CN103487403A - 带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统，所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、第一波分复用器、有源光纤和第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅构成的分别发射第一波长和第二波长激光光束的光纤激光器，光隔离器、将光束进行功率分束的耦合器，分束后的光束分别通入到参考气室和检测气室，连接参考气室的第二波分复用器以及连接检测气室的第三波分复用器；第一和第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器；第三和第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，生成第一至第四光强度信号；反馈控制单元，接收第一至第四光强度信号，并将比较结果作为反馈信号调节光纤激光器。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别涉及一种用于实现气体浓度测量的、带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统和方法。
背景技术
每种气体分子都有自己的特征吸收谱，因此当光源的发射谱与气体吸收谱重叠时，可以利用由窄带光源或激光光源发出的光通过测量气体，通过对透射光强进行测量来确定气体的浓度。由于一般光源的谱线宽度较宽，而某些气体的吸收谱线非常窄，因而经过气室后引起的光功率变化不明显，导致测量灵敏度不会很高。而激光光源具有较窄的输出谱线，适合对对多种气体进行测量。
激光由于其高单色性（窄谱线）、高亮度和高方向性等独特的优越性而在现代光谱学中占有重要地位，发展成为新的激光光谱技术学科，已在现代农业及环境学、生物及医疗学、物理、化学及材料学和天体物理学等各种研究和工业过程监测中起到了重大应用价值。
激光用于气体检测在环境检测和分析以及各种工业过程控制等方面具有重要应用价值。每种气体分子都有其特征吸收谱线，因此利用激光窄线宽的特点可以检测某些特定的气体的含量。激光用于气体检测常用的方法之一就是把激光的发射波长调节或锁定在气体的特征吸收谱线上，让激光通过该气体腔，通过测量该激光通过气体腔后的衰减而测定该气体的含量。这种测试方法具有原理直观，结构简单的优点，然而由于一般光源的谱线宽度较宽，而某些气体的吸收谱线非常窄，因而经过气室后引起的光功率变化不明显，导致测量灵敏度不会很高，受到一定的限制，尤其是对微含量的气体检测比较困难。
传统的差分吸收法是基于共光路的二束光通过同一被测气体腔。其中一路激光的输出波长与气体的特征吸收谱线相同。而相邻的另一激光输出波长选择靠近被测气体的吸收谱线，但不在其吸收谱线上，用于作为参考光以消除光路中光强的不稳定性。但这种测量方案并不能消除由于检测光的波长不稳定带来的测量误差，而这种误差在实际测量中是不可忽略的。因此，在现有技术中对差分吸收法进行了改进，常用的改进方法均是通过对激光器实现稳定电流和稳定温度来实现其稳定波长，但这种方法是被动式的调节的，不能严格消除激光器的波动，因此改进的效果并不理想。
光纤激光器是近年来迅速发展的新型激光器。光纤激光器由于采用光纤波导作为增益介质，光纤光栅作为反馈镜形成集成化光纤谐振腔，使得它具有结构紧凑小巧、激光线宽窄、光束质量高、激光系统可靠性高、稳定性好、免维修等独特的优越性，已对激光行业产生了巨大的冲击。基于光纤激光器开发现代光谱组成测试分析系统不仅将对激光光谱学发展具有重要意义而且使得光纤激光光谱分析系统更加便携化，方便于现场机动使用。基于光纤激光器开发现代光谱组成测试分析系统不仅将对激光光谱学发展具有重要意义而且使得激光光谱分析系统更加便携化，方便于现场机动使用。因此，能否利用激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出等一系列独特的优越性来应用于气体浓度检测领域，是本领域亟待解决的技术问题。由此使得需要一种能利用激光器的优点实现气体浓度测量的方法，同时兼具高灵敏高精度的气体检测方法和系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、第一波分复用器、有源光纤和第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅构成的分别发射第一波长和第二波长激光光束的光纤激光器，所述第一波长不同于所述第二波长，所述第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；与所述第一波分复用器耦合连接的光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；与所述光隔离器连接的耦合器，用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自所述耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述泵浦源和第一布拉格光纤光栅。
优选地，所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。
优选地，所述反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤：a）判断所述光纤激光器的输出是否稳定，若不稳定，输出第一反馈控制信号调节所述泵浦源的功率输出直至稳定；b）判断所述第一波长的信号模式的波长范围是否覆盖待测气体的特征谱线，若不覆盖，则输出第二反馈控制信号调节所述第一布拉格光纤光栅直至覆盖；c）判断所述第二光强度信号和第四光强度信号的信号强度是否有差异，若有则将所述差异信号用于第一光强度信号和第三光强度信号的补偿；和d）比较所述第一光强度信号和第三光强度信号的信号强度，得到待测气体与参考气体的浓度大小关系。
优选地，所述步骤b）中通过比较所述第一或第三光强度信号的信号强度值是否显著小于第二或第四光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。
优选地，所述系统还包括贴附在所述第一布拉格光纤光栅上的激光器控制单元，通过所述第二反馈控制信号来控制所述激光器控制单元的形变从而改变所述激光器的谐振腔腔长。
优选地，所述激光器控制单元采用PZT压电陶瓷或TE温控单元来实现。
优选地，所述系统还包括球面透镜，用于分别将所述光束耦合进入参考气室和检测气室并耦合出射。
优选地，所述第二波长靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与所述第一波长相隔一段距离。
优选地，所述有源光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、或铒镱共掺光纤。
根据本发明的另一方面，提供了一种带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、第一波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的发射第一波长激光光束的光纤激光器，发出与所述第一波长不同的第二波长的激光光源，所述第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；与所述第一波分复用器耦合连接的第一光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；与所述激光光源耦合连接的第二光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；与所述第一和第二光隔离器连接的第二波分复用器，用于将第一波长和第二波长的光束信号合成一束进行输出；与所述第二波分复用器连接的耦合器，用于将经所述第二波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；检测气室，通入待测气体，并接收来自所述耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；连接所述参考气室的第三波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；连接所述检测气室的第四波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；第一光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；第二光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；第三光电检测器，连接至所述第四波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；第四光电检测器，连接至所述第四波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述泵浦源、布拉格光纤光栅和激光光源。
