CN103954572A - 能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，包括宽谱光源，输出控制模块，光放大器，气室，光电探测器以及信号处理模块，宽谱光源的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与光放大器连接的输入端连接，光放大器的输出端连接到气室输入端上，气室输出端与光电探测器的输入端连接，光电探测器的输出端与信号处理模块输入端连接。本发明通过采用输出控制模块来选择波长，并可根据需要改变探测光源的波长，可以测量多种不同的气体浓度，使用波长选择控制还能减少光电探测器的使用数量，从而降低成本；再通过光放大器对特征谱线的强度有放大增强，从而提高信噪比，能够实现调谐，提高了探测光的抗干扰能力和灵敏度。

Description

能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其是一种能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器。

背景技术

光纤气体传感器的检测原理是根据光在待测物理参数作用的情况下，待测参数可能引起的光强、波长、频率、相位等参数的变化，从这些可能变化的光参数中提取被测参数的信息。其一般形式为利用光纤本身的特性或外加敏感元件，将被测信号的变化调制成光参数的变化。因此光纤传感器中根据光纤所起的作用可分为功能型光纤传感器和非功能型光纤传感器。非功能性的光纤气体传感器中的基本结构是：将光源发射的光作为载波，气室做为敏感元件，光强变化作为信号被加到光载波上，光纤作为传输媒介，再通过光电探测器提出信号，结合光谱知识分析待测气体的浓度等信息。目前非功能性光纤气体传感器存在一些由于其结构特征所带来的不足，主要表现在：光源光谱范围大，信号弱，在噪声环境下难于提取信号，测量目标单一，一个传感器只能测量一种目标气体的相关物理参数。为了解决光纤传感器系统存在的缺陷，现有技术采用了一些新的结构和方法，但这些现有技术均存在以下缺点：

1）采用窄线宽光源（如：DFB激光器）实现目标气体的非特征谱线对信号的干扰。但由于DFB的发射波长具有温度敏感性，这种传感器稳定性控制困难；

2）采用F-P无源腔作为滤波结构，实现窄线宽载波。但是由LED光谱线型是高斯性，当特征谱线位于LED光谱边缘时，强度极其微弱，在噪声条件下难于提取信号，这使得只能使用LED中心波长附近的光谱，这种结构一般只能测定一种目标气体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，它能实现多种气体成分浓度测量，且能实现输出波长可调，使整个系统稳定性好，以克服现有技术的不足。

本发明是这样实现的：能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，包括宽谱光源，输出控制模块，光放大器，气室，光电探测器以及信号处理模块，宽谱光源的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与光放大器连接的输入端连接，光放大器的输出端连接到气室输入端上，气室的输出端与光电探测器输入端连接，光电探测器的输出端与信号处理模块输入端连接；输出控制模块的组成包括波分解复用器，开关阵列和波分复用器，波分解复用器的输入端与宽谱光源的输出端连接，波分解复用器输出端与开关阵列的输入端连接，开关阵列的输出端与波分复用器的输入端连接，波分复用器的输出端与光放大器连接的输入端连接。

所述的光源为发光二极管（LED），发射光谱半最大全宽（FWHM）在50nm以上。

所述波分解复用器及波分复用器为熔融拉锥型、介质模型、阵列波导型或光栅型结构；开关阵列为两个以上结构相同的单列光控开关构成，或一个两列以上开关组；且开关阵列为磁控开关、光控开关或机械式开关。

所述的气室可以是自聚焦透镜结构，还可以是怀特腔结构。

工作原理：光源为LED，辐射宽谱光，通过光纤输入波长控制模块，根据目标气体，由波长控制模块选择特定波长的光输出，输出光变为窄线宽光源，将其经过光放大器放大后，被输入气室，当探测光通过气室后，光谱中的对应待测物特征谱线的位置发生吸收，表现为光强发生了变化，该光强变化经过光电探测器转化为电信号再经过A/D转换、谐波分析等标准的信号分析过程，最后得到待测气体的浓度。

与现有技术相比，本发明通过采用输出控制模块来选择波长，并可根据需要改变探测光源的波长，可以测量多种不同的气体浓度，使用波长选择控制还能减少光电探测器的使用数量，从而降低成本；再通过光放大器对特征谱线的强度有放大增强，从而提高信噪比，能够实现调谐，提高了探测光的抗干扰能力和灵敏度。本发明结构简单，能实现测量多种气体成分的复用功能，使用效果好。

