CN101710068B - 一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，其特征在于光源通过单模光纤与光纤分束器连接，从光纤分束器中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器的第一个端口连接；两个光纤环行器的第二个端口通过单模光纤连接传感头的两个输入端；两个光纤环行器的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，光电探测器的接收面平行于两个输出端形成的平面；光电探测器的输出端联接信号处理系统。本发明采用宽带光源，可以获得更大的辐射通量，同时记录全部的光谱成分，光能输出更大，具有更高的灵敏度和信噪比，降低了对光源的要求，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高的通用性。

Description

一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器

技术领域

本发明涉及一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，光纤气体传感器技术领域。

背景技术

光纤气体传感技术是一种新型的气体检测技术。光纤具有独特的导光特点，因而利用光纤制作的传感器具有一系列传统传感器所不能比拟的优点。光纤具有传输损耗低、直径小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、及抗电磁干扰等优点，因而可以将光纤传感器放置在高温、潮湿、强噪声、易燃、易爆、有毒等恶劣或危险的环境中，用光纤将感知信号引出，在安全地带进行远距离在线遥控测量。此外，光纤传感器还具有稳定性高、测量灵敏度高、响应速度快、易于组成网络等特点。

光纤气体传感器的理论基础是气体光谱理论和比尔-兰伯定律。由于气体分子具有不同的能级，所以气体分子只能吸收能量等于其能级差的光子。不同分子结构的气体只能吸收满足其结构特性的特定频率的光子，即分子选择吸收特定波长的光子。分子吸收能量后，跃迁到激发态。由于激发态的不稳定性，在激发态停留很短的时间后，分子跃迁到稳定状态，并伴随着能量的辐射。由于辐射具有方向任意性，沿特定方向的这个吸收波长的能量将减小，即分子吸收特定波长的光波。由于不同气体分子具有不同的分子结构，其吸收谱线也有差异性，因此可以通过检测分子的吸收谱线来确定气体分子。

光在吸收介质中传播时，其能量沿传播路径不断地衰减。比尔-兰伯定律指出，光沿其传播路径损耗的能量(即介质吸收的能量)与光通过的路径长度成正比。若取初始光强为I₀，则输出光强I满足以下关系：

I＝I₀e^-αLC

$C=\frac{1}{\mathrm{\αL}}\mathrm{In}\left(\frac{I_0}{I}\right)$

其中，α为摩尔气体分子吸收系数，L为气体分子作用长度(传输距离)，C为待测气体的浓度。当作用长度L固定时，输出光强随着气体浓度的增大呈指数形式衰减。因此，通过测量输出光强就能检测出气体浓度。

由于气体的吸收光谱具有多个吸收峰，为了提高传感的灵敏度，传统的光纤气体传感器一般采用单谱线吸收方法，这就要求所采用的光源必须是窄带光源，而且需要已知被测气体，以及被测气体的吸收频谱范围。为了获得最大吸收，还需要将光源的中心波长锁定在被测气体的吸收峰上。因此，光源波长的稳定性对于测量性能有重要的影响，且不具有通用性。在实际的情况中，由于受到环境影响，光源的波长会发生漂移，从而偏离吸收峰的位置，使测量精度降低。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，可以利用宽带光源，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高的通用性。

技术方案

一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，其特征在于包括光源1，光纤分束器2，2个光纤环形器3，传感头5，光电探测器9；光源1通过单模光纤与光纤分束器2连接，从光纤分束器2中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器3的第一个端口连接；两个光纤环行器3的第二个端口通过单模光纤连接传感头5的两个输入端；两个光纤环行器3的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端S₁、S₂平行固定，光电探测器9的接收面平行于两个输出端S₁、S₂形成的平面；光电探测器9的输出端联接信号处理系统10；所述的传感头5包括两个平行的结构相同的气室6，其中一个为开放气室，另一个为密闭的、内部为标准气压的空气气室；所述的气室6的一端固定自聚焦透镜11，自聚焦透镜11的外端连接来自于光纤环行器3的单模光纤；气室6的另一端为平行于自聚焦透镜11端面放置的全反射棱镜12。

