过光纤与参考光栅相连，另一路通过光纤与检测气室的一端相连，检测气室的另一端连接反射光栅；第二光耦合器分两路输出，其中的一路通过光纤与光波分复用器的输入端相连，另一路通过光纤与光探测器相连，光探测器又通过光纤连接数据采集模块，数据采集模块又通过光纤连接F-P可调谐光滤波器。
所述的检测气室的两端通过C透镜与光纤相连。
所述的检测气室设置有一个。
所述的检测气室设置有一个以上，而所述的反射光栅的数量与检测气室的数量相同，并一一对应连接；在各检测气室与第一光耦合器之间还设置有可以有选择的将所选检测气室与第一光耦合器连接的光开关。
所述的泵浦光源驱动产生光信号的波长为1550nm。
所述的增益介质可采用掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺铒载氢光纤中的一种。
所述的参考光栅选择普通的光纤Bragg光栅，3dB带宽为100pm。
所述的反射光栅选择宽谱啁啾光栅，3dB带宽大于等于30nm。
本发明的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，可用于混合气体的识别及浓度测试，能够实现对多种有害气体的识别。而且，分布式系统实现了对不同位置的气体同时实施监测。本发明可广泛的应用于煤矿、大气及化工等行业。
附图说明
图1是本发明的系统构成示意图。
其中：
1：泵浦光源 2：光波分复用器
3：增益介质 4：光隔离器
5：F-P可调谐光滤波器 6：光环行器
7：第一光耦合器 8：光探测器
9：数据采集模块 10：第二光耦合器
11：参考光栅 12：光开关
13：检测气室 14：反射光栅
15：光纤 16：计算机
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，包括有泵浦光源1、光波分复用器2、增益介质(EDF)3、光隔离器4、F-P可调谐光滤波器5、光探测器8、反射光栅14和参考光栅11，还设置有检测气室13，其中，泵浦光源1、光波分复用器2、增益介质3、光隔离器4、F-P可调谐光滤波器5通过光纤15依次相连，所述的增益介质3可采用掺铒光纤或铒镱共掺光纤或掺铒载氢光纤中的一种；F-P可调谐光滤波器5还通过光纤15连接光环行器6；光环行器6又通过光纤15分别连接第一光耦合器7、第二光耦合器10；第一光耦合器7分两路输出，其中的一路通过光纤15与参考光栅11相连，另一路通过光纤15与检测气室13的一端相连，检测气室13的另一端连接反射光栅14，所述的检测气室13的两端通过C透镜(C-lens)与光纤15相连，使得检测气室13中待测气体与光信号之间进行充分的作用(吸收)；第二光耦合器10分两路输出，其中的一路通过光纤15与光波分复用器2的输入端相连，另一路通过光纤15与光探测器8相连，光探测器8又通过光纤15连接数据采集模块9，数据采集模块9又通过光纤15连接F-P可调谐光滤波器5。所述泵浦光源1驱动产生光信号的波长为1550nm。
上述的参考光栅11选择普通的光纤Bragg光栅，3dB带宽约为100pm。所述的反射光栅14选择宽谱啁啾光栅，其顶部增益平坦，3dB带宽不小于30nm。
上述的检测气室13可设置有一个，或设置有一个以上。当设置有一个以上时，所述的反射光栅14的设置数量与检测气室13的数量相同，并一一对应连接；在各检测气室13与第一光耦合器7之间还设置有可以有选择的将所选检测气室13与第一光耦合器7连接的光开关12。
上述系统中F-P可调谐光滤波器与反射光栅构成了内腔激光器的两个反射镜。作为波长选择反射镜的光栅覆盖多种气体的吸收谱线。在EDF的增益带宽内调谐F-P可调谐光滤波器的透射窗口位置，采集相应的光谱曲线，可实现不同种类气体的同时检测。这样，利用一个F-P可调谐光滤波器及反射光栅即可实现混合气体的同时检测。
光信号的检测由基于虚拟仪器技术的数据采集模块完成，基于计算机总线的数据采集与控制模块实现对F-P可调谐光滤波器的控制以及光功率信号的采集。EDF由泵浦光源通过光波分复用器驱动。
在系统中引入光开关可扩展测试范围，利用光开关在多路之间进行切换可依次检测各检测气室中的气体种类，从而实现了准分布式的气体检测，在矿山等地区的混合气体检测方面具有很高的应用价值。
本系统的工作原理是：泵浦光源驱动产生的波长1550nm光信号经过EDF放大后，通过光隔离器进入F-P可调谐光滤波器，由后者出射的光信号经过光环形器后由第一光耦合器分束，一路由光开关切换选择透过相应检测气室并入射到反射光栅，另一路连接一个参考光栅用于标定F-P可调谐光滤波器透射谱的位置，反射光栅和参考光栅反射的光信号经由光环形器进入光纤环路，由第二光耦合器再次分束，一部分进入数据采集模块用于光谱采集，另一部分经过光波分复用器并由增益介质进行放大。当F-P可调谐光滤波器透射谱位置确定后，光纤环路中传播的即为透过F-P可调谐光滤波器的窄带光信号。连续调节F-P可调谐光滤波器透射窗口位置，即可得到包含检测气室、反射光栅等光谱曲线的检测光信号。光开关通过对检测光路的选择确定检测气室的位置，实现了气体种类的空间选择性检测。
表1几种主要有害气体的吸收谱线
| 气体种类 | 近红外波段的气体吸收峰波长(nm) |
| 乙炔(C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>) | 1525 |
| 氨气(NH<sub>3</sub>) | 1544 |
| 一氧化碳(CO) | 1567 |
| 二氧化碳(CO<sub>2</sub>) | 1573 |
| 硫化氢(H<sub>2</sub>S) | 1578 |
吸收谱线位于1550nm附近的主要有害气体如表1所示。根据吸收谱线的位置可以解调出混合气体包含的气体种类；根据通过检测气室前后的光信号变化即可计算出检测气室中气体的浓度。
