CN102207458A - 基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，本发明属于传感器与测量技术领域。由宽带光源11，两个光纤环形器12和19，样品吸收池13，解调用光纤光栅15、16和20，折射率匹配液17，调谐单元18，两个光电探测器21和22，信号处理单元23及光纤链路组成。其特点是解调用光纤光栅15的布拉格反射波长与被测物的近红外吸收波长相同，光纤光栅16和20的布拉格反射波长相同，但与光纤光栅15的布拉格发射波长不同，这样，利用巧妙设计的光纤链路结构，结合差分检测方法，实现浓度的测量，同时解决了光源功率波动等给测量带来的影响问题。

Description

基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，属于传感器与检测技术领域。

背景技术

光谱吸收式光纤气体传感机理是基于气体在近红外波段的选择吸收特性，利用气体在石英光纤透射窗口(0.8μm-1.7μm)内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，得到气体的浓度。

国外对光谱吸收式光纤气体传感器的研究起源于20世纪80年代初。由于光源技术发展的限制，最初十年左右的研究，光源都是选用LED宽带光源。(K.Chan，H.Ito，H.Inaba，et al.An Optical-Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level CH₄ Gasin the Near-Infrared Region.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2(3)，1984)采用InGaAsP LED做光源，结合介电干涉滤波器或单色仪，2千米的传输光纤进行传光，利用甲烷气体在1.66μm的近红外吸收，所用气室长度为50厘米，得到的探测灵敏度是700ppm。分布反馈式(DFB)激光器的出现，利用激光器的高功率特性和可调谐性并结合谐波检测技术，使光纤气体传感器的精度有了很大提高。如(V.Weldon，J.O’Gorman，P.Phelan，et al.H₂S and CO₂ gas sensing using DFB laser diodes emitting at 1.57μm.SENSORS AND ACTUATORS B，29，1995)研制成功用于监测二氧化碳(CO₂)以及硫化氢(H₂S)的光学式气体检测仪，在仪器中，利用1.573μm的DFB激光器作为光源，两种仪器的灵敏度分别为：CO₂为100×10^-6，H₂S优于安全爆炸限10×10^-6。但是气体传感波段的DFB激光器成本居高不下，对于单点光纤气体传感系统，如此高的成本将限制它与其他类型的传感器竞争。人们开始利用光纤宽带和易于成网的特点进行多点光纤气体传感器的研究，使得多个光纤气体传感探头共用同一激光光源或者同一信号处理设备，大大降低成本。如(G.Stewart，C.Tandy，D.Moodie，et al.Design of a fibre optic multi-point sensor for gas detection.SENSORS AND ACTUATORS B，51，1998)报道了利用空分复用方式工作的多点光纤气体传感技术，试验结果显示在复用数量不多的情况下，它的精度与单点系统相当；(M.ZavrSnik，G.Stewart.Coherence Addressing of Quasi-Distributed Absorption Sensors by the FMCW Method.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，18(1)，2000)发表了基于相干复用串联的光纤气体传感复用系统，但是由于串联系统本身固有结构的限制，这个系统的各传感单元间串扰复杂，测量数目及测量灵敏度都不是很高。

最近几年，由于光纤激光器的发展，它输出波长的可调谐性和高功率特性使其成为光纤气体检测的可选光源，如(G.Whitenett，G.Stewart，H.B.Yu，et al.Investigation of a Tuneable Mode-Locked Fiber Laser for Application to Multipoint Gas Spectroscopy.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，22(3)，2003)提出了基于锁模光纤激光器的光纤气体传感器模型。另外，由于气体在近红外波段的吸收比较弱，高灵敏度光谱吸收技术也是光纤气体检测的研究重点，内腔吸收光谱分析技术和衰荡光谱分析技术应用于光纤气体检测系统可以提高测试灵敏度，但是，系统的稳定性有待进一步提高。

国内对光纤气体传感器的研究起步比较晚，始于20世纪90年代初，而且都是一些理论与试验研究，没有实际应用。(曹茂永，张逸芳，张士昌，吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计，煤炭学报，22(3)，1997)对吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参数设计进行了探讨，利用差分吸收法消除光源不稳定性及光电器件的温漂、时漂对测量准确度的影响。(喻洪波，何海律，靳伟，连续波调频技术复用的光纤气体多点传感系统，激光杂志，22(2)，2001)利用连续波调频(FMCM)技术复用多个气体吸收型光纤传感器，给出了理论模型。(孙晓峰，康智慧，姜云，利用LED探测甲烷气体浓度的实验研究，光子学报，34(8)，2005)采用LED作为光源，利用可调谐法布里-珀罗腔的选频特性进行检波，并采用差分吸收检测，显著提高了检测的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于为了克服已有技术的不足之处，实现一种结构简单、成本低、且具有可扩展为多点准分布式检测功能的实用型信号解调方法。

