CN103712943B - 气体共轭干涉式滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种气体共轭干涉式滤波器，属于气体浓度检测领域，它包括带尾纤的前准直器和后准直器，以及气体标准具；所述前准直器、气体标准具和后准直器依次共轴设置；所述气体标准具由沿光轴平行设置的吸收气室和参考气室构成，针对待测气体，吸收气室内充有相应的吸收气体，参考气室内充有相应的非吸收气体；宽带光源发出的光经前准直器准直后进入气体标准具，通过设置吸收气室和参考气室的参数差，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱，有效提高窄带光谱吸收法检测气体浓度的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于气体浓度检测领域，具体地指一种利用光学气体传感技术进行气体浓度检测时使用的气体共轭干涉式滤波器。
背景技术
工业生产中所排放的有毒有害、易燃易爆气体，对环境污染和安全生产造成严重的威胁。为了尽可能地减轻这一危害，就必须对这些气体进行实时检测，及时掌握这些气体的泄露、排放和分布情况，并采取有效的控制措施。
光学气体传感技术是一种新型的气体检测技术，该技术利用气体的光学特性来检测气体浓度，按激励方式可划分为：荧光型、折射率变化型、消逝场型、光声光谱型和光谱吸收型，其中光谱吸收型与其他方式相比，具有高精度、低交叉敏感、快速响应、易于成网等优点，应用前景较好。
光谱吸收法是通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。根据检测方式的不同，光谱吸收式气体检测技术主要包括腔衰荡光谱技术、有源内腔吸收技术、窄带光谱吸收技术和可调谐激光光谱技术。其中窄带光谱吸收技术采用低成本的光源，且可以利用滤波器选择不同的吸收峰实现不同气体的检测，具有非常好的工业应用潜质。
目前，用于窄带光谱吸收法的滤波器主要有以下几种：
1.齐洁（齐洁等，基于扫描光源的光纤气体传感系统的研究，中国激光，2011，9（38）：1-6）介绍了一种基于窄带扫描光源的光纤气体传感系统，系统以放大自发辐射光源为基础，结合锯齿波驱动的可调谐F-P滤波器形成窄带扫描光源。系统可以实现被测气体的多波长定标，在多个波长下均具有良好的线性度输出，并可应用于多种气体共存的环境下检测。但是可调谐F-P滤波器在宽范围调谐的情况下，扫描频率低，系统的响应速度较慢。
2.褚衍平（褚衍平等，双气室气体检测系统的研究，应用光学，2008，29（3）：390-394）介绍了一种双气室光纤气体检测系统。通过光纤光栅和压电陶瓷对宽带光源LED进行波长调制，获得与气体吸收峰对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现气体浓度的测量。但是其压电陶瓷会带来磁滞效应，容易产生失真，系统稳定性不高。
3.王文萃（王文萃等，红外甲烷气体检测仪的设计以及干扰分析，红外技术，2009，1（8）：458-460）介绍了一种基于非色散红外吸收（NDIR）原理的甲烷气体浓度检测仪。其原理是通过在热电堆探测器上加滤波片实现波长选择，但是由于这些滤波片的带宽达几十nm，因而大大限制了NDIR的检测灵敏度。
目前，窄带光谱吸收技术虽然是当前热门的研究方向，但也存在不足和缺点，如激光器中心波长漂移造成检测系统的不稳定性、不适合同时检测多组分气体、成本高不具有普遍适用性等。针对目前窄带光谱吸收技术检测灵敏度不高的问题，滤波器的设计是提高检测灵敏度的关键，如何保证宽带光源经滤波器后，输出光谱与气体吸收谱线完全匹配，是其重点和难点，上述三种方法使用的滤波器均难以满足这一要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种气体共轭干涉式滤波器，能够使与气体吸收谱线一致的光透过，其他波长的光则被反射，最终获得与气体吸收谱线反转的梳状光谱，有效提高窄带光谱吸收法检测气体浓度的检测灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种气体共轭干涉式滤波器，包括带尾纤的前准直器和后准直器，以及气体标准具；所述前准直器、气体标准具和后准直器依次共轴设置；所述气体标准具由沿光轴平行设置的吸收气室和参考气室构成，针对待测气体，吸收气室内充有相应的吸收气体，参考气室内充有相应的非吸收气体；宽带光源发出的光经前准直器准直后进入气体标准具，通过设置吸收气室和参考气室的参数差，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱。
上述技术方案中，通过设置不同的吸收气室和参考气室长度差和/或气体状态参数，使经过吸收气室和参考气室的两束光的相位差为π的奇数倍，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具。
进一步地，所述气体状态参数包括压强、温度和浓度。
上述技术方案中，所述吸收气室中充有多组分气体，用于响应多组分待测气体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）吸收气室和参考气室的设置，通过双通道共轭干涉，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过滤波器，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱，将本发明应用于气体浓度检测，能降低对光源的要求，有效提高窄带光谱吸收法的检测灵敏度；