所述的气室6的另一端的全反射棱镜12采用高反射率的平面镜13取代。

全反射棱镜12或高反射率的平面镜13后设有调节旋钮14。

所述的光电探测器9在光源为0.4～1.1μm波长时，选用高分辨率线阵CCD探测器。

所述的光电探测器9在光源为1.0～2.5μm波长时，选用InGaAs线性成像探测器。

所述的光电探测器9在光源为3.0～5.0μm波长时，选用GaAs中红外量子阱探测器。

一种利用所述的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器测量气体成分的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对光电探测器件转化的表现干涉光强分布的电信号进行傅里叶余弦变换算法，得到干涉的光谱强度分布 $i\left(u\right)={\∫}_0^{\∞}2I\left(l\right)\cos \left(2\mathrm{\πul}\right)\mathrm{dl};$

步骤2：对测得的光谱强度分布函数进行积分得到输出光强I，得到被测气体的浓度 $C=\frac{1}{2\mathrm{\αL}}\mathrm{In}\left(\frac{I_0}{I}\right),$ 其中：I₀为已知入射光强、L为气室长度；

步骤3：对得到的光谱强度分布与入射光强度分布做差，得到气体选择吸收峰，根据吸收峰与不同气体吸收波长的相异性，查表得到气体成分。

有益效果

本发明的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，采用宽带光源，其光谱宽度能够覆盖待测气体的特征吸收光谱，因而不需要光源光谱与气体吸收谱线严格对应，稳定性更强。而且，由于采用宽带光源，可以获得更大的辐射通量，能够同时记录全部的光谱成分，光能输出更大，故具有更高的灵敏度和信噪比。此外，采用宽带光源，降低了对光源的要求，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高的通用性。

附图说明

图1是本发明中基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器的结构示意图。

图2是图1中的采用全反射棱镜的传感头结构示意图。

图3是图1中的采用高反射率的平面镜的传感头结构示意图。

图4是图1中的光纤探测系统结构示意图。

图中，光源1，光纤分束器2，光纤环行器3、4，传感头5，气室6，标准单模光纤7，光电探测系统8，空间高分辨率的阵列光电探测器9，信号处理系统10，自聚焦透镜11，全反射棱镜12，高反射率的平面镜13，调节旋钮14，出射光纤15。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明设计的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器结构示意图如图1所示，包括：宽带光源1，光纤分束器2，光纤环形器3、4，传感头5，标准单模光纤7，空间高分辨率的阵列光电探测器9，信号处理系统10。

其中宽带光源1的波长为0.4～1.1μm，光电探测器9选择高分辨率线阵CCD探测器，所有连接的光纤为单模光纤。

传感头5包括两个平行的气室6，气室6的长度为30cm。所述的气室6的一端固定自聚焦透镜11，气室6的另一端为平行于自聚焦透镜11端面放置的全反射棱镜12。

光源1通过单模光纤与光纤分束器2连接，从光纤分束器2中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器3的第一个端口连接；两个光纤环行器3的第二个端口通过单模光纤连接传感头5的两个输入端；两个光纤环行器3的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端S₁、S₂平行固定，光电探测器9的接收面平行于两个输出端S₁、S₂形成的平面；光电探测器9的输出端联接信号处理系统10；所述的两个输出端S₁、S₂的间距为6cm。

光源发出的光经光纤分束器2分为等强度的两束光。一束光经过光纤环形器和标准单模光纤传输后，进入传感头其中的一个开放气室。光在气室中传播L距离后，被全反射棱镜或高反射率的平面镜反射，再传播L距离后，通过自聚焦透镜耦合回到光纤中，从传感头中导出，完成气体对光谱的选择吸收，即完成气体传感。另一束光经过相同的光纤环形器和等长度的标准单模光纤传输后，进入传感头由自聚焦透镜耦合到另一个密闭的、内部为标准气压的空气的气室中。开放气室中为待测浓度为C的气体，光在气室中传播的实际距离为2L，由于气体对光谱的选择吸收，从开放气室中导出的光强满足条件：

I＝I₀e^-α2LC

I₀为导入到气室中的初始光强。由于气体对光谱的选择吸收，从开放气室导出的光的光谱将发生变化。密闭气室导出的光的光谱没有变化。

如图4所示，从传感头的气室中导出的两束光分别经过等长度的标准单模光纤传输后，进入光纤环形器，并由与光纤环行器输出端口c相连的标准单模光纤导入光电探测系统中，光纤的输出端平行固定在光电检测系统中，间距为6cm。在相距出射端为s的距离上放置的高分辨率线阵CCD探测器，接收出射光的叠加光场，得到干涉光强分布。