本发明提出一种新颖的基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，包括样品吸收池结构和差分检测电路系统。其特征在于，包括以下内容：

1.基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，主要包括宽带光源，两只光纤环形器，样品吸收池，解调用光纤光栅1、2、3，光纤链路，调谐单元，折射率匹配液，两个光电探测器及信号处理单元，其特征在于：所述的光纤链路为：光源发出的光经过光纤进入光纤环形器1的端口1，从光纤环形器1的端口2出来的光经过样品吸收池，然后到达解调用光纤光栅1，满足光纤光栅1布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光继续传播至光纤光栅2，满足光纤光栅2布拉格反射条件的特定波长的光也将被反射，其余的光经过光纤光栅2透射后被折射率匹配液吸收；所述的光纤光栅1和光纤光栅2具有不同的反射波长，其中，光纤光栅1的反射波长与被测样品的近红外吸收峰值相同，光纤光栅2的反射波长与光纤光栅3的反射波长相同；这样经过光纤光栅1和光纤光栅2反射的反射光再次经过样品吸收池回到光纤环形器1，由光纤环形器1的端口3传至光纤环形器2的端口1，再从光纤环形器2的端口2输出到达光纤光栅3；由于光纤光栅3与光纤光栅2具有相同的反射峰，而与光纤光栅1的反射峰不同，所以，经过光纤光栅1反射的光信号(即与样品的近红外吸收峰相同波长的传感信号)将透过光纤光栅3而被光电探测器1接收，而经过光纤光栅2反射的光信号(即与光纤光栅3反射波长相同，作为参考信号)将被光纤光栅3反射，经由光纤环形器2的端口3出射后，被光电探测器2接收。

2.按照权利要求1所述的基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，其特征在于：所述的光纤光栅1被粘结在所述的调谐单元表面上，所述的调谐单元由压电陶瓷材料制成的微位移驱动器和驱动电路构成；微位移驱动器在驱动信号变化时，将发生伸长或收缩变形，致使粘结在其表面的光纤光栅1的反射光波长发生调谐，因此，这种方法可以实现具有不同近红外吸收波长的不同被测物浓度的检测。

本发明具有如下特点：

(1)解调系统具有可调谐性，可实现单点多种被测物的浓度检测；

(2)可构成多点准分布式传感器网络结构；

(3)解调方法简单、解调系统成本低。

附图说明

图1为本发明提供的基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法示意图。

图2为利用本发明实现多点准分布式传感器网络结构示意图。

具体实施方式

本发明提出基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，结合附图说明如下：

图1为基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法示意图。光源(1)发出的光经过光纤进入光纤环形器1(12)的端口1，从光纤环形器1的端口2出来的光经过样品吸收池(13)，然后到达解调用光纤光栅1(15)，满足光纤光栅1布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光继续传播至光纤光栅2(16)，满足光纤光栅2布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光经过光纤光栅2透射后被折射率匹配液(17)吸收；所述的光纤光栅1和光纤光栅2具有不同的反射波长，其中，光纤光栅1的反射波长与被测样品的近红外吸收峰值相同，光纤光栅2的反射波长与光纤光栅3(20)的反射波长相同；这样经过光纤光栅1和光纤光栅2反射的反射光再次经过样品吸收池回到光纤环形器1，由光纤环形器1的端口3传至光纤环形器2(19)的端口1，再从光纤环形器2的端口2输出到达光纤光栅3；由于光纤光栅3与光纤光栅2具有相同的反射峰，而与光纤光栅1的反射峰不同，所以，经过光纤光栅1反射的光信号(即与样品的近红外吸收峰相同波长的传感信号)将透过光纤光栅3而被光电探测器1(21)接收，而经过光纤光栅2反射的光信号(即与光纤光栅3反射波长相同，作为参考信号)将被光纤光栅3反射，经由光纤环形器2的端口3出射后，被光电探测器2(22)接收。

采用的差分吸收检测方法是指采用波长为λ₁和λ₂的光分别作为传感信号和参考信号，由光电探测器1和2分别探测到的是传感信号和参考信号，将两路信号经信号处理单元(23)做差分和除法处理，从而有效的消除由于光源、光纤和传感部分的不稳定和变化导致的测量误差，从而提高系统的抗干扰性。

