CN103424375A - 一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，属光纤气体检测技术领域，包括宽带红外光源、光开关、气体传感器阵列、终端设备，其特征在于宽带红外光源与光开关输入端相连，光开关控制端与终端设备相连，光开关的各路输出与气体传感器阵列相连接，气体传感器阵列输出端连接到终端设备；气体传感器阵列包括多个气体传感子系统，由多个气体传感子系统串接成气体传感器系列，再由多个气体传感器系列并行组成气体传感器阵列,其中的光纤布拉格光栅作为波长选择器件为多通道多点位监测网络提供不同波长的窄带光源。本发明的显著优点在于该系统只用一个光源便可以同时检测多通道多点位的气体浓度，灵敏度高，结构简单，成本低。

Description

一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于气体差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，属光纤气体检测技术领域。

背景技术

气体浓度检测是环境保护、生产制造、电力等领域一项不可或缺的工作。在众多检测技术中，基于红外吸收光谱技术的检测手段应用十分广泛，且随着分布反馈（DFB）可调谐半导体激光器制作技术的不断成熟及此类激光器的商业化推广，可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术更成为气体检测技术中最常用的技术之一。但是，常规商用DFB激光器的电流可调谐波长范围只有约1纳米，而气体吸收谱线全线宽约为1纳米，该情况下一个DFB激光器可调谐波长范围只能覆盖一条气体吸收谱线，即一个DFB激光器只能作为某一种气体探测器的光源。

中文核心期刊<光通信技术>2009，第9期，47—49页，作者为余鑫、王洪海、赵磊、李珍珍，题为“多通道多气体光纤传感技术的研究”的文章中提出一种利用具有不同工作波长的DFB半导体激光器作为光源、应用光纤分路器分光实现多通道的可同时检测甲烷和一氧化碳浓度的光纤传感技术，具有高灵敏度、高精度、稳定性好等优点，但是，该系统需要采用多个具有不同工作波长的DFB激光器分别作为某一种气体的光源，在多组分气体检测时采用多个DFB激光器会使系统结构复杂、经济性差，并且与部分气体（如氮氧化物）吸收谱线对应的DFB激光器价格昂贵甚至极难获取，如此大大限制了可检测气体的种类。

宽带红外光源和基于光纤布拉格光栅的分光技术为解决上述问题提供了基础。现有的宽带红外光源如掺铒光纤放大自发辐射光源和发光二极管均具有良好的输出特性、非常成熟的工艺和低廉的成本，在近红外甚至中红外可输出较大功率、宽波长范围的红外光；而光纤布拉格光栅因其出色的波长选择特性在温度、应变、振动等检测领域应用广泛，在此期间，人们对布拉格光栅中心波长的控制进行了长期不懈的研究，这为稳定分光提供了支持。

发明内容

为了克服现有多点位气体浓度检测方法存在的问题，本发明提出了一种基于宽带红外光源和光纤布拉格光栅的多通道多点位气体浓度检测系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，包括宽带红外光源、光开关、气体传感器阵列、终端设备，其特征在于宽带红外光源与光开关输入端相连，光开关控制端与终端设备相连，光开关的各路输出与气体传感器阵列相连接，气体传感器阵列输出端连接到终端设备；

所述气体传感器阵列包括多个气体传感系列，每个气体传感系列包括多个气体传感子系统，每个子系统包括三端口光纤环形器、光纤布拉格光栅、1×2等分光比光纤分路器、光纤型气室、两个光电探测器A、B和信号提取处理电路，其中光开关一路输出端与一个光纤环形器输入端相连，光纤环形器第一输出端连光纤布拉格光栅，光纤环形器第二输出端与1×2等分光比光纤分路器输入端相连，1×2等分光比光纤分路器输出端中的一端与光纤型气室相连，光纤型气室输出端连接到一个光电探测器A的光输入端，光电探测器A的输出端接入信号提取处理电路中；1×2等分光比光纤分路器的另一个输出端直接连接到另一光电探测器B的光输入端，光电探测器B的输出端连接到信号提取处理电路中，信号提取处理电路输出端连接到终端设备；光纤布拉格光栅的输出端与下一个子系统的光纤环形器输入端相连，这样多个气体传感子系统串接成一个气体传感器系列，光开关的多路输出端分别与多个气体传感器系列并行连接组成气体传感器阵列,其中的光纤布拉格光栅作为波长选择器件为多通道多点位监测网络提供不同波长的窄带光源；