本发明的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统中：
所述的泵浦光源可采用波长为514.5nm、665nm、807nm、980nm或者1480nm的泵浦光源输出泵浦光，益选用980nm或者1480nm波长的泵浦光源，其中980nm的泵浦光源增益系数最高。
所述的F-P可调谐光滤波器采用电压驱动的Micro Optics公司生产的FFP-TF及FFP-TF2系列窄带可调谐光滤波器模块，或者Santec公司生产的OTF系列台式可调谐光滤波器。F-P可调谐光滤波器应在1550nm波长附近约100nm范围内实现透射窗口调谐，透射窗口的3dB带宽应不超过20pm。
光探测器采用电压输出的低噪声砷化镓铟光电二极管，如EOS公司生产的IGA-TE系列，Thorlabs公司生产的DET系列、PDA系列，以及日本浜松公司生产的G系列等。探测器在1550nm-1600nm波长范围内应保证较高的响应度，且输出电压应控制在-10-10V范围内。
数据采集模块可采用基于虚拟仪器技术的多功能数据采集卡，如NI公司的M系列、S系列、R系列及E系列数据采集卡，凌华公司的DAQ系列数据采集卡等。数据采集模块应实现-10-10V范围内的模拟电压输入、输出，其转换的分辨率不少于14位。
其他光无源器件均为普通商用的光传感及光通信器件。
Claims (8)
1.一种基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，包括有泵浦光源(1)、光波分复用器(2)、增益介质(3)、光隔离器(4)、F-P可调谐光滤波器(5)、光探测器(8)、反射光栅(14)和参考光栅(11)，其特征在于，还设置有检测气室(13)，其中，泵浦光源(1)、光波分复用器(2)、增益介质(3)、光隔离器(4)、F-P可调谐光滤波器(5)通过光纤(15)依次相连；F-P可调谐光滤波器(5)还通过光纤(15)连接光环行器(6)；光环行器(6)又通过光纤(15)分别连接第一光耦合器(7)、第二光耦合器(10)，F-P可调谐光滤波器(5)出射的光信号经过光环形器(6)后由第一光耦合器(7)分束；第一光耦合器(7)分两路输出，其中的一路通过光纤(15)与参考光栅(11)相连，另一路通过光纤(15)与检测气室(13)的一端相连，检测气室(13)的另一端连接反射光栅(14)，反射光栅(14)和参考光栅(11)反射的光信号经由光环形器进入光纤环路，由第二光耦合器(10)再次分束；第二光耦合器(10)分两路输出，其中的一路通过光纤(15)与光波分复用器(2)的输入端相连，另一路通过光纤(15)与光探测器(8)相连，光探测器(8)又通过光纤(15)连接数据采集模块(9)，数据采集模块(9)又通过光纤(15)连接F-P可调谐光滤波器(5)。
2.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的检测气室(13)的两端通过C透镜与光纤(15)相连。
3.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的检测气室(13)设置有一个。
4.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的检测气室(13)设置有一个以上，而所述的反射光栅(14)的数量与检测气室(13)的数量相同，并一一对应连接；在各检测气室(13)与第一光耦合器(7)之间还设置有可以有选择的将所选检测气室与第一光耦合器(7)连接的光开关(12)。
5.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的泵浦光源(1)驱动产生光信号的波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的增益介质(3)可采用掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺铒载氢光纤中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的参考光栅(11)选择普通的光纤Bragg光栅，3dB带宽为100pm。
8.根据权利要求1所述的基于内腔光纤激光器的准分布式混合气体传感系统，其特征在于，所述的反射光栅(14)选择宽谱啁啾光栅，3dB带宽大于等于30nm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013023426A1 (zh) * | 2011-08-18 | 2013-02-21 | 天津大学 | 多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法 |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101532951B (zh) * | 2009-04-03 | 2011-01-05 | 西安交通大学 | 一种光纤混合气体定量测量系统及测量方法 |
| CN101915742B (zh) * | 2010-08-10 | 2012-06-27 | 北京路源光科技有限公司 | 基于拉曼技术的生物柴油在线检测仪 |
| CN103076295B (zh) * | 2013-01-04 | 2015-02-04 | 武汉理工大学 | 多组分气体光纤传感网络 |
| CN103487402B (zh) * | 2013-10-14 | 2015-09-02 | 北京信息科技大学 | 带有饱和吸收光纤的环形腔内腔光纤激光器气体检测系统 |
| CN104568829B (zh) * | 2013-10-14 | 2017-04-19 | 北京信息科技大学 | 采用参考腔主动反馈补偿的光纤激光器气体检测系统 |
