CN103592261B - 全光纤温度补偿型气体传感器及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤温度补偿型气体传感器，包括激光选频与放大、气体信号探测、温度信号探测、数据采集与处理四部分。传感器以光纤环腔激光器为主体，传感气室和光纤光栅分别作为气体和温度探头，通过算法补偿温度变化对气体吸收系数的影响，得到不同温度下气体吸光度与浓度之间的关系。补偿时，通过预先标定的气体温度-吸光度关系得到当前温度和参考温度下气体谱线吸光度比例系数，根据该系数将参考温度下标定的气体浓度-吸光度关系转换为当前温度下的气体浓度-吸光度关系，再通过插值算法由当前气体吸光度得到补偿后的气体浓度。本发明采用全光纤结构，具有抗电磁干扰能力强、易构成传感网络等优点，具有广阔的应用前景。

Description

全光纤温度补偿型气体传感器及其补偿方法

技术领域

本发明属于气体传感及检测领域，尤其涉及一种全光纤具有温度补偿功能的气体传感器及其补偿方法。

背景技术

由于工业生产和环境保护领域对有毒有害气体实时监测的需求，各种气体传感器应运而生。相比于传统的半导体式、电化学式和催化燃烧式气体传感器，光纤气体传感器具有体积小、重量轻、选择性好、抗电磁干扰能力强、本质安全等优点，特别适于在易燃易爆环境中使用；此外，光纤器件较强的组网能力使得传感器能通过时分、空分等复用技术，实现多点准分布式测量，是未来气体传感器的主要发展方向。

光纤气体传感器一般是根据近红外光谱吸收的原理进行检测的，由于气体分子的选择性吸收作用，不同种类的气体吸收不同波长的光子；在气体吸收波长处，光强会发生衰减，衰减越大，气体吸收越强。气体吸收既与待测气体本身性质如浓度、吸收谱线强度、吸收谱线线型函数等有关，也会受到外界环境因素的影响。当温度发生变化时，气体分子吸收系数随之改变，使得不同浓度下的气体吸光度偏离原来的标定值，给浓度探测带来误差。为提高光纤气体传感器的浓度测量精度和稳定性，在实际探测中需要考虑到温度变化对气体吸收的影响并加以补偿。

光纤光栅(FBG)作为一种主要的光纤温度传感器，其实质是在光纤纤芯内形成一个窄带滤波器。当一束宽带光入射到FBG时，满足布拉格波长条件的光被反射，其他波长的光被透射。当环境温度发生变化时，受光纤热光效应和热膨胀效应的影响，FBG的反射波长会发生漂移，漂移量与温度改变量成正比。FBG型温度传感器采用光波长对温度进行编码，具有结构简单、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。传感器容易与各种光纤系统集成，在工程中得到了广泛的应用。

发明内容

本发明提供一种全光纤温度补偿型气体传感器及其补偿方法，传感器以光纤环腔激光器为主体，传感气室和光纤光栅分别作为气体和温度探头，通过补偿得到不同温度下气体浓度与吸光度之间的对应关系，使得传感器在温度变化时无需重新标定即可准确测量气体浓度，降低了温度对气体探测的影响，提高了传感器的测量精度和稳定性。

本发明的理论依据是朗伯-比尔定律。根据该定律，气体吸光度K表征探测光经过吸收气体前后的光强衰减，气体吸收越强，光强衰减越大。气体吸光度是由气体分子固有性质和环境因素共同决定的，可以定量表示为谱线吸收系数α、气体体积浓度c和有效吸收光程l的乘积，其中谱线吸收系数α是温度T的函数：

