CN102305771B - 多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法 - Google Patents

Abstract

多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法。该系统包括激光谐振内腔部分（包括第一光分束器，及由泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器和可调光衰减器构成的两路增益通路、以及光合束器和F-P可调谐光滤波器）、气体传感部分（包括气室和光反射镜）以及探测解调部分（包括光耦合器、第二光分束器、两个光探测器、数据采集模块与计算机）三部分。将掺杂不同稀土离子的有源光纤混叠在同一系统中，使系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使该系统具有同时检测更多种类气体的能力。本发明具有很强的扩展性，可以在系统中通过插入新的增益通路，达到进一步扩展系统波长扫描范围的目的。

Description

多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法

【技术领域】：本发明属于传感及检测技术领域。

【背景技术】：在工业生产过程中，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等行业亟待解决的重要问题之一。同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求越来越高，迫切要求监测、监控有毒、有害气体，减少环境污染，确保身心健康。因此，研制有害气体传感监测系统势在必行，成为当今传感技术发展领域的一个重要课题。

基于光纤传感技术的气体检测方法，特别是近红外吸收光谱定量检测技术在近二十年内得到了迅猛发展。作为一种新型光纤气体传感方法，光纤有源内腔法将气室放入光纤激光器的谐振腔内，并使激光器的激射波长与待测气体的吸收光谱相对应，微弱光信号在谐振腔内往返振荡形成激光的过程中，多次经过待测气体，从而将较小的气室长度等效成为很大的有效吸收光程，极大地提高了气体传感灵敏度。系统在激光器增益介质的增益带内连续扫描一个周期可获得气室内所有气体在该增益带内的吸收光谱，从而具有实现不同种类气体同时传感的能力。

通常采用掺稀土光纤作为光纤激光器的增益介质。目前，比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺等。掺Nd³⁺光纤在1.088μm附近具有激射波长，掺钬(Ho³⁺)光纤在2.1μm附近具有激射波长，掺铒(Er³⁺)光纤在1.55μm波长附近具有很高的增益，掺铥(Tm³⁺)光纤在1.4μm附近具有激射波长，掺镱(Yb³⁺)光纤在0.97μm～1.2μm范围内具有相当宽的激发带。可见，掺稀土光纤的激发带几乎覆盖了整个近红外波段。但是，一种掺杂光纤的增益带只覆盖其中的一部分，可测气体种类有限。若要检测更多种类气体，必须分别搭建不同波段光纤激光内腔式气体传感系统。

因此，若能将不同掺稀土光纤的增益带结合起来，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使系统具有同时检测更多种类气体的能力。

【发明内容】：本发明目的是解决一种掺杂光纤的增益带只覆盖一部分，使可测气体种类有限的问题，提供一种基于多波段混叠式内腔气体传感系统，将掺杂不同稀土离子的有源光纤混叠在同一系统中，使系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使该系统具有同时检测更多种类气体的能力。

本发明具有很强的扩展性，可以通过插入新的增益通路，达到进一步扩展系统波长扫描范围的目的。

本发明原理

本发明提供了一种基于多波段混叠结构的内腔式气体传感系统，大幅拓宽光纤有源内腔法气体传感的波长覆盖范围，使本系统具有同时检测和区分更多种类气体的能力。

掺杂Nd³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺等不同稀土离子的掺杂光纤具有不同波长范围的激发波段，而不同种类的气体吸收波长位置也不相同。如果采用一定的系统将掺杂不同稀土离子的有源光纤组合在一起，便可使该系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，从而大幅拓展了系统激光输出波长的范围，使系统具有同时检测更多种类气体的能力。

如图2所示，F-P可调谐光滤波器具有梳状透射谱。在线性电压的驱动下，透射谱整体同向偏移，且偏移量大小与驱动电压呈近似线性关系。F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围(即相邻两个透射波长的间隔)须大于一种掺杂光纤的增益带，且小于相邻两个不同掺杂光纤的增益带间隔，由此可保证在滤波器的一个自由光谱范围内，其透射波长和驱动电压之间是确定性对应关系。当F-P可调谐光滤波器的梳状透射谱同向连续调谐时，系统在所有掺杂光纤的各自增益带内连续扫描并输出激光，通过两个光探测器可分别获得相应增益带内气体的吸收光谱曲线。也就是说，系统在不同增益带内采集到的气体吸收光谱曲线通过F-P可调谐光滤波器的梳状谱特性得以在波域上实现分离，便于分别检测、解调。