根据本发明的气体检测系统可以利用光纤激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出的独特优越性来应用于气体浓度检测领域，同时利用了反馈调节实现了高灵敏高精度的气体检测方法，并消除了由于测量环境的漂移产生的测量误差。该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统的结构示意图；
图2示出了根据本发明的另一实施例的带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统的结构示意图；
图3示意性示出根据本发明的反馈控制单元的反馈控制方法的流程图；
图4示出了本发明的反馈调节激光器输出波长漂移的反馈的原理示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本发明提供了一种基于分布反馈式（Distributed Feed Back,DFB）光纤激光器的具有主动修正和主动稳频功能的测量气体浓度的气体检测系统，其特征是使用半导体激光器作为DFB光纤激光器的泵浦源，发出特定波长的激光，采用波分复用器（Wavelength DivisionMultiplexer,WDM）将激光耦合进入耦合器，耦合器将输入光分为两束后分别进入参考气室和测量气室进行差分对比。结合光电探测器接收透射光束，通过对接收信号进行分析和处理，对DFB光纤激光器实现反馈控制。本发明通过引入一个标准腔，在该标准腔内充有与被测气体相同的气体，并已知其浓度，并完全密封。利用光纤激光器输出的激光，使其耦合后分别经过被测气体腔和标准腔，从标准腔输出的信号一方面用于与对被测腔的输出进行比对进行主动修正，另一方面可用于对检测光的波长进行主动稳频。该系统消除了光强波动和外界干扰对测量所造成的干扰，实现了对被检测气体的精确测量。根据本发明的气体检测系统特别适合于某些特定场合的微量气体含量的阈值检测，从而实现气体安全报警。
本发明充分利用光纤激光器的结构紧凑，可发射多个窄谱线激光输出等一系列独特的优越性，采用分布反馈式（DFB）半导体激光器，它是具有优良选频特性的单纵模半导体激光器（Laser Diode），DFB-LD光源可以单纵模运行,输出激光谱线窄,且线宽可达几十千赫兹，并且可以通过调节激光器的驱动电流或温度使激光的工作波长精确地对准被测气体的特征吸收峰,从而获得很高的测量精度。本发明实现的具有高灵敏高精度的气体检测方法和系统，该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。
常用的光谱吸收检测满足比尔-朗伯定律:
I(λ)=I0(λ)exp[-α(λ)CL] （1）
其中，I为光通过被检测介质后的透射光强，I0为输入到被测介质的光强，α为摩尔分子吸收系数，C是被测介质的浓度，L为被测气体吸收路径的长度。一般已知入射光的光强I0，该被测气体在其特征谱线的吸收系数α，以及用于对被测气体进行测量的气体采样腔的长度L，则通过测量该特定波长的激光通过气体吸收腔后的光信号衰减就可以测量出该气体的浓度C。
而一般光在传输光路中都会有各种干扰因素，如光路振动、激光输出波长的不稳定等各种因素。都会严重干扰实际测量结果，考虑到这些因素的影响，光谱吸收检测的原理可修正为：
I(λ)=I0(λ)K(λ)exp[-α(λ)CL+β(λ)] （2）
其中K(λ)为光源和光源传输路径的波动，β(λ)为由于激光光谱波动而引起的测量不确定性，因而采用通常的吸收法测量气体浓度就是如何有效减少K(λ)和β(λ)对测量的影响。
根据本发明的系统将激光器的中心波长和气体吸收峰中心波长对准，通过测量光经过气体时的损耗就可以检测气体的浓度。由于气体的吸收峰很窄，光源波长随环境(温度，驱动电流等)的漂移将引起光源中心波长偏离气体吸收峰中心波长，被测气体本身吸收系数也可能随温度等发送变化，因而也导致测量的不稳定。因此需要将光源波长精确地稳定在气体吸收峰中心波长上，波长的稳定可用根据下图所示的本发明的光源稳频和附加参考气室的方法来实现。图1是本发明的系统结构示意图。
图1示出了根据本发明的带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统。根据本发明的气体检测系统100包括由依次连接的激光二极管泵浦源101、第一波分复用器102、有源光纤103、第一布拉格光纤光栅104a和第二布拉格光纤光栅104b构成的输出两个波长不同的激光的DFB光纤激光器、与第一波分复用器102耦合连接的光隔离器105、连接光隔离器105的耦合器106，耦合器106分别连接有参考气室107和检测气室108，参考气室107和检测气室108的另一端各自分别连接有第二波分复用器109和第三波分复用器110，经第二波分复用器109输出的光分别输入到第一光电检测器111和第二光电检测器112，经第三波分复用器110输出的光分别输入到第三光电检测器113和第四光电检测器114，将光信号转化为电信号用于分别检测经过各个气室后的光信号强度。第一光电检测器111、第二光电检测器112、第三光电检测器113和第四光电检测器114的输出端连接至反馈控制单元115，经过反馈调节控制后对泵浦源101和激光器控制单元116进行反馈控制，并通过比较计算得到气体浓度检测的结果。
泵浦源101发出泵浦光通过第一波分复用器102（WDM）耦合进入有源光纤103，结合直接在有源光纤103上写入的第一布拉格光纤光栅104a和第二布拉格光纤光栅104b构成谐振腔，从而构成两个输出不同波长激光的DFB光纤激光器。第一波分复用器102优选是1×2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光纤中传输。
可以调节第一布拉格光纤光栅104a和第二布拉格光纤光栅104b的参数获得指定波长的输出激光。光纤激光器要求单纵摸输出，输出线宽越窄。激光器的输出线宽与气体的吸收特征谱线的重合度越好，测量气体浓度的精度越高。调节第一布拉格光纤光栅104a构成的谐振腔发出第一波长为λ1的第一光束作为检测光束，调节第二布拉格光纤光栅104b构成的谐振腔发出第二波长为λ2的第二光束作为参考光束。第一波长λ1不同于第二波长λ2。检测光束的第一波长λ1与待测气体的特征吸收谱线相同，而参考光束的第二波长λ2靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与其吸收谱线相隔一段距离。根据本发明的一个实施例，当待测气体为甲烷气体时，其特征吸收谱线为1.3μm，此时第一光束的第一波长λ1为1.3μm，而第二光束的第二波长λ2为1.5μm，与第一波长λ1间隔0.2μm。
第一波长为λ1的第一光束和第二波长为λ2的第二光束共同输出到第一波分复用器102，从而将载有信息但波长不同的第一光束和第二光束的光信号合成一束进行输出。第一波分复用器102的工作波长选择为覆盖第一光束和第二光束的波长并与之相同。根据上文的实施例，当待测气体为甲烷气体时，第一波分复用器102的工作波长可以是1310/1550nm附近。第一波分复用器102优选是1×2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光路中传输。