K(T)=ln(I₀/I)=α(T)cl（1）

公式（1）中I₀是未经过吸收气体时的入射光强，I是气体吸收后的透射光强。由于吸光度与气体浓度成正比，故常用于光谱吸收型气体传感器的浓度标定。当温度改变时，因气体谱线吸收系数受温度影响，不同浓度对应的吸光度会偏离原来参考温度下的标定值，给浓度探测带来误差。由公式（1）可知，任意两个温度下的吸光度比例系数仅与谱线吸收系数α有关，与气体浓度c无关。如果在特定参考浓度下对气体吸光度与温度之间的关系予以标定，得到当前温度与参考温度下的气体吸光度比例系数，再根据该比例系数将参考温度下的浓度-吸光度标定曲线转化为当前温度下的浓度-吸光度标定曲线，就可实现气体浓度探测的温度补偿。

在温度补偿过程中，当前温度由光纤光栅获得。当温度改变时，光栅的中心反射波长λ_B会发生漂移，漂移量η与温度变化量之间成线性关系：

$\mathrm{\η}=\frac{d{\mathrm{\λ}}_B}{\mathrm{dT}}/{\mathrm{\λ}}_B=\mathrm{\σ}+\mathrm{\ξ}---\left(2\right)$

公式（2）中，σ为光纤热膨胀系数，ξ为光纤光栅的热光系数。对FBG的温度-波长关系进行标定后，通过检测光栅的中心反射波长即可获得对应的实时环境温度。

基于以上原理，本发明一种全光纤温度补偿型气体传感器，包括激光选频与放大部分、气体信号探测部分、温度信号探测部分和数据采集与处理部分；所述激光选频与放大部分包括掺铒光纤放大器、隔离器、光纤法珀可调谐滤波器、第一光环形器、偏振控制器和可调衰减器，各器件依次连接构成环腔；所述光纤法珀可调谐滤波器与所述第一光环形器的端口1相连，所述偏振控制器与第一光环形器的端口3相连；所述光纤法珀可调谐滤波器用锯齿波扫描电压驱动，用于激光的选频与调谐；所述掺铒光纤放大器和可调衰减器协同使用实现激光放大；所述气体信号探测部分包括耦合器、传感气室、全反镜和第一光探测器，所述耦合器的端口1与所述第一光环形器的端口2相连，所述耦合器的端口2连接至所述第一光探测器，所述耦合器的端口3与所述传感气室、全反镜依次连接；光信号经传感气室中的气体吸收后由全反镜返回，一部分由第一光探测器接收得到气体吸收光谱，另一部分经第一光环形器的端口2返回所述激光选频与放大部分构建的环腔继续自激放大；所述温度信号探测部分包括第二光环形器、光纤光栅和第二光探测器；所述第二光环形器的端口1与所述耦合器的端口4相连，所述第二光环形器的端口2连接至所述光纤光栅，所述第二光环形器的端口3连接至所述第二光探测器；所述第二光探测器负责采集光纤光栅的反射光谱，用于光纤光栅中心波长的解调以获得实时环境温度。所述数据采集与处理部分包括数据采集卡和计算机；所述数据采集卡通过导线采集所述第一光探测器和第二光探测器输出的光电压信号，并为所述光纤法珀可调谐滤波器和可调衰减器提供电压驱动信号；所述计算机通过USB线与数据采集卡连接，对采集到的信号进行处理。

本发明全光纤温度补偿型气体传感器的温度补偿方法，采用本发明中的上述全光纤温度补偿型气体传感器，并包括如下步骤：

步骤一、通过标定和拟合得到：光纤光栅的温度-波长关系；参考温度下的气体浓度-吸光度关系；参考浓度下的气体温度-吸光度关系；

步骤二、对第二光探测器采集到的光纤光栅的反射光谱采用功率加权法寻峰，得到光栅实时波长，再根据光栅实时波长对步骤一获得的所述光纤光栅的温度-波长关系的拟合直线进行线性插值，得到当前环境温度；