基于以上原理，本发明提供了一种多波段混叠式结构的内腔气体传感系统(如图1)。该传感系统包括激光谐振内腔部分、气体传感部分以及探测解调部分三部分构成，其中：

第一部分，激光谐振内腔部分包括：第一光分束器，第一光分束器的两个输出端口通过光纤分别与第一光波分复用器和第二光波分复用器的一个输入端口连接，第一光波分复用器和第二光波分复用器的另一个输入端口分别与第一泵浦光源和第二泵浦光源的输出端口连接，第一光波分复用器依次连接第一掺杂光纤、第一光隔离器和第一可调光衰减器，第二光波分复用器依次连接第二掺杂光纤、第二光隔离器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端口分别与光合束器的一个输入端口连接，光合束器的输出连接光环形器的第一端口，光环形器的第三端口连接F-P可调谐光滤波器的输入端；

泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器、可调光衰减器构成一个增益通路，对输入的掺杂光纤增益带内光信号进行增益放大，光隔离器保证放大光信号的单向传输，通过调节泵浦光源输出功率或者可调光衰减器损耗可改变通路的增益大小，两个光分束器以及光合束器各端口的波长通带须与该端口连接(或对应)的增益通路增益带一致。

第二部分，气体传感部分包括：气室和光反射镜，气室和光反射镜通过光环形器的第二端口接入激光谐振内腔部分，光反射镜将激光谐振内腔部分输出的信号反射回激光谐振内腔部分，以形成激光谐振；

第三部分，探测解调部分包括：光耦合器，光耦合器的输入端连接F-P可调谐光滤波器的输出，光耦合器的一个输出端口连接第二光分束器的输入端，第二光分束器的两个输出端口分别连接第一光探测器和第二光探测器的输入端，第一光探测器和第二光探测器的输出端分别连接数据采集模块的一个模拟输入端口，数据采集模块连接计算机，数据采集模块的模拟输出端口同时连接F-P可调谐光滤波器的电控输入端口。

两个光探测器分别检测相应增益带系统输出激光信号的大小。

本发明系统具有较强的可扩展性，扩展方法是，增加第一光分束器及光合束器的端口数量，在第一光分束器的输出端口及光合束器的输入端口之间增加由泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器和可调光衰减器构成的增益通路，同时相应增加第二光分束器和数据采集模块的模拟输入端口的数量，在第二光分束器的输出端口和数据采集模块的模拟输入端口之间增加相应数量的光探测器。

新通路的增益带须满足以下三个条件：(1)与系统已有增益通路的增益带互异；(2)增益带宽小于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围；(3)与系统已有增益通路的增益带间隔大于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围。此外，系统还需增加一个光探测器用于检测新加增益通路输出的激光信号，并由数据采集模块同步采集后输入计算机进行处理。

本发明提供的采用以上所述系统进行气体种类和浓度传感的步骤如下：

第一、打开第一泵浦光源和第二泵浦光源的电源，调节两个泵浦光源的泵浦功率，使得传感系统在两个掺杂光纤的激射波段内均输出稳定激光；

第二、向气室中通入混合气体，混合气体中各种类气体的吸收谱线位置应位于第一掺杂光纤或第二掺杂光纤的激射波段内；光信号进入气室后通过反射镜的反射作用以及环形器第二端口到第三端口的单向运行特性，使得经过气体吸收的光信号通过环形器的第三端口输出；

第三、位于两个波段的气体吸收光谱信号经过耦合器和第二光分束器分成两部分分别采用两个光探测器接收，其中，第一光探测器和第二光探测器分别用来探测吸收谱线位于第一掺杂光纤激射波段内和第二掺杂光纤激射波段内的信号；

第四、数据采集模块的模拟输出端口输出电压波形用于驱动F-P可调谐光滤波器实现透射波长扫描，两个模拟输入端口采集两路光探测器输出的光电压值；所有模拟输出和模拟输入端口同步工作；

第五、数据采集模块获得的两路气体吸收光谱信号送入计算机后进行分析处理。由透射波长和驱动电压之间的确定性对应关系，根据驱动电压值可计算气体的吸收波长，再与光谱数据库对应可确定气体种类。由朗伯-比尔定律可知，利用气体吸收光谱的吸收致光强衰减大小可计算被测气体的浓度。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种将具有不同增益波段的多个掺杂光纤混叠起来的内腔式气体传感系统。系统同时覆盖近红外光谱范围内多种掺杂离子的激射波段，可同时实现多种气体的区分识别与浓度传感。较由单一掺杂光纤构成的内腔激光气体传感系统，能够检测的气体种类将大幅增加。