有源光纤103可以选用较短长度（例如在厘米数量级），优选掺杂有稀土元素并具有较高的掺杂浓度（例如铒镱共掺，峰值吸收在40±10dB/m1535nm），以降低系统的泵浦阈值。布拉格光纤光栅104具有较高的反射率（针对特定波长的反射率在90%以上）以减少激光输出纵模个数，其反射中心波长决定激光器输出激光的中心波长。激光二极管泵浦源101根据有源光纤103掺杂稀土的吸收谱线来确定。根据本发明的实施方式的第一波分复用器102和布拉格光纤光栅104的参数选择均需要同泵浦波长、激光器出射波长、有源光纤参数匹配，具体的参数如表1所示。
表1根据本发明的短腔光纤激光器参数
根据本发明，光纤的芯径由所采用的有源光纤决定，包层芯径优选为125μm，光纤纤芯的芯径可以选用4μm、8μm或10μm，优选为10/125μm。根据所选定的芯径选取匹配的FLM、WDM、LD尾纤芯径。掺铒光纤所匹配的泵浦波长可采用980nm或1480nm，掺镱光纤的泵浦波长可采用976nm或915nm，铒镱共掺光纤的泵浦波长可采用976nm，根据波长和芯径参数进一步确定FLM、WDM的参数。最终出射的激光波长在有源光纤一定增益范围内（如1530-1560nm）由布拉格光纤光栅的反射波长确定。掺镱光纤的典型出射波长为1535nm，掺铒光纤的典型出射波长为1064nm，铒镱共掺光纤的典型出射波长为1550nm。
例如，在本实施例中，若选用芯径为10/125μm掺铒光纤作为增益介质，LD尾纤、WDM和FLM需选取同样型号芯径。LD输出波长976nm，WDM工作波长976/1550nm，FLM工作波长1550nm，FBG选取范围为1530nm-1560nm，可在该范围内获得激光输出。实验中若选用芯径为10/125μm掺镱光纤作为增益介质，LD尾纤、WDM和FLM需选取同样型号芯径。LD为915nm单模输出，WDM工作波长915/1064nm，FLM工作波长1064nm，FBG选取1064nm附近，可在该范围内获得激光输出。通过直接在有源光纤103上制成布拉格光纤光栅104以形成DFB光纤激光器，同时确保其激光输出波长与气体的特征吸收谱线相同。
根据本发明构造的光纤激光器输出的包含第一波长的第一光束和第二波长的第二光束的激光通过第一波分复用器102耦合进入光隔离器105。光隔离器105的作用是避免由于逆向光在光纤中的传输，从而影响气体检测系统100的出光效果。光隔离器105的工作波长和隔离度根据所发射的第一波长和第二波长的大小来进行选取。根据本发明的一个优选实施例，光隔离器105的工作波长为1550nm，隔离度40dB。
经光隔离器105隔离后的激光经过尾纤为1×2的耦合器106后按照一定的功率分光比例分为两束光，即参考光束和测量光束，分成两路输出，分别输出到其后连接的检测气室107和参考气室108中。根据本发明的一个优选实施例，耦合器106优选为宽带耦合器，其带宽应覆盖从第一光束的第一波长到第二光束的第二波长。例如，在上文的实施例中，当第一光束的第一波长λ1为1.3μm，而第二光束的第二波长λ2为1.5μm时，宽带耦合器104的带宽覆盖优选为从1.3μm到1.5μm。更优选地，耦合器106优选为尾纤为1×2的宽带耦合器，其分光比可按需要来选择。根据本发明的一个实施例，由于要求经过参考气室107和检测气室108的光束是一致的，因此要求经过这两个气室的光束功率是一致的。根据本发明，优选的输出激光功率分配比例为二等分，即参考光束:测量光束（即分别为图中所示光束A和B）的功率之比为1:1。
然后，利用球面透镜107a和108a分别将分光后的两束光A和B分别耦合进入参考气室107和检测气室108。然后再分别经过球面透镜107b和108b耦合出射。参考气室107用来判断激光器输出激光的稳定性。参考气室107通入的参考气体是其气体成分与待测气体成分一致，且其浓度已知的气体，并在测量时将参考气室107完全密封。参考气室107主要用于波长修正。在实际的测量中检测气室中可能会发生波长漂移，发生漂移的原因可能是由于光源的波长漂移，传输路径的损耗变化（如有时传输路径可达几公里），气室中光学元件漂移等。检测气室108用来通入待检测的气体，检测气室108包括用于在测量前通入待检测气体的气体入口108c和排出气体的气体出口108d。在测量的过程中，封闭出气体入口108c和气体出口108d，系统进行静态测量。
经过参考气室107输出的光束再经过第二波分复用器（WDM）109进行分束，经过检测气室108输出的光束再经过第三波分复用器（WDM）110进行分束。第二波分复用器109和第三波分复用器110用于将载有不同波长信息的光束的光信号按波长的不同进行分束输出。第二波分复用器109和第三波分复用器110的工作波长选择为覆盖第一光束和第二光束的波长并与之相同，从而将包含第一波长和第二波长的光束分为波长分别为第一波长和第二波长的两束光信号。根据上文的实施例，当待测气体为甲烷气体时，第二波分复用器109和第三波分复用器110的工作波长可以是1310/1550nm附近。第二波分复用器109和第三波分复用器110优选是1×2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光路中传输。
第一光电检测器111、第二光电检测器112、第三光电检测器113和第四光电检测器114用于检测输出的光强度信号，将光强度信号转化为电信号进行比较和处理。其中，第一光电检测器111用于检测经过参考气室107、并经过第二波分复用器109分束后的波长为第一波长λ1的输出的光信号强度，以作为参考气室检测波长信号，即第一光强度信号；第二光电检测器112用于检测经过参考气室107、并经过第二波分复用器109分束后的波长为第二波长λ2的输出的光信号强度，以作为参考气室参考波长信号，即第二光强度信号；第三光电检测器113用于检测经过检测气室108、并经过第三波分复用器110分束后的波长为第一波长λ1的输出的光信号强度，以作为检测气室检测波长信号，即第三光强度信号；第四光电检测器114用于检测经过检测气室108、并经过第三波分复用器110分束后的波长为第二波长λ2的输出的光信号强度，以作为检测气室参考波长信号，即第四光强度信号。第一光强度信号和第三光强度信号作为与所检测气体特征吸收谱线重合的信号以反映待测气体的浓度，第二光强度信号和第四光强度信号作为未被待测气体吸收的参考信号以反映参考气室和检测气室的测量环境差异，如果参考波长出现偏差，可以在计算中将这个偏差考虑到测量波长的计算中用于补偿，亦可用于调整作为光源的激光器的输出波长，从而消除由于气室环境的干扰而带来的测量误差。
输出的光强度可以通过功率计或光谱仪来检测。四路光强度信号输入到反馈控制单元115进行后续的控制操作。光电检测器优选使用光电二极管来实现，光电检测器的工作波长应覆盖激光器的输出波长。根据本发明的一个优选实施例，光电检测器的工作波长为800-1700nm，带宽为1.2GHz,上升时间<1.0ns。
反馈控制单元115用于接收第一光电检测器111、第二光电检测器112、第三光电检测器113和第四光电检测器114输出的光强度信号，通过对光强度信号进行比较和计算来输出反馈控制调节信号分别给泵浦源101和激光器控制单元116，用于实现反馈控制。反馈控制单元115可以用单片机、集成电路、专用电路或计算机来实现，其控制方法将在下文详述。
激光器控制单元116优选可以采用PZT压电陶瓷或TE温控单元等能够将电信号转化为物理形变的材料来实现，用于在反馈控制单元115输出的反馈信号控制下，通过材料的形变来改变激光器的谐振腔腔长，从而精确控制激光输出波长。根据本发明的一个实施例，激光器控制单元113可以制作为片状或板状贴附在第一布拉格光纤光栅104a上。当反馈控制单元115发出控制信号时，可以改变激光器控制单元116的材料物理属性从而改变激光器的谐振腔腔长。例如，当激光器控制单元115实现为压电陶瓷时，反馈控制信号使得激光器控制单元115发生形变，从而导致其贴附的第一布拉格光纤光栅104a发送形变，从而改变激光器的腔长，改变激光输出波长，使得输出波长发生漂移。