步骤三、根据步骤一获得的参考浓度下的气体温度-吸光度关系的多项式拟合曲线及拟合系数，得到当前环境温度与参考温度下的气体吸光度的比例系数；

步骤四、将步骤三中算得的气体吸光度的比例系数与步骤一得到的参考温度下的气体浓度-吸光度关系的拟合直线相乘，获得当前温度下的气体浓度-吸光度关系的拟合直线；

步骤五、根据第一光探测器采集到的气体吸收光谱，由吸收谱线光强幅值凹陷算得气体实时吸光度，并代入到步骤四获得的当前温度下的气体浓度-吸光度对应关系的拟合直线，通过线性插值算法得到经过温度补偿后的气体浓度。

其中，步骤一的标定过程中，参考温度为20℃-25℃；参考浓度为气体传感器满量程浓度的10%以上；拟合过程中，对采样得到的一组离散的光纤光栅的温度和波长标定点采用线性拟合得到光栅温度-波长关系；对采样到的气体的浓度和吸光度离散标定点采用线性拟合得到气体浓度-吸光度关系；对采样到的气体的温度和吸光度离散标定点采用多项式拟合得到气体温度-吸光度关系。

补偿过程中，当前温度由光纤光栅获得，通过预先标定的气体温度-吸光度关系得到当前温度和参考温度下气体谱线吸光度比例系数，根据该比例系数将参考温度下标定的气体浓度-吸光度关系转换为当前温度下的气体浓度-吸光度关系，再通过插值方法由当前气体吸光度得到补偿后的气体浓度。

本发明的优点及有益效果在于：

（1）本发明构建的气体传感器采用全光纤结构，抗电磁干扰，本质安全，可以通过光谱扫描实现多种气体的浓度检测；

（2）本发明采用光纤光栅作为温度敏感元件，可以在较宽的温度范围内对气体浓度进行补偿，降低环境因素干扰，提高测量精度；

（3）本发明采用软件算法对气体浓度-吸光度关系进行补偿，避免了温度变化时气体传感器吸光度的重复标定，降低了气体浓度探测的复杂性和冗余性，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明全光纤温度补偿型气体传感器的示意图；

图2是实施例中乙炔气体局部吸收光谱图；

图3是实施例光纤光栅反射光谱图；

图4是实施例光纤光栅温度-波长对应关系的拟合直线图；

图5是实施例参考温度下乙炔气体浓度-吸光度对应关系的拟合直线图；

图6是实施例参考浓度下乙炔气体温度-吸光度对应关系的拟合曲线图。

图中，1-掺铒光纤放大器，2-隔离器，3-光纤法珀可调谐滤波器，4-第一光环形器，5-偏振控制器，6-可调衰减器，7-耦合器，8-传感气室，9-全反镜，10-第一光探测器，11-第二光环形器，12-光纤光栅，13-第二光探测器，14-数据采集卡，15-计算机。

具体实施方式

以图1为例，对全光纤温度补偿型气体传感器的结构进行详细说明。该传感器包括激光选频与放大部分、气体信号探测部分、温度信号探测部分和数据采集与处理部分。

激光选频与放大部分以掺铒光纤放大器1的荧光自发辐射(ASE)作为种子光，与隔离器2、光纤法珀可调谐滤波器3、第一光环形器4、偏振控制器5和可调衰减器6依次连接，其中滤波器3与第一光环形器4的端口1相连，偏振控制器5与第一光环形器4的端口3相连。可调衰减器6与掺铒光纤放大器1首尾相连，构成环腔形成激光振荡。隔离器2用于保证光的单向传输，偏振控制器5用来控制光的偏振状态。滤波器3的作用是选频和调谐，它是形成激光的关键器件。掺铒光纤放大器1输出的宽带ASE光经过滤波器3后，变成窄带透射光。透射光的波长由滤波器3的驱动电压决定，线宽取决于滤波器3的3dB带宽。由于气体的吸收谱线半宽较窄，滤波器3的带宽一般不应超过40pm，自由光谱范围需大于掺铒光纤放大器1的增益带宽。当用锯齿波电压驱动滤波器3时，其透射波长连续改变，光纤环腔激光器输出扫描激光光谱。由于滤波器3的驱动电压与透射波长是一一对应的，激光光谱中任意位置处的波长可由该位置对应的驱动电压获得。可调衰减器6用于调节系统损耗，改变环腔增益大小来获得不同功率和信噪比的激光输出以及不同程度的气体传感灵敏度增强因子，其效果与改变掺铒光纤放大器1的泵浦功率相当，但衰减器6的电控调节方式能获得更高的分辨率和灵敏度。