此方法可用于多种混合有害气体的区分识别及浓度检测，可广泛应用于矿业、石化、环保等诸多行业，具有巨大的科研价值和经济效益。

【附图说明】：

图1是多波段混叠式内腔气体传感系统结构示意图，

图中，1是第一光分束器、2是第一泵浦光源、3是第二泵浦光源、4是第一光波分复用器、5是第二光波分复用器、6是第一掺杂光纤、7是第二掺杂光纤、8是第一光隔离器、9是第二光隔离器、10是第一可调光衰减器、11是第二可调光衰减器、12是光合束器、13是光环形器、14是气室、15是光反射镜、16是F-P可调谐光滤波器、17是光耦合器、18是第二光分束器、19是第一光探测器、20是第二光探测器、21是数据采集模块、22是计算机；

图2是F-P可调谐光滤波器的梳状透射谱；

图3是掺铒光纤增益谱；

图4是掺镱光纤增益谱；

图5是多波段混叠式内腔气体传感系统扩展示意图，

图中，23是第一N路光分束器、24是第一增益通路、25是第二增益通路、26是第N增益通路、27是N路光合束器、13是光环形器、14是气室、15是光反射镜、16是F-P可调谐光滤波器、17是光耦合器、28是第二N路光分束器、29是第一光探测器、30是第二光探测器、31是第N光探测器、21是数据采集模块、22是计算机。

图6增益通路结构图

图中，32是信号光输入端、33是泵浦光源、34是光波分复用器、35是掺杂光纤、36是光隔离器、37是可调光衰减器、38是信号光输出端。

【具体实施方式】：

实施例1：多波段混叠式内腔气体传感系统结构的最佳实施方案

以掺铒光纤、掺镱光纤为例，对多波段混叠式内腔气体传感系统的实施进行详细说明。系统结构框图如图1所示，主要包括光分束器、泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤(包括掺铒光纤和掺镱光纤)、光隔离器、可调光衰减器、光合束器、光环形器、气室、光反射镜、F-P可调谐光滤波器、光耦合器、光探测器、数据采集模块、计算机等。

由980nm第一泵浦光源2、第一光波分复用器4(980nm/1550nm)、掺铒光纤6、第一光隔离器8(1550nm波段)、第一可调光衰减器10(1550nm波段)构成增益通路1。由980nm第二泵浦光源3、第二光波分复用器5(980nm/1050nm)、掺镱光纤7、第二光隔离器9(1050nm波段)、第二可调光衰减器11(1050nm波段)构成增益通路2。光隔离器8和9分别用于保证各自增益通路上光信号的单向传输。通过改变泵浦光源2的输出功率或者可调光衰减器10的损耗，可以调节增益通路1的增益。通过改变泵浦光源3的输出功率或者可调光衰减器11的损耗，可以调节增益通路2的增益。光分束器1和18、光合束器12各端口的波长通带范围分别为1.48μm～1.62μm和0.95μm～1.1μm，对应于掺铒光纤、掺镱光纤的增益带。波长通带为1.48μm～1.62μm的端口与增益通路1相连，波长通带为0.95μm～1.1μm的端口与增益通路2相连。光探测器19用于检测增益通路1在1.48μm～1.62μm波段产生的激光信号，光探测器20用于检测增益通路2在0.95μm～1.1μm波段产生的激光信号。系统中其它光器件的通光波长范围覆盖1.48μm～1.62μm和0.95μm～1.1μm两个波段范围。

F-P可调谐光滤波器具有梳状透射谱，如图2所示。在驱动电压的作用下，其透射谱可在一定波长范围内进行连续扫描，F-P可调谐光滤波器的透射波长值决定了系统输出激光的波长。为了保证任意时刻在同一增益带范围内，系统输出激光的波长具有确定性和唯一性，F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围(即相邻两个透射波长的间隔)须大于掺铒光纤和掺镱光纤的增益带宽，且小于两者之间的带宽间隔。掺铒光纤得到增益谱如图3所示，掺镱光纤得到增益谱如图4所示。因此，F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围不应小于200nm。同时，为了保证气体吸收光谱的精确性，F-P可调谐光滤波器的精细度不应低于5000。

系统中由第一光分束器1、两个增益通路、光合束器12、光环形器13、F-P可调谐光滤波器16、光耦合器17通过光纤连接，构成激光谐振内腔。气室14和光反射镜15通过光环形器13接入激光谐振内腔，光反射镜15将内腔输出的信号通过气室14反射回内腔，以形成激光谐振。