图2示出了根据本发明另一实施例的带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统。与图1所示的实施例不同的是，在图2所示的根据本发明的气体检测系统200中，用激光器201b代替了图1中的第二布拉格光纤光栅104b用于提供作为参考光束的具有第二波长λ2的第二光束。如图2所示，根据本发明另一实施例的气体检测系统200包括由依次连接的激光二极管泵浦源201a、第一波分复用器202a、有源光纤203和布拉格光纤光栅204构成的DFB光纤激光器、与第一波分复用器202a耦合连接的第一光隔离器205a、激光器201b、与激光器201b耦合连接的第二光隔离器205b、连接第一光隔离器205a和第二光隔离器205b的第二波分复用器202b、连接第二波分复用器202b的耦合器206，耦合器206分别连接有参考气室207和检测气室208，参考气室207和检测气室208的另一端各自分别连接有第三波分复用器209和第四波分复用器210，经第三波分复用器209输出的光分别输入到第一光电检测器211和第二光电检测器212，经第四波分复用器210输出的光分别输入到第三光电检测器213和第四光电检测器214，将光信号转化为电信号用于分别检测经过各个气室后的光信号强度。第一光电检测器211、第二光电检测器212、第三光电检测器213和第四光电检测器214的输出端连接至反馈控制单元215，经过反馈调节控制后对泵浦源101、第二激光器201b和激光器控制单元216进行反馈控制，并通过比较计算得到气体浓度检测的结果。
激光器201b优选为半导体激光器，更优选为分布反馈式（DFB）半导体激光器。DFB光纤激光器发出第一波长为λ1的第一光束作为检测光束，激光器201b发出第二波长为λ2的第二光束作为参考光束。第一波长λ1不同于第二波长λ2。检测光束的第一波长λ1与待测气体的特征吸收谱线相同，而参考光束的第二波长λ2靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与其吸收谱线相隔一段距离。根据本发明的一个实施例，当待测气体为甲烷气体时，其特征吸收谱线为1.3μm，此时第一光束的第一波长λ1为1.3μm，而第二光束的第二波长λ2为1.5μm，与第一波长λ1间隔0.2μm。
第二光隔离器205b的作用类似于第一光隔离器205a，是避免由于逆向光在光纤中的传输，从而影响气体检测系统100的出光效果。第一光隔离器205a和第二光隔离器205b的工作波长和隔离度根据所发射的第一波长和第二波长的大小来进行选取。根据本发明的一个优选实施例，第二光隔离器205b的工作波长为1550nm，隔离度40dB。
第二波分复用器202b优选是1×2的波分复用器，即允许两路不同波长的光在同一光纤中传输。
气体检测系统200中的其他部件的参数选择类似于图1所示的气体检测系统100，在此不再赘述。
图3示出了根据本发明的反馈控制单元的反馈控制方法的流程图。
在步骤301，读取经第一光电检测器输出的第一光强度信号、经第二光电检测器输出的第二光强度信号、经第三光电检测器输出的第三光强度信号和第四光电检测器输出的第四光强度信号。第一光强度信号反映了第一波长λ1的激光光束经过参考气室后透射输出的光信号强度，作为参考气室的检测信号，第二光强度信号反映了第二波长λ2的激光光束经过参考气室后透射输出的光信号强度，作为参考气室的参考信号，第三光强度信号反映了第一波长λ1的激光光束经过通入待测气体的检测气室后透射输出的光信号强度，作为检测气室的检测信号，第四光强度信号反映了第二波长λ2的激光光束经过通入待测气体的检测气室后透射输出的光信号强度，作为检测气室的参考信号。
为了得到精确的测量结果，需要得到稳定且准确的第一、第二、第三和第四光强度信号，因此，首先需要在步骤302判断产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源的输出是否是稳定的。在图1所示的实施例中，产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源分别为由第一布拉格光纤光栅104a和第二布拉格光纤光栅104b构成的输出两个波长不同的激光的DFB光纤激光器；在图2所示的实施例中，产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源分别为由布拉格光纤光栅104构成的DFB光纤激光器和激光器201b。稳定的激光输出通常反映为输出信号产生阶跃的强度信号。在系统刚开始工作时，为了保护系统的需要，通常将光源调节至较小的功率输出，随着光源的输出功率增大，逐渐达到激光器工作阈值，得到稳定的激光输出。当在步骤302判断出激光输出尚不稳定时，进入步骤303，通过第一反馈控制信号反馈调节产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源功率输出，例如反馈调节泵浦源以逐渐增大泵浦源的输出功率。重复步骤302直至激光器的输出达到稳定，即实现阶跃的输出信号，达到测量所需要的强度。
接着进入步骤304，判断此时产生第一波长λ1的光源输出的信号模式的波长范围是否覆盖待测气体的特征谱线。图4示出了根据本发明的反馈调节激光器的输出波长漂移的原理示意图。如图4所示，待测气体的吸收谱线的中心波长为λG，激光器输出模式的中心波长为λL,若能够通过气体吸收激光的方式来进行待测气体浓度的检测，需要调节激光器的输出使得激光器输出的中心波长进行漂移，直到完全覆盖待测气体的吸收谱线的中心波长。理想状况下，当λG和λL基本重合时，测量效果达到最佳，即激光器输出的激光完全被参考气体和待测气体吸收，激光在经过参考气室和检测气室后强度显著降低。
产生第一波长λ1的光源输出的信号模式是否覆盖待测气体的特征谱线可以通过比较第一或第三光强度信号与产生第二波长λ2的光源发出的未经过气体吸收的第二或第四光强度信号的强度大小来得到。若产生第一波长λ1的光源输出的信号的中心波长与待测气体的特征谱线中心波长基本重合，则激光被完全吸收，第一或第三光强度信号的信号强度值则会显著小于未经过气体吸收的第二或第四光强度信号。若波长不重合导致未被吸收，则第一或第三光强度信号的强度值应与第二或第四光强度信号基本相同，第一或第三光强度信号经过气室发生的衰减可忽略不计。激光被吸收后相较于未被吸收的光强度衰减的幅度取决于所测量的气体浓度和吸收谱线的不同。
当通过比较第一或第三光强度信号的强度值与第二或第四光强度信号的强度值发现产生第一波长λ1的光源输出的信号的中心波长未与待测气体的特征谱线中心波长重合时，进入步骤305，由反馈控制单元输出第二反馈控制信号到产生第一波长λ1的光源，从而改变产生第一波长λ1的光源的输出波长，控制激光输出波长进行漂移，直到移动到与待测气体的特征吸收谱线的中心波长基本重合。例如，在图1所示的实施例中，当激光器控制单元116制作为压电陶瓷材料的片状或板状贴片时，反馈控制信号控制激光器控制单元116发生形变，从而导致其贴附的布拉格光纤光栅104a发生形变，从而改变激光器的腔长，改变激光输出波长，使得输出的第一波长λ1发生漂移直至与气体的特征谱线中心波长重合时。然后，进入步骤306。
在步骤306，判断经参考气室输出的第二光强度信号（即参考气室的参考波长信号）和经检测气室输出的第四光强度信号（即检测气室的参考波长信号）的信号强度是否有差异。若判断出第二光强度信号和第四光强度信号的信号强度相同，则说明参考气室和检测气室两者的测量环境相同，进入步骤308。若判断出该两者信号的强度大小有差异，则进入步骤307用于进行波长修正，即将差异信号用于补偿以消除参考气室和检测气室之间的环境差异所带来的气室干扰，从而导致的测量结果误差。在实际的测量中，参考气室和检测气室中可能会发生波长漂移，发生漂移的原因可能是由于光源的波长漂移，传输路径的损耗变化、气室中光学元件漂移等。该第二光强度信号和第四光强度信号之间的差异量可以作为补偿量添加到第一和第三光强度信号中用于后续的比较计算，然后进入步骤308。
在步骤308，比较第一光强度信号（即参考气室的检测波长信号）和第三光强度信号（即检测气室的检测波长信号）的信号强度，其强度大小差异即反应了待测气体与参考气体的浓度大小的比较结果。例如，若第三光强度信号的强度值大于第一光强度信号的信号强度值，则待测气室内的待测气体浓度大于参考气室内的气体浓度。优选地，可以将比较结果输出至报警装置，在达到报警阈值时触发报警信号。根据本发明，由于对第三光强度信号和第一光强度信号考虑了气室之间的干扰可能导致的差异，因此浓度的测量结果更为精确，可以测量微量的气体浓度含量。