S₁和S₂分别为两光纤出射端面，两束出射光分别经过路径l₁和l₂后到达P点并产生干涉，P点为光电探测器上的一点，则S₁和S₂的光振动分别为

S₁和S₂点的振动传播到P点后，分别形成新的光振动

它们在P点的合振动为E_p＝E_1p+E_2p，P点的干涉光强度为

$I={|E_{1p}+E_{2p}|}^2$

待测气体的浓度引起的折射率变化一般都很小，为10^-6量级，因而可以认为经过相同长度的充满空气和待测气体的气室后，在S₁和S₂端的光振动初始相位差为零。

$I=A_{1p}^2+A_{2p}^2+2A_{1p}{A}_{2p}\cos \left(2\mathrm{\πul}\right)$

式中，l＝l₁-l₂为两束光的光程差(假定气体折射率为1)，k＝2πu为空间圆频率。干涉光的强度随光程差的变化而变化，即干涉强度是关于光程差的余弦函数。因此，在光程差为l的P点，宽带光形成的干涉光场等于各个波长成分的叠加。通过对波长(频率)的叠加，可以得到P点的强度分布为

$I\left(l\right)=\∫\mathrm{dI}(l,u)=\∫[A_{1p}^2+A_{2p}^2+{2A}_{1p}{A}_{2p}\cos \left(2\mathrm{\πul}\right)]\mathrm{du}$

上式包含两部分：第一部分与光程差l无关，代表干涉信号的直流成分；第二部分与光程差l有关，代表干涉信号的交流成分。投射在空间高分辨率的阵列光电探测器光敏面上的，将是一组由不同波长成分的双光束干涉形成的且按光程差大小排列的等间距余弦平方型干涉条纹图样的叠加，因而空间高分辨率的阵列光电探测器探测到的干涉条纹强度分布就是I(l)。

光电探测器件接收到干涉光强分布后，将其光信号转化成电信号，传输到信号处理系统。

信号处理系统对电信号进行处理，滤掉直流部分，提取交流部分进行分析。设干涉的宽带光谱强度分布为i(u)，根据傅里叶余弦变换算法，可以由空间光强分布反演得到光谱强度分布

$i\left(u\right)={\∫}_0^{\∞}2I\left(l\right)\cos \left(2\mathrm{\πul}\right)\mathrm{dl}$

通过信号处理系统对干涉图的强度分布进行一维傅里叶余弦变换，得到输出光的光谱强度分布。得到输出光的光谱强度分布后，利用光谱吸收函数及其推导公式，在已知气室长度L的情况下，得到被测气体的浓度C，分析输出光的光谱吸收峰位置，得到气体成分。

当开放气室的气体浓度随环境变化时，由于光纤传感器和空间高分辨率阵列光电探测器的响应速度很快，可以通过设定采样间隔时间，利用计算机进行实时自动监测气体浓度和气体成分变化。当监测的气体为易燃，易爆的气体时，还可以通过分析判断气体浓度和成分变化，给出预警信号。

Claims (2)

1.一种利用基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器测量气体成分的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对光电探测器件转化的表现干涉光强分布的电信号进行傅里叶余弦变换算法，得到干涉的光谱强度分布

步骤2：对测得的光谱强度分布函数进行积分得到输出光强I，得到被测气体的浓度其中：I₀为已知入射光强、α为摩尔气体分子吸收系数、L为气室长度；

步骤3：对得到的光谱强度分布与入射光强度分布做差，得到气体选择吸收峰，根据吸收峰与不同气体吸收波长的相异性，查表得到气体成分；

所述的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器包括光源(1)，光纤分束器(2)，2个光纤环形器(3)，传感头(5)，光电探测器(9)；光源(1)通过单模光纤与光纤分束器(2)连接，从光纤分束器(2)中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器(3)的第一个端口连接；两个光纤环行器(3)的第二个端口通过单模光纤连接传感头(5)的两个输入端；两个光纤环行器(3)的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端S₁、S₂平行固定，光电探测器(9)的接收面平行于两个输出端S₁、S₂形成的平面；光电探测器(9)的输出端联接信号处理系统(10)；所述的传感头(5)包括两个平行的结构相同的气室(6)，其中一个为开放气室，另一个为密闭的、内部为标准气压的空气气室；每个气室(6)的一端固定自聚焦透镜(11)，自聚焦透镜(11)的外端连接来自于光纤环行器(3)的单模光纤，另一端为平行于自聚焦透镜(11)端面放置的全反射棱镜(12)。

2.根据权利要求1所述的利用基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器测量气体成分的方法，其特征在于：所述的每个气室(6)的另一端的全反射棱镜(12)采用高反射率的平面镜(13)取代。

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