所述的信号提取处理电路包括正负电源、光电探测器D1、D2、双极结型晶体管Q1、Q2、Q3、单运算放大器U2、双运算放大器U1(包括U1A、U1B)、仪表放大器U3、通用有源滤波芯片U4，其中信号通道的光电探测器D1负极接正电源V+，其正极接双极结型晶体管Q1的发射极，双极结型晶体管Q1的基极接地，其集电极接双极结型晶体管Q3的集电极，双极结型晶体管Q3的基极接电阻R3一端，其发射极接参考通道光电探测器D2的负极，双极结型晶体管Q2的基极和集电极均接地，其发射极接光电探测器D2的负极，光电探测器D2正极接负电源V-；电阻R3的另一端接双运算放大器的U1A的输出端，U1A的负输入端经电阻R2和U1B的输出端相连接，U1A、U1B的正输入端均接地，U1B的负输入端接双极结型晶体管Q1的集电极，并经电阻R1连接到U1B的输出端，电容C1两端分别接到U1A的负输入端和输出端，U1A的输出端分别经电阻R3、电阻R9和双极结型晶体管Q3的基极及单运算放大器U2的负输入端相连接；单运算放大器U2的负输入端经电阻R4与其输出端相连接,其输出端连接到仪表放大器U3的正输入端，其正输入端接地；仪表放大器U3的负输入端接直流电源，其输出端经电阻R5连接到通用有源滤波芯片U4输入端；通用有源滤波芯片U4输入端经电阻R6接地，通用有源滤波芯片U4输出端连接到终端设备。

所述的宽带红外光源为掺铒光纤放大自发辐射光源或发光二极管。

所述的终端设备是计算机。

所述的光电探测器是铟镓砷光电探测器。

所述的光纤型气室为密闭气室，有进气口和出气口。

本发明中所述双极结型晶体管分别为2N3906（Q1）和2N3904（Q2、Q3）；

所述双运算放大器为AD2604；

所述单运算放大器为OP07；

所述仪表放大器为AD8221；

所述通用有源滤波芯片为UAF42；

所述直流电源为中国能华电源设备有限公司生产、型号为NHWY5-2的可调直流稳压电源。

本发明中，终端设备以扫描的方式控制光开关各路通断，形成多通道传感；每一个通道，利用多个具有不同中心波长的光纤布拉格光栅的波长选择特性将宽带红外光源按波长分为多个分别只覆盖某一种气体的某一条吸收谱线的窄带光源，形成的具有不同中心波长的窄带光源作为多个点位气体检测的光源；利用气体差分吸收光谱技术检测每一个点位气体浓度，具体实现过程为：光纤布拉格光栅反射的窄带红外光经光纤环形器传输至1×2等分光比光纤分路器，该分路器将光分为等光强的两束，其中一束光作为信号光经过装有待测气体的光纤型气室吸收后传输至光电探测器进行光电转化，另一束光作为参考光直接由相同类型和参数的光电探测器接收，两路探测器光电流经对应电路提取处理得出气体浓度，该浓度信息经过有线或无线信号传输给终端设备进行显示。

由于多数气体的红外吸收谱线不单一，且在某一段波长范围内存在多条吸收谱线，所以以上所述每个通道中多个点位的待测气体可为同一种气体，也可为不同种气体；根据需要，所述的红外宽带光源可为掺铒光纤放大自发辐射光源或发光二极管等。

本发明的优点：

基于气体吸收光谱技术的气体浓度检测灵敏度高，应用范围广泛；气体探测器部分为全光纤结构，具有强抗电磁干扰能力，特别适用于强电磁干扰或存在易燃易爆物质的特殊情况；本发明中所使用的宽带光源和光纤布拉格光栅分光技术均十分成熟，系统实现难度低，且成本低；一个光源便可以实现对多通道、多点位、多气体浓度同时检测，系统构建简单，在环境保护、工业生产等各领域具有很大的应用潜力。

附图说明

图1是本发明的多通道多点位气体浓度检测系统的结构示意图。

其中：1、宽带红外光源，2、光开关，3、终端设备，a、b、c等为各通道气体传感器系列。

图2是本发明的气体传感器阵列中气体传感器系列的结构示意图。

其中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等为各点位气体传感子系统，4、光纤环形器，5、光纤布拉格光栅，6、1×2等分光比光纤分路器，7、光纤型气室,8、光电探测器A，9、光电探测器B,10、信号提取处理电路。