根据本发明的气体检测系统可以根据所检测气体类型和浓度选择不同的元器件参数进行匹配。例如，将本发明的气体检测系统应用于某工业场所的甲烷含量检测。在该工业场所中，要求甲烷气体的含量不能高于4%,否则会引起爆炸。在使用根据本发明的气体检测系统时，将参考气室充入甲烷含量为4%的参考气体，调节激光器使得激光器的输出波长范围可以覆盖甲烷的吸收特征谱线的中心波长。然后，将该气体检测系统置于待测的环境中，打开检测气室的气体入口，通入一定量的待测气体样品，然后关闭检测气室的气体入口和气体出口。打开气体检测系统中的产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源，使激光器输出的激光分别通过参考气室、检测气室，测量激光器的输出。再通过调节产生第一波长λ1的光源和产生第二波长λ2的光源的功率输出及反馈调节第一波长最终达到稳定且覆盖甲烷气体吸收谱线的激光输出，通过比较通过参考气室和检测气室的激光的光强度大小，即可判断此场所中的甲烷气体浓度是否超过阈值的含量,如超出则立即触发报警系统。
根据本发明的气体检测系统可以利用激光器的结构紧凑、可发射窄谱线激光输出的独特优越性来应用于气体浓度检测领域，同时利用了反馈调节实现了高灵敏高精度的气体检测方法。该方法和系统不仅仅局限于对气体含量的高灵敏度检测，也可容易地推广到对其它物质材料的高灵敏度检测和材料分析中。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、第一波分复用器、有源光纤和第一布拉格光纤光栅和第二布拉格光纤光栅构成的分别发射第一波长和第二波长激光光束的光纤激光器，所述第一波长不同于所述第二波长，所述第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；
与所述第一波分复用器耦合连接的光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；
与所述光隔离器连接的耦合器，用于将经所述第一波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；
参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；
检测气室，通入待测气体，并接收来自所述耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；
连接所述参考气室的第二波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；
连接所述检测气室的第三波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；
第一光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；
第二光电检测器，连接至所述第二波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；
第三光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；
第四光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；
反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述泵浦源和第一布拉格光纤光栅。
2.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述宽带耦合器按照1:1的功率比例分配两路输出。
3.如权利要求1所述的气体检测系统，其中反馈控制单元的反馈控制方法包括如下步骤：
a）判断所述光纤激光器的输出是否稳定，若不稳定，输出第一反馈控制信号调节所述泵浦源的功率输出直至稳定；
b）判断所述第一波长的信号模式的波长范围是否覆盖待测气体的特征谱线，若不覆盖，则输出第二反馈控制信号调节所述第一布拉格光纤光栅直至覆盖；
c）判断所述第二光强度信号和第四光强度信号的信号强度是否有差异，若有则将所述差异信号用于第一光强度信号和第三光强度信号的补偿；
d）比较所述第一光强度信号和第三光强度信号的信号强度，得到待测气体与参考气体的浓度大小关系。
4.如权利要求3所述的气体检测系统，其中所述步骤b）中通过比较所述第一或第三光强度信号的信号强度值是否显著小于第二或第四光强度信号的信号强度来判断是否覆盖。
5.如权利要求3所述的气体检测系统，其中还包括贴附在所述第一布拉格光纤光栅上的激光器控制单元，通过所述第二反馈控制信号来控制所述激光器控制单元的形变从而改变所述激光器的谐振腔腔长。
6.如权利要求5所述的气体检测系统，其中所述激光器控制单元采用PZT压电陶瓷或TE温控单元来实现。
7.如权利要求1所述的气体检测系统，还包括球面透镜，用于分别将所述光束耦合进入参考气室和检测气室并耦合出射。
8.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述第二波长靠近被测气体的吸收谱线，但其波长与所述第一波长相隔一段距离。
9.如权利要求1所述的气体检测系统，其中所述有源光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、或铒镱共掺光纤。
10.一种带有参考腔补偿的双波长组合光纤激光器气体检测系统,所述系统包括由依次连接的激光二极管泵浦源、第一波分复用器、有源光纤和布拉格光纤光栅构成的发射第一波长激光光束的光纤激光器，发出与所述第一波长不同的第二波长的激光光源，所述第一波长与待测气体的特征吸收谱线相同；
与所述第一波分复用器耦合连接的第一光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；
与所述激光光源耦合连接的第二光隔离器，所述光隔离器用于避免逆向光在所述有源光纤中的传输；
与所述第一和第二光隔离器连接的第二波分复用器，用于将第一波长和第二波长的光束信号合成一束进行输出；
与所述第二波分复用器连接的耦合器，用于将经所述第二波分复用器合成后的激光按照一定的功率比例分配后分成两路输出；
参考气室，通入与待测气体成分一致且浓度已知的参考气体，并接收来自所述耦合器分配的第一路输出光束并使其通过参考气体；
检测气室，通入待测气体，并接收来自所述耦合器分配的第二路输出光束并使其通过待测气体；
连接所述参考气室的第三波分复用器，用于将经过所述参考气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；
连接所述检测气室的第四波分复用器，用于将经过所述检测气室的光束按照所述第一波长和第二波长进行分束；
第一光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第一光强度信号；
第二光电检测器，连接至所述第三波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第二光强度信号；
第三光电检测器，连接至所述第四波分复用器，接收经过分束的第一波长的光束，生成第三光强度信号；
第四光电检测器，连接至所述第四波分复用器，接收经过分束的第二波长的光束，生成第四光强度信号；
反馈控制单元，接收所述第一光强度信号、第二光强度信号、第三光强度信号和第四光强度信号并进行比较，并将比较结果转换为反馈信号调节所述泵浦源、布拉格光纤光栅和激光光源。
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| US14/503,939 US8964185B1 (en) | 2013-10-14 | 2014-10-01 | Gas detection system using a fiber laser with double-wavelength combination having reference-cavity compensation function |