气体信号探测部分和温度信号探测部分构成了传感探头，通过第一光环形器4的端口2接入光纤环腔中，并由耦合器7分光成两个支路分别进行气体和温度探测。耦合器7的端口3连接气体浓度探测支路，气体信号探测部分由传感气室8、全反镜9和第一光探测器10组成。由于气体吸收需在空间中完成，因而传感气室8两端采用一对C-lens或者G-lens实现光纤光束的扩束与准直。全反镜9将经过气体吸收后的光信号原路返回，一部分进入由激光选频与放大部分构成的环腔继续自激放大，另一部分由第一光探测器10接收采集气体的吸收光谱，供计算机15解调得到气体浓度信息。耦合器7的端口4连接环境温度探测支路，温度信号探测部分由第二光环形器11、光纤光栅12和第二光探测器13组成。第二光环形器11的端口1、2、3分别与耦合器7的端口4、光纤光栅12和第二光探测器13相连。第二光探测器13负责采集光纤光栅12的反射谱，由计算机15通过功率加权算法得到光纤光栅12反射峰中心位置处的驱动电压，再根据光纤法珀可调谐滤波器3驱动电压与透射波长之间的对应关系得到光纤光栅12的中心波长，从而获得实时环境温度。

数据采集与处理部分通过数据采集卡14采集第一光探测器10和第二光探测器13输出的光电压信号，并为光纤法珀可调谐滤波器3和可调衰减器6提供电压驱动信号，计算机15通过USB线与数据采集卡14连接，对采集到的信号进行处理。图1中的点划线示出了信号采集卡14及计算机15与相关器件的信号及数据的传递路线。

本发明全光纤温度补偿型气体传感器中各器件均采用光纤连接，易集成、易拆装。掺铒光纤放大器1的宽带增益可以覆盖多种气体的多条吸收谱线，传感气室8位于激光谐振腔中，有效吸收光程由激光振荡距离阈值起振状态的程度决定，可通过灵活调整掺铒光纤放大器1的泵浦电流和可调衰减器6的损耗来满足不同应用环境对气体传感灵敏度的要求，具有较强的适应能力。

实施例：以乙炔气体浓度检测为例，详细说明传感器的温度补偿方法实施步骤。

实施例中使用的掺铒光纤放大器1的增益带覆盖1522nm-1565nm范围，光纤法珀可调谐滤波器3的自由光谱范围为15.2THz，3dB带宽为4.75GHz。第一光探测器10和第二光探测器13分别用于采集气体的吸收光谱和光纤光栅12的反射光谱，并将光信号转换为电信号由数据采集卡14接收，再通过USB线送入计算机15进行处理。检测时调节掺铒光纤放大器1的泵浦电流和可调衰减器6的损耗使环腔激光起振后，乙炔气体局部吸收光谱如图2所示。图2中激光波长范围为1526nm-1540nm，为乙炔的强吸收带，包含了多条吸收谱线。对于每条谱线，均可通过基线提取得到无气体吸收时的背景光强，再对吸收线型进行洛伦兹拟合，拟合曲线中心位置处的驱动电压和幅值分别对应谱线吸收波长和经过气体吸收后的光强幅值。由气体吸收前后的光强值，根据朗伯-比尔定律即可算出谱线吸光度，用于气体浓度标定和探测。本例中选取中心波长为1529.18nm的吸收谱线来测量乙炔浓度。温度探测由光纤光栅传感器实现，图3给出了光纤光栅12的反射光谱，反射峰的中心波长在1550nm附近。当温度变化时，光纤光栅12的中心波长会发生漂移，由于光栅波长与温度之间存在对应关系，通过监测光栅波长就可获得实时环境温度。