附图说明

附图1为本发明的工作原理结构示意图；

附图2为本发明的实施例1的结构示意图。

附图3为本发明的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施例1：能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器的结构如图2所示，宽谱光源1的输出端与控制模块2的输入端连接，输出控制模块2由波分解复用器7、开关阵列8、波分复用器9和用于连接的光纤构成，开关阵列由n个单列开关构成，解复用器7的输入端是输出控制模块2的输入端，解复用器7有n个输出端，通过光纤分别与n个开关的输入端连接，n个开关的输出端分别与波分复用器9的n个输入端连接，通过开关控制某一波长的光进入波分复用器9，波分复用器9的输出端与光放大器3的输入端连接，光信号被放大，光放大器3的输出端连接到气室4输入端上，气室4由两段光纤10、16，一对自聚焦透镜12、15，以及一只开有两个气孔13、14的玻璃圆柱筒11构成；光纤10作为气室4输入端与自聚焦透镜12连接，结点位于自聚焦透镜12的右方焦点12F，通过透镜12的光变为一组平行光，穿越气室过程中被气体部分吸收，平行光到达左端后由自聚焦透镜15汇聚于焦点15F，并进入光纤16做为气室4输出端；气室4的输出端与光电探测器5的输入端连接，光电探测器5的输出端与信号处理模块6输入端连接；当探测光通过气室后，光谱中的对应待测物特征谱线的位置发生吸收，表现为光强发生了变化，该光强变化经过光电探测器5转化为电信号再经过A/D转换、谐波分析等标准的信号分析过程，最后得到待测气体的浓度；开关阵列8可以改变探测光源的波长，进而可以测量多种不同的气体浓度。

本发明的实施例2：能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器的结构如图1所示，包括宽谱光源1，输出控制模块2，光放大器3，气室4，光电探测器5以及信号处理模块6，宽谱光源1的输出端与控制模块2的输入端连接，控制模块2的输出端与光放大器3连接的输入端连接，输出控制模块2由波分解复用器7、开关阵列8、波分复用器9和用于连接的光纤构成，开关阵列由n个单列开关构成，解复用器7的输入端是输出控制模块2的输入端，解复用器7有n个输出端，通过光纤分别与n个开关的输入端连接，n个开关的输出端分别与波分复用器9的n个输入端连接，通过开关控制某一波长的光进入波分复用器9，波分复用器9的输出端与光放大器3的输入端连接，光信号被放大，光放大器3的输出端连接到气室4输入端上，气室4由两段光纤17、18，两个凹面镜22、23、一只开有两个气孔20、21的玻璃圆柱筒19构成；光纤17一端作为气室的输入端，另一端与凹面镜镜准直器24的输入端连接，输出端的光在在凹面镜22、23的反射作用下多次往返穿过气室最后进入准直器25，准直器25的另一端与光纤18连接作为气室4的输出，气室4输出端连接光电探测器5的输入端连接，光电探测器5的输出端与信号处理模块6输入端连接；波分解复用器7及波分复用器9均为波导阵列型（解）波分复用结构，开关阵列8为一个n列的磁控开关组8b1…8bn。

上述实施例中，宽谱光源1为发光二级管光源，出射光谱宽50nm以上，辐射光谱符合高斯分布或洛伦兹分布；宽谱光源1发射宽谱光，波分解复用器7通道间隔Δλ，能够将宽谱光源按照波长间隔为Δλ分成n路窄谱光，根据目标气体的特征谱线，将开关阵列8对应的开关设置为开通状态，其它的开关设置为断开状态，控制该路光通过波分复用器9，再被光放大器3放大获得窄谱宽高强度的理想探测光源，当探测光通过气室后，光谱中的对应待测物特征谱线的位置发生吸收，表现为光强发生了变化，该光强变化经过光电探测器5转化为电信号再经过A/D转换、谐波分析等标准的信号分析过程，最后得到待测气体的浓度；开关阵列8可以改变探测光源的波长，进而可以测量多种不同的气体浓度。

波分解复用器及波分复用器根据需要可以选择熔融拉锥型、或介质模型、或阵列波导型、或光栅型结构；开关阵列可以用结构相同的单列光控开关构成，也可以由多列开关组成；开关阵列可以是磁控开关、光控开关、或机械式开关。

宽谱光源1、光放大器3，气室4、光电探测器5以及信号处理模块6均可购自能实现上述功能的常规市售产品。

Claims (5)

1.一种能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，包括宽谱光源（1），输出控制模块（2），光放大器（3），气室（4），光电探测器（5）以及信号处理模块（6），其特征在于：宽谱光源（1）的输出端与控制模块（2）的输入端连接，控制模块（2）的输出端与光放大器（3）连接的输入端连接，光放大器（3）的输出端连接到气室（4）输入端上，气室（4）的输出端与光电探测器（5）的输入端连接，光电探测器（5）的输出端与信号处理模块（6）输入端连接；输出控制模块（2）的组成包括波分解复用器（7），开关阵列（8）和波分复用器（9），波分解复用器（7）的输入端与宽谱光源（1）的输出端连接，波分解复用器（7）输出端与开关阵列（8）的输入端连接，开关阵列（8）的输出端与波分复用器（9）的输入端连接，波分复用器（9）的输出端与光放大器（3）连接的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，其特征在于：宽谱光源（1）为发光二极管，光谱半最大全宽在50nm以上。

3.根据权利要求1所述的能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，其特征在于：所述波分解复用器（7）及波分复用器（9）为熔融拉锥型、介质模型、阵列波导型或光栅型结构；开关阵列（8）为两个以上结构相同的单列光控开关构成，或一个两列以上开关组；且开关阵列（8）为磁控开关、光控开关或机械式开关。

4.根据权利要求1所述的能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，其特征在于：光放大器（3）为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。

5.根据权利要求1所述的能测量多种气体成分的复用式光纤气体传感器，其特征在于：气室（4）为自聚焦透镜结构或怀特腔结构。