本系统实际上相当于一个掺铒光纤内腔气体传感系统和一个掺镱光纤内腔气体传感系统的结构混叠。即采用一个完整的系统结构和两个增益通路，实现两个完整系统的全部功能，从而更好的体现了系统的集成性与通用性。

实施例2：多波段混叠式内腔气体传感系统解调的最佳实施方案

以基于掺铒光纤、掺镱光纤的混叠式内腔气体传感系统为例，详细说明多波段混叠式内腔气体传感系统解调的实施方案。系统结构如图1所示。与计算机相连的数据采集模块模拟输出端口输出的电压波形用于驱动F-P可调谐光滤波器实现透射波长扫描，两个模拟输入端口采集两路光探测器输出的光电压值。所有模拟输出和模拟输入端口同步工作，从而保证了系统输出激光波长与光功率值之间的一一对应关系。

在线性电压驱动下，F-P可调谐光滤波器的梳状透射谱整体同向偏移，且偏移量大小与驱动电压呈近似线性关系。当F-P可调谐光滤波器的梳状透射谱同向连续调谐时，系统输出激光波长可在掺铒光纤和掺镱光纤的增益带内分别实现连续扫描，此时光探测器19和光探测器20可分别采集到气室中所有气体在1.48μm～1.62μm和0.95μm～1.1μm两个波段范围内的全部吸收光谱曲线。也就是说，利用F-P可调谐光滤波器的梳状谱特性，将系统同时扫描到的掺铒光纤和掺镱光纤增益带内全部吸收光谱在波域上实现分离，便于分别解调。

当气室中不含有被测气体时，系统实际采集到的光强为I₀(λ)，其中λ∈[0.95μm，1.1μm]Y[1.48μm，1.62μm]；当气室中含有被测气体时，系统实际采集到的光强为I(λ)，其中λ∈[0.95μm，1.1μm]Y[1.48μm，1.62μm]。则气体的吸光度为K(λ)＝ln[I₀(λ)/I(λ)]，其中λ∈[0.95μm，1.1μm]Y[1.48μm，1.62μm]。在掺铒光纤和掺镱光纤的增益带内，F-P可调谐光滤波器的透射波长是由其驱动电压值唯一确定的，即

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_i=V\left(V_i\right),{\mathrm{\λ}}_i\∈[0.95\mathrm{\μm},1.1\mathrm{\μm}]\\ {\mathrm{\λ}}_j=V\left(V_j\right),{\mathrm{\λ}}_j\∈[1.48\mathrm{\μm},1.62\mathrm{\μm}]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中V_i、V_j代表F-P可调谐光滤波器的驱动电压值。因此，在同一掺杂光纤增益带内，气体吸光度是F-P可调谐光滤波器驱动电压的唯一函数K(V_i)。在不同增益带内，F-P可调谐光滤波器透射波长与其驱动电压值之间的关系可以通过事先标定获得。在气体吸光度曲线K(V_i)上搜寻吸收峰对应的驱动电压值，带入(1)式即可求得气体的吸收波长值。再根据光谱数据库，可确定被测气体的种类。掺铒光纤增益带覆盖的部分气体种类及吸收波长如表1所示，掺镱光纤增益带覆盖的部分气体种类及吸收波长如表2所示。由表1和表2可知，基于掺铒光纤、掺镱光纤的混叠式内腔气体传感系统能够检测的气体种类更加丰富。

根据朗伯-比尔定律，气体的吸光度还可表示为K(λ)＝α(λ)cL，其中α(λ)为气体对光束的吸收截面，c为气体浓度，L为有效吸收光程。因此，气体的浓度大小与气体吸收光谱的吸收致光强损耗成线性比例关系。如果对浓度-吸光度曲线进行事先标定，根据吸光度的峰值大小即可计算被测气体的浓度。因此，本系统可同时实现多种气体的种类识别和浓度检测。

表1掺铒光纤增益带覆盖气体种类及吸收波长

气体种类	气体吸收峰波长(nm)
		乙炔(C2H2)	1530
氨气(NH3)	1544
		一氧化碳(CO)	1567
二氧化碳(CO2)	1573
		硫化氢(H2S)	1578

表2掺镱光纤增益带覆盖气体种类及吸收波长

气体种类	气体吸收峰波长(nm)
		溴化氢(HBr)	1026
二氧化碳(CO2)	1049
		氧气(O2)	1068
水蒸气(H2O)	1092
		一氧化氮(NO)	1095
甲烷(CH4)	1098