在用传感器对待测气体进行浓度检测之前，需要事先对系统参数进行标定，其中包括光纤光栅12的温度-波长对应关系，参考温度下的气体浓度-吸光度对应关系和参考浓度下的气体温度-吸光度对应关系。本实施例中参考温度选为23℃，参考浓度选为1%(即10000ppm)。标定过程中由恒温箱提供不同温度值，由气体分割器提供不同乙炔浓度值。在标定光纤光栅12的温度-波长关系时，温度以5℃的步进间隔从0℃变化到100℃。每个离散温度下测量光纤光栅12的反射光谱，通过功率加权法寻峰得到光栅的中心反射波长，将测得的一组离散的温度及波长对应点进行线性拟合，拟合直线如图4所示。在标定参考温度下气体浓度-吸光度对应关系时，乙炔浓度以1000ppm的步进间隔从2000ppm变化到10000ppm。为降低随机误差，每个离散浓度下采集乙炔的吸收光谱20次，计算出1529.18nm谱线处的吸光度均值用于标定。采集完毕后，将一组离散的浓度及吸光度对应点进行线性拟合，得到完整的浓度-吸光度对应关系，结果如5所示。同理，在标定参考浓度下的气体温度-吸光度对应关系时，温度以10℃的步进间隔从0℃变化到80℃。每个温度下测量乙炔的吸收光谱20次，计算出1529.18nm谱线处的吸光度均值，然后将一组离散的温度及吸光度标定点采用二次多项式拟合得到完整的温度-吸光度对应关系，结果如图6所示。

预标定完成后，在利用传感器对气体浓度进行测量时，可遵循下述步骤获得温度补偿后的浓度。首先对采集到的光纤光栅反射光谱进行处理，采用功率加权法寻峰得到光栅中心反射波长，代入图4中的光纤光栅温度-波长拟合直线，通过线性插值得到当前环境温度。然后根据图6中参考浓度下的气体温度-吸光度多项式拟合曲线及拟合系数，得到当前温度和参考温度下的气体吸光度及两者之间的比例系数。由于不同温度下的吸光度比例系数与气体浓度无关，因而将图5中参考温度下的气体浓度-吸光度拟合直线与该比例系数相乘，即可获得当前温度下的气体浓度-吸光度拟合直线。最后对采集到的气体吸收光谱进行处理，由吸收谱线光强幅值凹陷算得气体实时吸光度，并代入当前温度下的气体浓度-吸光度拟合直线，采用线性插值便可得到经过温度补偿后的气体浓度。

本方法操作简单方便，既考虑到温度变化对气体吸收的影响，提高了气体浓度探测的精度，又避免了环境温度改变时传感器的多次重复浓度标定，减少了浓度探测的时间和复杂性。对本方法进行测试时，在22℃时测得1%体积浓度的乙炔气体的吸光度为0.3335，若直接带入参考温度23℃下的气体浓度-吸光度拟合直线，得到气体浓度为1.009%，经过温度补偿后传感器输出的气体浓度为1.004%，探测误差得以降低。

最后应强调的是：尽管本发明结合实施例对装置结构和补偿方法进行了详细说明，但这只是示意性的，而非限制性的，本领域技术人员依然可以在不脱离本发明宗旨的条件下，对上述具体实施方式进行修改或对其部分特性进行等同替换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全光纤温度补偿型气体传感器，其特征在于，包括激光选频与放大部分、气体信号探测部分、温度信号探测部分和数据采集与处理部分；