2）通过更换吸收气室中吸收气体的种类，可形成针对不同待测气体的共轭干涉式滤波器；通过在吸收气室中采用多组分气体，可用于检测多组分待测气体；
3）基于非色散红外吸收原理，利用本发明滤波器以及菲涅尔透镜可构成中红外波段的共轭干涉式滤波器，用于高信噪比高灵敏度的中红外气体检测。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为图1滤波器使用过程中通过前准直器后光的波长与光强关系图；
图3为图1滤波器使用过程中通过吸收气室后光的波长与光强关系图；
图4为图1滤波器使用过程中通过后准直器后光的波长与光强关系图；
图5为应用本发明的一个光学气体传感系统的结构示意图；
图中：1—光源，2—共轭干涉式滤波器（其中：2.1、2.7—尾纤、2.2—前准直器、2.3—气体标准具、2.4—吸收气室、2.5—参考气室、2.6—后准直器），3—光隔离器，4—传感气室，5—光电二极管，6—信号处理单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：
如图1所示，本发明的一种气体共轭干涉式滤波器，包括带尾纤2.1、2.7的前准直器2.2和后准直器2.6，以及气体标准具2.3，前准直器2.2、气体标准具2.3和后准直器2.6依次共轴设置。气体标准具2.3由沿光轴平行设置的吸收气室2.4和参考气室2.5构成，针对待测气体，吸收气室2.4内充有相应的吸收气体，参考气室2.5内充有相应的非吸收气体。宽带光源发出的光（光强与波长的关系如图2所示）经尾纤2.1、前准直器2.2准直后进入气体标准具2.3，经过吸收气室2.4后的光谱如图3所示，通过设置吸收气室2.4和参考气室2.5的参数差，具体指长度差和/或气体状态参数（压强、温度和浓度等），使经过吸收气室2.4和参考气室2.5的两束光的相位差为π的奇数倍，从而在后准直器2.6处发生干涉后使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具2.3，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱，如图4所示。
如图5所示，应用本发明的一个光学气体传感系统，主要包括依次共轴设置的光源1、本发明的共轭干涉式滤波器2、光隔离器3、传感气室4、光电二极管5和信号处理单元6。光源1的光通过共轭干涉式滤波器2，获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱，经光隔离器3后送入传感气室4进行浓度检测，然后经光电二极管5进行光电转换，得到的电信号在信号处理单元6进行信号处理，实现待测气体的浓度检测。
本发明中，通过更换吸收气室2.4中吸收气体的种类，可形成针对不同待测气体的共轭干涉式滤波器2；通过在吸收气室2.4中采用多组分气体，还可用于检测多组分待测气体。
基于非色散红外吸收原理，光源发出的光依次通过本发明的共轭干涉式滤波器2得到数十纳米带宽的红外光，再经菲涅尔透镜实现混模，可得到与待测气体吸收峰相对应的梳状光谱输出，形成中红外波段的共轭干涉式滤波器，用于高信噪比高灵敏度的中红外气体检测。
本发明的核心在于吸收气室2.4和参考气室2.6的设置，通过双通道共轭干涉，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过滤波器，其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。例如：设置吸收气室2.4和参考气室2.5参数差的方式可以是其物理长度差，或者气室内气体状态参数的差别，或者二者的结合等，只要保证经过吸收气室2.4和参考气室2.5的两束光的相位差为π的奇数倍即可；气体的种类则根据待测气体确定，且采用单一气体或多组分气体均可等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (3)
1.一种气体共轭干涉式滤波器，其特征在于：包括带尾纤（2.1、2.7）的前准直器（2.2）和后准直器（2.6），以及气体标准具（2.3）；所述前准直器（2.2）、气体标准具（2.3）和后准直器（2.6）依次共轴设置；所述气体标准具（2.3）由沿光轴平行设置的吸收气室（2.4）和参考气室（2.5）构成，针对待测气体，吸收气室（2.4）内充有相应的吸收气体，参考气室（2.5）内充有相应的非吸收气体；宽带光源发出的光经前准直器（2.2）准直后进入气体标准具（2.3），通过设置吸收气室（2.4）和参考气室（2.5）的参数差，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具（2.3），其它波长的光被反射，最终获得与待测气体吸收谱线反转的梳状光谱；通过设置不同的吸收气室（2.4）和参考气室（2.5）长度差和/或气体状态参数，使经过吸收气室（2.4）和参考气室（2.5）的两束光的相位差为π的奇数倍，使仅有与待测气体吸收光谱对应的光能够透过气体标准具（2.3）。
2.根据权利要求1所述的气体共轭干涉式滤波器，其特征在于：所述气体状态参数包括压强、温度和浓度。
3.根据权利要求1或2所述的气体共轭干涉式滤波器，其特征在于：所述吸收气室（2.4）中充有多组分气体，用于响应多组分待测气体。
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