图3是本发明的信号提取处理电路的电路图。

其中：V+正电源，V-负电源，GND接地端，D1、D2、铟镓砷光电探测器，Q1、Q2、Q3双极结型晶体管，U1(包括U1A、U1B)双运算放大器，U2单运算放大器，U3仪表放大器，U4通用有源滤波芯片，R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、金属膜电阻，C1瓷片电容，DC直流电源，OUTPUT输出端子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例如图1-2所示，一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，包括宽带红外光源1、光开关2、气体传感器阵列、终端设备3，其特征在于宽带红外光源1与光开关2输入端相连，光开关2控制端与终端设备3相连，光开关2的各路输出与气体传感器阵列相连接，气体传感器阵列输出端连接到终端设备3；

所述气体传感器阵列包括气体传感系列（见图1中的a、b、c标记部分等为各气体传感器系列），每个气体传感系列包括多个多个气体传感子系统（见图2中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标记部分等为各点位气体传感子系统），每个子系统包括三端口光纤环形器4、光纤布拉格光栅5、1×2等分光比光纤分路器6、光纤型气室7、两个光电探测器A8、B9和信号提取处理电路10，其中光开关2一路输出端与一个光纤环形器4输入端相连，光纤环形器4第一输出端连光纤布拉格光栅5，光纤环形器4第二输出端与1×2等分光比光纤分路器6输入端相连，1×2等分光比光纤分路器6输出端中的一端与光纤型气室7相连，光纤型气室7输出端连接到一个光电探测器A8的输入端，光电探测器A8的输出端接入信号提取处理电路10中；1×2等分光比光纤分路器6的另一个输出端直接连接到另一光电探测器B9的输入端，光电探测器B9输出端接入信号提取处理电路10中,信号提取处理电路10输出端连接到终端设备3；光纤布拉格光栅5的输出端与下一个子系统的光纤环形器输入端相连，这样多个气体传感子系统串接成一个气体传感器系列，光开关的多路输出端分别与多个气体传感器系列并行连接组成气体传感器阵列,其中的光纤布拉格光栅作为波长选择器件为多通道多点位监测网络提供不同波长的窄带光源。

所述的信号提取处理电路如图3所示，电路包括正负电源以及接地端、铟镓砷光电探测器、双极结型晶体管、单运算放大器、双运算放大器、仪表放大器、通用有源滤波芯片、金属膜电阻和瓷片电容，其中信号通道的铟镓砷光电探测器D1负极接正电源V+、其正极接双极结型晶体管Q1的发射极，双极结型晶体管Q1的基极接接地端GND、其集电极接双极结型晶体管Q3的集电极，双极结型晶体管Q3的基极接金属膜电阻R3一端、其发射极接参考通道铟镓砷光电探测器D2的负极，双极结型晶体管Q2的基极和集电极都接接地端GND、其发射极接铟镓砷光电探测器D2的负极，铟镓砷光电探测器D2正极接负电源V-，金属膜电阻R3的另一端接双运算放大器U1的1脚，双运算放大器U1的2脚接金属膜电阻R2的一端、其3脚接接地端GND、其4脚接负电源V-、其5脚接接地端GND、其6脚接双极结型晶体管Q1的集电极、其7脚接金属膜电阻R2的另一端、其8脚接正电源V+，金属膜电阻R1两端分别接双运算放大器U1的6脚和7脚，瓷片电容C1的两端分别接双运算放大器U1的1脚和2脚，单运算放大器U2的2脚接金属膜电阻R9的一端、其3脚接接地端GND、其4脚接负电源V-、其6脚接金属膜电阻R4的一端、其7脚接正电源V+、其剩余管脚均悬空，金属膜电阻R4另一端接单运算放大器U2的2脚，金属膜电阻R9的另一端接双运算放大器U1的1脚，仪表放大器U3的1脚接直流电源DC、其2脚和3脚分别接金属膜电阻R7的两端、其4脚接单运算放大器U2的6脚、其5脚接负电源V-、其6脚接接地端GND、其7脚接金属膜电阻R5的一端、其8脚接正电源V+，金属膜电阻R5另一端接通用有源滤波芯片U4的4脚，通用有源滤波芯片U4的1脚接输出端子OUTPUT、其2脚接地、其9脚和14脚分别接金属膜电阻R8的两端、其10脚接负电源V-、其11脚接正电源V+、其12脚和15脚接接地端GND、其剩余管脚均悬空，金属膜电阻R6一端接通用有源滤波芯片U4的4脚、其另一端接接地端GND；