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Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN104390937A (zh) * | 2014-11-24 | 2015-03-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 痕量氧化亚氮气体检测装置 |
| CN105021310A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-11-04 | 上海交通大学 | 高精度光纤光栅温度传感系统 |
| CN107328722A (zh) * | 2016-04-21 | 2017-11-07 | 霍尼韦尔国际公司 | 双波长源气体检测器 |
| CN107850533A (zh) * | 2015-08-18 | 2018-03-27 | 国立大学法人德岛大学 | 浓度测定装置 |
| CN107911929A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-13 | 苏州汉策能源设备有限公司 | 一种氙灯光源恒定光强的自动控制方法及装置 |
| CN107991269A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-05-04 | 山东省科学院激光研究所 | 多组分气体监测系统、方法及装置 |
| CN108562551A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-21 | 黑龙江工程学院 | 一种探测器精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| CN108760653A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-11-06 | 黑龙江工程学院 | 一种光谱仪精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| CN109781639A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-21 | 青岛海纳光电环保有限公司 | 同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法 |
| CN109820516A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-05-31 | 中国人民解放军总医院 | 一种人体运动监测系统 |
| CN109856054A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-07 | 北京市燃气集团有限责任公司 | 一种腔衰荡光谱的检测装置 |
| CN109193339B (zh) * | 2018-10-10 | 2019-08-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种激光器输出波长的调节方法及系统 |
| CN112285674A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-29 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机 |
| CN112816273A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-18 | 天津智易时代科技发展有限公司 | 一种气体快速采样处理气室 |
| CN114096829A (zh) * | 2019-07-10 | 2022-02-25 | ams有限公司 | 包括集成片上光波导的光热气体检测器 |
| CN114235018A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-25 | 山东微感光电子有限公司 | 一种温度自适应的fbg解调方法及系统 |
| WO2024037219A1 (zh) * | 2022-08-18 | 2024-02-22 | 华为技术有限公司 | 一种光发射装置和发射光信号的方法 |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8517990B2 (en) | 2007-12-18 | 2013-08-27 | Hospira, Inc. | User interface improvements for medical devices |
| CA2844807C (en) | 2011-08-19 | 2022-07-26 | Hospira, Inc. | Systems and methods for a graphical interface including a graphical representation of medical data |
| WO2013090709A1 (en) | 2011-12-16 | 2013-06-20 | Hospira, Inc. | System for monitoring and delivering medication to a patient and method of using the same to minimize the risks associated with automated therapy |
| CA2868801C (en) | 2012-03-30 | 2021-07-13 | Hospira, Inc. | Air detection system and method for detecting air in a pump of an infusion system |
| WO2014022513A1 (en) | 2012-07-31 | 2014-02-06 | Hospira, Inc. | Patient care system for critical medications |
| AU2014268355B2 (en) | 2013-05-24 | 2018-06-14 | Icu Medical, Inc. | Multi-sensor infusion system for detecting air or an occlusion in the infusion system |
| CA2913915C (en) | 2013-05-29 | 2022-03-29 | Hospira, Inc. | Infusion system which utilizes one or more sensors and additional information to make an air determination regarding the infusion system |
| CA2913918C (en) | 2013-05-29 | 2022-02-15 | Hospira, Inc. | Infusion system and method of use which prevents over-saturation of an analog-to-digital converter |
| EP3110474B1 (en) * | 2014-02-28 | 2019-12-18 | ICU Medical, Inc. | Infusion system and method which utilizes dual wavelength optical air-in-line detection |
| US11344673B2 (en) | 2014-05-29 | 2022-05-31 | Icu Medical, Inc. | Infusion system and pump with configurable closed loop delivery rate catch-up |