所述激光选频与放大部分包括掺铒光纤放大器(1)、隔离器(2)、光纤法珀可调谐滤波器(3)、第一光环形器(4)、偏振控制器(5)和可调衰减器(6)，上述各器件依次连接构成环腔；所述光纤法珀可调谐滤波器(3)与所述第一光环形器(4)的端口1相连，所述偏振控制器(5)与第一光环形器(4)的端口3相连；所述光纤法珀可调谐滤波器(3)用锯齿波扫描电压驱动，用于激光的选频与调谐；所述掺铒光纤放大器(1)和可调衰减器(6)协同使用实现激光放大；

所述气体信号探测部分包括耦合器(7)、传感气室(8)、全反镜(9)和第一光探测器(10)；所述耦合器(7)的端口1与所述第一光环形器(4)的端口2相连，所述耦合器(7)的端口2连接至所述第一光探测器(10)，所述耦合器(7)的端口3与所述传感气室(8)和全反镜(9)依次连接；光信号经传感气室(8)中的气体吸收后由全反镜(9)返回，一部分由第一光探测器(10)接收得到气体吸收光谱，另一部分经第一光环形器(4)的端口2返回所述激光选频与放大部分构建的环腔继续自激放大；

所述温度信号探测部分包括第二光环形器(11)、光纤光栅(12)和第二光探测器(13)；所述第二光环形器(11)的端口1与所述耦合器(7)的端口4相连，所述第二光环形器(11)的端口2连接至所述光纤光栅(12)，所述第二光环形器(11)的端口3连接至所述第二光探测器(13)；所述第二光探测器(13)负责采集光纤光栅(12)的反射光谱，用于光纤光栅(12)中心波长的解调以获得实时环境温度；

所述数据采集与处理部分包括数据采集卡(14)和计算机(15)；所述数据采集卡(14)通过导线采集所述第一光探测器(10)和第二光探测器(13)输出的光电压信号，并为所述光纤法珀可调谐滤波器(3)和可调衰减器(6)提供电压驱动信号；所述计算机(15)通过USB线与数据采集卡(14)连接，对采集到的信号进行处理。

2.一种全光纤温度补偿型气体传感器的温度补偿方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的全光纤温度补偿型气体传感器，并包括如下步骤：

步骤一、通过标定和拟合得到：光纤光栅(12)的环境温度-波长关系；参考温度下的气体浓度-吸光度关系；参考浓度下的气体温度-吸光度关系；

步骤二、对第二光探测器(13)采集到的光纤光栅(12)的反射光谱采用功率加权法寻峰，得到光栅实时波长，再根据光栅实时波长对步骤一获得的所述光纤光栅的环境温度-波长关系的拟合直线进行线性插值，得到当前环境温度；

步骤三、根据步骤一获得的参考浓度下的气体温度-吸光度关系的多项式拟合曲线及拟合系数，得到当前环境温度与参考温度下的气体吸光度的比例系数；

步骤四、将步骤三中算得的气体吸光度的比例系数与步骤一得到的参考温度下的气体浓度-吸光度关系的拟合直线相乘，获得当前温度下的气体浓度-吸光度关系的拟合直线；

步骤五、根据第一光探测器(10)采集到的气体吸收光谱，由吸收谱线光强幅值凹陷算得气体实时吸光度，并代入到步骤四获得的当前温度下的气体浓度-吸光度关系的拟合直线，通过线性插值算法得到经过温度补偿后的气体浓度。

3.根据权利要求书2所述的一种全光纤温度补偿型气体传感器的温度补偿方法，其中，步骤一中：标定过程中，参考温度为23℃；参考浓度为1％；拟合过程中，对采样得到的一组离散的光纤光栅(12)的温度和波长标定点采用线性拟合得到光栅环境温度-波长关系；对采样到的气体的浓度和吸光度离散标定点采用线性拟合得到气体浓度-吸光度关系；对采样到的气体的温度和吸光度离散标定点采用多项式拟合得到气体温度-吸光度关系。