所述双极结型晶体管分别为2N3906（Q1）和2N3904（Q2、Q3）；

所述双运算放大器为AD2604；

所述单运算放大器为OP07；

所述仪表放大器为AD8221；

所述通用有源滤波芯片为UAF42；

所述直流电源为中国能华电源设备有限公司生产、型号为NHWY5-2的可调直流稳压电源；

所述电阻为1/4瓦金属膜电阻。

所述的宽带红外光源1为掺铒光纤放大自发辐射光源。

所述的终端设备3是计算机。

所述的光电探测器9是铟镓砷光电探测器。

所述的光纤型气室7为密闭气室，有进气口和出气口。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述的宽带红外光源1为发光二极管。

Claims (5)

1.一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，包括宽带红外光源、光开关、气体传感器阵列、终端设备，其特征在于宽带红外光源与光开关输入端相连，光开关控制端与终端设备相连，光开关的各路输出与气体传感器阵列相连接，气体传感器阵列输出端连接到终端设备；

所述气体传感器阵列包括多个气体传感系列，每个气体传感系列包括多个气体传感子系统，每个子系统包括三端口光纤环形器、光纤布拉格光栅、1×2等分光比光纤分路器、光纤型气室、两个光电探测器A、B和信号提取处理电路，其中光开关一路输出端与一个光纤环形器输入端相连，光纤环形器第一输出端连光纤布拉格光栅，光纤环形器第二输出端与1×2等分光比光纤分路器输入端相连，1×2等分光比光纤分路器输出端中的一端与光纤型气室相连，光纤型气室输出端连接到一个光电探测器A的光输入端，光电探测器A的输出端接入信号提取处理电路中；1×2等分光比光纤分路器的另一个输出端直接连接到另一光电探测器B的光输入端，光电探测器B的输出端连接到信号提取处理电路中，信号提取处理电路输出端连接到终端设备；光纤布拉格光栅的输出端与下一个子系统的光纤环形器输入端相连，这样多个气体传感子系统串接成一个气体传感器系列，光开关的多路输出端分别与多个气体传感器系列并行连接组成气体传感器阵列,其中的光纤布拉格光栅作为波长选择器件为多通道多点位监测网络提供不同波长的窄带光源；

所述的信号提取处理电路包括正负电源、光电探测器D1、D2、双极结型晶体管Q1、Q2、Q3、单运算放大器U2、双运算放大器U1，即U1A和U1B、仪表放大器U3、通用有源滤波芯片U4，其中信号通道的光电探测器D1负极接正电源V+，其正极接双极结型晶体管Q1的发射极，双极结型晶体管Q1的基极接地，其集电极接双极结型晶体管Q3的集电极，双极结型晶体管Q3的基极接电阻R3一端，其发射极接参考通道光电探测器D2的负极，双极结型晶体管Q2的基极和集电极均接地，其发射极接光电探测器D2的负极，光电探测器D2正极接负电源V-；电阻R3的另一端接双运算放大器的U1A的输出端，U1A的负输入端经电阻R2和U1B的输出端相连接，U1A、U1B的正输入端均接地，U1B的负输入端接双极结型晶体管Q1的集电极，并经电阻R1连接到U1B的输出端，电容C1两端分别接到U1A的负输入端和输出端，U1A的输出端分别经电阻R3、电阻R9和双极结型晶体管Q3的基极及单运算放大器U2的负输入端相连接；单运算放大器U2的负输入端经电阻R4与其输出端相连接,其输出端连接到仪表放大器U3的正输入端，其正输入端接地；仪表放大器U3的负输入端接直流电源，其输出端经电阻R5连接到通用有源滤波芯片U4输入端；通用有源滤波芯片U4输入端经电阻R6接地，通用有源滤波芯片U4输出端连接到终端设备。

2.如权利要求1所述的一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，其特征在于所述的宽带红外光源为掺铒光纤放大自发辐射光源或发光二极管。

3.如权利要求1所述的一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，其特征在于所述的终端设备是计算机。

4.如权利要求1所述的一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，其特征在于所述的光电探测器是铟镓砷光电探测器。

5.如权利要求1所述的一种基于差分吸收技术的多通道多点位气体检测系统，其特征在于所述的光纤型气室为密闭气室，有进气口和出气口。

Images