| CN103592261B (zh) * | 2013-11-20 | 2016-03-30 | 天津大学 | 全光纤温度补偿型气体传感器及其补偿方法 |
| CN104215605A (zh) * | 2014-02-12 | 2014-12-17 | 中科融通物联科技无锡有限公司 | 一种快速的光纤光栅解调系统的动态定标方法 |
| CN103983577B (zh) * | 2014-05-16 | 2016-05-04 | 天津大学 | 打孔光子晶体光纤气室有源内腔气体检测方法与装置 |
| US9702813B2 (en) * | 2014-07-23 | 2017-07-11 | Infineon Technologies Ag | Sensing systems and methods using a coupling structure |
| CN104535529A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-04-22 | 北京航天易联科技发展有限公司 | 一种分布式气体传感系统及其控制方法 |
| CN104807765B (zh) * | 2015-05-04 | 2018-01-23 | 华北电力大学 | 高灵敏度光谱吸收衰减振荡腔的变压器油中气体检测装置 |
| CN107389615B (zh) * | 2016-12-20 | 2020-03-24 | 苏州赛德福科学仪器有限公司 | 一种蒸发光检测装置及基于该装置的蒸发光测量方法 |
| CN106908389B (zh) * | 2017-03-17 | 2018-02-16 | 哈尔滨翰奥科技有限公司 | 气体传感器及用于检测氟化氢气体浓度变化的方法 |
| CN107991267B (zh) * | 2017-11-29 | 2020-03-17 | 珠海任驰光电科技有限公司 | 波长捷变的可调谐半导体激光吸收光谱气体检测装置及方法 |
| CN109358010A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-02-19 | 榆林学院 | 一种利用光纤有源内腔法测雾霾主要成分的装置及方法 |
| CN110031426A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-07-19 | 江苏天鼎工程科技有限公司 | 一种基于多束光源离轴积分腔输出光谱技术的氨逃逸分析仪及分析方法 |
| CN110376131A (zh) * | 2019-08-05 | 2019-10-25 | 江苏禾吉新材料科技有限公司 | 一种分布式多参量光纤气体检测系统及检测方法 |
| CN111121945A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-05-08 | 上海电力大学 | 一种高灵敏度分布式变压器振动监测系统 |
| CN111257274B (zh) * | 2019-12-09 | 2023-09-19 | 长春理工大学 | 基于1.7μm波段双波长激光光源的血液酒精测试装置 |
| CN113804649A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-12-17 | 天津理工大学 | 单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统 |
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Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| 一种实用型光纤光栅复用检测系统. 童峥嵘，刘波，曾剑，开桂云，董孝义.南开大学学报(自然科学版)，第37卷第3期. 2004 |
| 一种实用型光纤光栅复用检测系统. 童峥嵘，刘波，曾剑，开桂云，董孝义.南开大学学报(自然科学版)，第37卷第3期. 2004 * |
| 光纤光栅复用调谐滤波检测系统的研究. 陈长勇，乔学光，贾振安，郭团，孙安.激光杂志，第26卷第1期. 2005 |
| 光纤光栅复用调谐滤波检测系统的研究. 陈长勇，乔学光，贾振安，郭团，孙安.激光杂志，第26卷第1期. 2005 * |
| 基于调谐滤波技术的光纤光栅传感解调系统. 陈长勇，乔学光，贾振安，赵大壮，傅海威，郭团，孙安.基于调谐滤波技术的光纤光栅传感解调系统，第15卷第7期. 2004 |
| 基于调谐滤波技术的光纤光栅传感解调系统. 陈长勇，乔学光，贾振安，赵大壮，傅海威，郭团，孙安.基于调谐滤波技术的光纤光栅传感解调系统，第15卷第7期. 2004 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013023426A1 (zh) * | 2011-08-18 | 2013-02-21 | 天津大学 | 多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法 |
| US8934100B2 (en) | 2011-08-18 | 2015-01-13 | Tianjin University | Multi-band multiplexing intra-cavity gas sensing system and method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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