| US11344668B2 (en) | 2014-12-19 | 2022-05-31 | Icu Medical, Inc. | Infusion system with concurrent TPN/insulin infusion |
| US10850024B2 (en) | 2015-03-02 | 2020-12-01 | Icu Medical, Inc. | Infusion system, device, and method having advanced infusion features |
| ES2912378T3 (es) | 2016-05-13 | 2022-05-25 | Icu Medical Inc | Sistema de bomba de infusión con purga automática de línea común |
| US11324888B2 (en) | 2016-06-10 | 2022-05-10 | Icu Medical, Inc. | Acoustic flow sensor for continuous medication flow measurements and feedback control of infusion |
| GB201709922D0 (en) * | 2017-06-21 | 2017-08-02 | Redwave Labs Ltd | Optical device |
| US10089055B1 (en) | 2017-12-27 | 2018-10-02 | Icu Medical, Inc. | Synchronized display of screen content on networked devices |
| JP6791214B2 (ja) * | 2018-07-13 | 2020-11-25 | 横河電機株式会社 | 分光分析装置 |
| US11278671B2 (en) | 2019-12-04 | 2022-03-22 | Icu Medical, Inc. | Infusion pump with safety sequence keypad |
| AU2021311443A1 (en) | 2020-07-21 | 2023-03-09 | Icu Medical, Inc. | Fluid transfer devices and methods of use |
| CN112304891A (zh) * | 2020-10-14 | 2021-02-02 | 西安工程大学 | 一种采用柔性光栅进行气体检测的系统及其检测方法 |
| US11135360B1 (en) | 2020-12-07 | 2021-10-05 | Icu Medical, Inc. | Concurrent infusion with common line auto flush |
| CN112697740B (zh) * | 2020-12-10 | 2022-09-23 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种表层海水中溶存甲烷检测系统及检测方法 |
| CN113916802A (zh) * | 2021-09-30 | 2022-01-11 | 深圳市诺安环境安全股份有限公司 | 一种自动校准开路式激光气体探测装置及实现方法 |
| CN114156721B (zh) * | 2021-12-02 | 2024-04-26 | 长飞光纤光缆股份有限公司 | 基于锁温光纤光栅的增益平坦光纤放大器及其控制方法 |
| CN115993347B (zh) * | 2023-03-16 | 2023-05-26 | 北京复兰环保科技有限公司 | 气体检测装置和方法 |
| CN117607069A (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-27 | 重庆大学 | 气体检测与定量分析曲线校正同步方法 |
| CN117233054B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-03-01 | 中国科学技术大学 | 一种修正光纤探头沾染干扰的方法、修正系统及传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436459A (en) * | 1993-03-10 | 1995-07-25 | Dragerwerk Aktiengesellschaft | UV spectrometer with laser diodes and laser frequency multiplication |
| CN101477042A (zh) * | 2009-01-09 | 2009-07-08 | 武汉电信器件有限公司 | 基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置 |
| CN102027344A (zh) * | 2008-02-15 | 2011-04-20 | 科学技术设备委员会 | 红外分光计 |
| CN102192894A (zh) * | 2011-03-24 | 2011-09-21 | 周孟然 | 光纤传感煤矿瓦斯的激光光谱吸收检测方法 |
| CN102305771A (zh) * | 2011-08-18 | 2012-01-04 | 天津大学 | 多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法 |
| CN103196852A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-07-10 | 中煤科工集团重庆研究院 | 一种具有自动线性校正功能的激光气体检测方法 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004075364A1 (ja) | 2003-02-21 | 2004-09-02 | Fujitsu Limited | 遅延位相整合ファイバを用いた光増幅器 |
| EP1696201A1 (de) * | 2005-02-23 | 2006-08-30 | Leica Geosystems AG | Phasenrauschkompensation für interferometrische Absolutdistanzmesser |
| US7679059B2 (en) * | 2006-04-19 | 2010-03-16 | Spectrasensors, Inc. | Measuring water vapor in hydrocarbons |
| JP2008026397A (ja) * | 2006-07-18 | 2008-02-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光源およびガス計測装置 |
| US9766131B2 (en) * | 2008-02-21 | 2017-09-19 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | High accuracy, high precision, low drift, and concurrent wavelength measurement of a sweeping tunable laser |
| CN101251482B (zh) | 2008-03-28 | 2010-10-06 | 山东省科学院激光研究所 | 矿用瓦斯远程光纤激光检测仪 |
| CN101251481A (zh) | 2008-04-03 | 2008-08-27 | 桂林工学院 | 一种气体近红外光谱分析检测方法 |
| CN102323527B (zh) | 2011-09-09 | 2013-06-05 | 北京航空航天大学 | 基于光纤布拉格光栅的电力变压器局部放电检测系统及检测方法 |
| CN202260115U (zh) | 2011-10-28 | 2012-05-30 | 李国玉 | 一种线性可调谐短直腔光纤激光器 |