实施例3：多波段混叠式内腔气体传感系统扩展的最佳实施方案

本系统具有较强的可扩展性，其系统扩展示意图如图5所示，其中增益通路的结构如图6所示。只要增加光分束器及光合束器的端口数量，就可以插入若干新的增益通路。新通路的增益带须满足以下三个条件：(1)与系统已有增益通路的增益带互异；(2)增益带宽小于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围；(3)与系统已有增益通路的增益带间隔大于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围。此外，系统还需增加一个光探测器用于检测新加增益通路输出的激光信号，并由数据采集模块同步采集后输入计算机进行处理。扩展系统相当于若干个单一掺杂光纤内腔气体传感系统的叠加，增益带覆盖范围更宽，因此具有更强的气体检测能力。

Claims (3)

1.一种基于多波段混叠式结构的内腔气体传感系统，其特征在于该系统包括激光谐振内腔部分、气体传感部分和探测解调部分三个部分，其中：

第一部分，激光谐振内腔部分包括：第一光分束器，第一光分束器的两个输出端口通过光纤分别与第一光波分复用器和第二光波分复用器的一个输入端口连接，第一光波分复用器和第二光波分复用器的另一个输入端口分别与第一泵浦光源和第二泵浦光源的输出端口连接，第一光波分复用器的输出端口依次连接第一掺杂光纤、第一光隔离器和第一可调光衰减器，第二光波分复用器的输出端口依次连接第二掺杂光纤、第二光隔离器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端口分别与光合束器的一个输入端口连接，光合束器的输出连接光环形器的第一端口，光环形器的第三端口连接F-P可调谐光滤波器的输入端；

第二部分，气体传感部分包括：气室和光反射镜，气室和光反射镜通过光环形器的第二端口接入激光谐振内腔部分，光反射镜将激光谐振内腔部分输出的信号反射回激光谐振内腔部分，以形成激光谐振；

第三部分，探测解调部分包括：光耦合器，光耦合器的输入端连接F-P可调谐光滤波器的输出，光耦合器的一个输出端口连接第一光分束器的输入端，光耦合器的另一个输出端口连接第二光分束器的输入端，第二光分束器的两个输出端口分别连接第一光探测器和第二光探测器的输入端，第一光探测器和第二光探测器的输出端分别连接数据采集模块的一个模拟输入端口，数据采集模块连接计算机，数据采集模块的模拟输出端口同时连接F-P可调谐光滤波器的电控输入端口。

2.根据权利要求1所述的气体传感系统，其特征在于该系统具有较强的可扩展性，扩展方法是，增加第一光分束器及光合束器的端口数量，在第一光分束器的输出端口及光合束器的输入端口之间增加由泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器和可调光衰减器构成的增益通路，同时相应增加第二光分束器和数据采集模块的模拟输入端口的数量，在第二光分束器的输出端口和数据采集模块的模拟输入端口之间增加相应数量的光探测器。

3.一种采用权利要求1所述气体传感系统进行气体种类和浓度传感的方法，其特征在于该方法的步骤如下：

第一、打开第一泵浦光源和第二泵浦光源的电源，调节两个泵浦光源的泵浦功率，使得传感系统在两个掺杂光纤的激射波段内均输出稳定激光；

第二、向气室中通入混合气体，混合气体中各种类气体的吸收谱线位置应位于第一掺杂光纤或第二掺杂光纤的激射波段内；光信号进入气室后通过反射镜的反射作用以及环形器第二端口到第三端口的单向运行特性，使得经过气体吸收的光信号通过环形器的第三端口输出；

第三、位于两个波段的气体吸收光谱信号经过耦合器和第二光分束器分成两部分分别采用两个光探测器接收，其中，第一光探测器和第二光探测器分别用来探测吸收谱线位于第一掺杂光纤激射波段内和第二掺杂光纤激射波段内的信号；

第四、数据采集模块的模拟输出端口输出电压波形用于驱动F-P可调谐光滤波器实现透射波长扫描，两个模拟输入端口采集两路光探测器输出的光电压值；所有模拟输出和模拟输入端口同步工作；

第五、数据采集模块获得的两路气体吸收光谱信号送入计算机后进行分析处理；由透射波长和驱动电压之间的确定性对应关系，根据驱动电压值计算气体的吸收波长，再与光谱数据库对应确定气体种类；由朗伯-比尔定律，利用气体吸收光谱的吸收致光强衰减大小计算被测气体的浓度。

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