根据朗伯-比尔定律，以及考虑部分干涉因素，光电探测器1和2接收到的两路信号的光强可分别表示为：

I(λ₁)＝I₀(λ₁)K(λ₁)exp[-α(λ₁)rcl+β₁l+γ₁l+δ₁]      (1)

I(λ₂)＝I₀(λ₂)K(λ₂)exp[-α(λ₂)rcl+β₂l+γ₂l+δ₂]      (2)

其中，I₀(λ_i)为波长为λ_i(i＝1，2)时入射光强；I(λ_i)为出射光强；K(λ_i)为比例系数；α(λ_i)为一定浓度下的单位浓度、单位长度的吸收系数；c为浓度；l为样品吸收池长度；β为瑞利散射系数；γ为米氏散射系数；δ为浓度波动造成的吸收系数；r为相对灵敏度。

由式(1)、(2)做除法运算可得：

$c=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·l\·r}[\ln \frac{I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}-\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}+({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)\·l+({\mathrm{\γ}}_1-{\mathrm{\γ}}_2)\·l+{\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_1]---\left(3\right)$

由于λ₁和λ₂相差很小，可以认为β₁≈β₂；γ₁≈γ₂；δ₁≈δ₂，因此

$c=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·l\·r}\ln \frac{I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}---\left(4\right)$

调节光学系统，使得：

I₀(λ₁)K(λ₁)＝I₀(λ₂)K(λ₂)，且

将In(I(λ₂)/I(λ₁))进行展开可得：

$\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\≈\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(6\right)$

浓度最终可以表示为：

$c=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]\·l\·r}\·\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(7\right)$

根据上式可知，在波长λ₁和λ₂下，若吸收系数α(λ₁)、α(λ₂)确定的话，则通过确定I(λ₁)和I(λ₂)的值可以确定浓度的大小。

利用本发明，也可以实现多点准分布式传感网络信号的解调，如图2所示。利用光纤光开关可以将n个传感节点按时分复用的方式构成传感器网络结构，每个传感节点都包含吸收池、光纤光栅1(FBGn1)和光纤光栅2，其中的FBGn1的各个反射峰的中心波长各不相同，与各自传感节点的被测样品的吸收峰保持一致，而FBG2可选择相同参数的，以保证系统结构简单。这样，利用同一套光源和信号处理方案，可以实现多点的准分布式浓度检测。

Claims (2)

1.基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，主要包括宽带光源，两只光纤环形器，样品吸收池，解调用光纤光栅1、2、3，光纤链路，调谐单元，折射率匹配液，两个光电探测器及信号处理单元，其特征在于：所述的光纤链路为：光源发出的光经过光纤进入光纤环形器1的端口1，从光纤环形器1的端口2出来的光经过样品吸收池，然后到达解调用光纤光栅1，满足光纤光栅1布拉格反射条件的特定波长的光将被反射，其余的光继续传播至光纤光栅2，满足光纤光栅2布拉格反射条件的特定波长的光也将被反射，其余的光经过光纤光栅2透射后被折射率匹配液吸收；所述的光纤光栅1和光纤光栅2具有不同的反射波长，其中，光纤光栅1的反射波长与被测样品的近红外吸收峰值相同，光纤光栅2的反射波长与光纤光栅3的反射波长相同；这样经过光纤光栅1和光纤光栅2反射的反射光再次经过样品吸收池回到光纤环形器1，由光纤环形器1的端口3传至光纤环形器2的端口1，再从光纤环形器2的端口2输出到达光纤光栅3；由于光纤光栅3与光纤光栅2具有相同的反射峰，而与光纤光栅1的反射峰不同，所以，经过光纤光栅1反射的光信号(即与样品的近红外吸收峰相同波长的传感信号)将透过光纤光栅3而被光电探测器1接收，而经过光纤光栅2反射的光信号(即与光纤光栅3反射波长相同，作为参考信号)将被光纤光栅3反射，经由光纤环形器2的端口3出射后，被光电探测器2接收。

2.按照权利要求1所述的基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，其特征在于：所述的光纤光栅1被粘结在所述的调谐单元表面上，所述的调谐单元由压电陶瓷材料制成的微位移驱动器和驱动电路构成；微位移驱动器在驱动信号变化时，将发生伸长或收缩变形，致使粘结在其表面的光纤光栅1的反射光波长发生调谐，因此，这种方法可以实现具有不同近红外吸收波长的不同被测物浓度的检测。

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