-
2013
- 2013-10-14 CN CN201310479339.XA patent/CN103487403B/zh active Active
-
2014
- 2014-10-01 US US14/503,939 patent/US8964185B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436459A (en) * | 1993-03-10 | 1995-07-25 | Dragerwerk Aktiengesellschaft | UV spectrometer with laser diodes and laser frequency multiplication |
| CN102027344A (zh) * | 2008-02-15 | 2011-04-20 | 科学技术设备委员会 | 红外分光计 |
| CN101477042A (zh) * | 2009-01-09 | 2009-07-08 | 武汉电信器件有限公司 | 基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置 |
| CN102192894A (zh) * | 2011-03-24 | 2011-09-21 | 周孟然 | 光纤传感煤矿瓦斯的激光光谱吸收检测方法 |
| CN102305771A (zh) * | 2011-08-18 | 2012-01-04 | 天津大学 | 多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法 |
| CN103196852A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-07-10 | 中煤科工集团重庆研究院 | 一种具有自动线性校正功能的激光气体检测方法 |
Cited By (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN104390937B (zh) * | 2014-11-24 | 2016-11-16 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 痕量氧化亚氮气体检测装置 |
| CN104390937A (zh) * | 2014-11-24 | 2015-03-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 痕量氧化亚氮气体检测装置 |
| CN105021310B (zh) * | 2015-07-28 | 2017-07-18 | 上海交通大学 | 高精度光纤光栅温度传感系统 |
| CN105021310A (zh) * | 2015-07-28 | 2015-11-04 | 上海交通大学 | 高精度光纤光栅温度传感系统 |
| CN107850533A (zh) * | 2015-08-18 | 2018-03-27 | 国立大学法人德岛大学 | 浓度测定装置 |
| CN107850533B (zh) * | 2015-08-18 | 2020-06-30 | 国立大学法人德岛大学 | 浓度测定装置 |
| CN107328722A (zh) * | 2016-04-21 | 2017-11-07 | 霍尼韦尔国际公司 | 双波长源气体检测器 |
| CN107911929A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-13 | 苏州汉策能源设备有限公司 | 一种氙灯光源恒定光强的自动控制方法及装置 |
| CN107991269A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-05-04 | 山东省科学院激光研究所 | 多组分气体监测系统、方法及装置 |
| CN107991269B (zh) * | 2018-01-23 | 2023-07-14 | 山东省科学院激光研究所 | 多组分气体监测系统、方法及装置 |
| CN108760653A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-11-06 | 黑龙江工程学院 | 一种光谱仪精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| CN108562551A (zh) * | 2018-04-11 | 2018-09-21 | 黑龙江工程学院 | 一种探测器精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| CN108760653B (zh) * | 2018-04-11 | 2020-11-17 | 黑龙江工程学院 | 一种光谱仪精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| CN109193339B (zh) * | 2018-10-10 | 2019-08-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种激光器输出波长的调节方法及系统 |
| CN109781639A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-21 | 青岛海纳光电环保有限公司 | 同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法 |
| CN109781639B (zh) * | 2019-01-31 | 2024-01-30 | 青岛崂应海纳光电环保集团有限公司 | 同时检测环境空气中二氧化硫和二氧化氮的装置与方法 |
| CN109820516A (zh) * | 2019-03-25 | 2019-05-31 | 中国人民解放军总医院 | 一种人体运动监测系统 |
| CN109820516B (zh) * | 2019-03-25 | 2024-02-02 | 中国人民解放军总医院 | 一种人体运动监测系统 |
| CN109856054A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-06-07 | 北京市燃气集团有限责任公司 | 一种腔衰荡光谱的检测装置 |
| CN114096829A (zh) * | 2019-07-10 | 2022-02-25 | ams有限公司 | 包括集成片上光波导的光热气体检测器 |
| CN112285674A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-29 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种探测大气水汽的微脉冲差分吸收激光雷达的发射机 |
| CN112816273A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-05-18 | 天津智易时代科技发展有限公司 | 一种气体快速采样处理气室 |
| CN112816273B (zh) * | 2020-12-30 | 2023-08-08 | 天津智易时代科技发展有限公司 | 一种气体快速采样处理气室 |
| CN114235018A (zh) * | 2021-12-09 | 2022-03-25 | 山东微感光电子有限公司 | 一种温度自适应的fbg解调方法及系统 |
| CN114235018B (zh) * | 2021-12-09 | 2023-08-08 | 山东微感光电子有限公司 | 一种温度自适应的fbg解调方法及系统 |
| WO2024037219A1 (zh) * | 2022-08-18 | 2024-02-22 | 华为技术有限公司 | 一种光发射装置和发射光信号的方法 |
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