CN104034685B - 一种增强吸收型气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
一种增强吸收型气体检测系统,属于光纤气体检测技术领域。系统包含分布反馈式激光器、第一分束器、气室、第二分束器、第一电探测器、第二光电探测器及单片机等。其中气室由一个双纤准直器、一个单纤准直器及带气体交换孔的金属套管组成。分布反馈式激光器位于第一分束器之前，第一分束器的一输出端接第一光电探测器另一输出端接气室，第二分束器位于气室后，第二光电探测器位于第二分束器之后。本系统采用的气室设计，能够使激光在气室内循环传输,气体分子对激光产生循环吸收从而极大增强吸收信号，两个光电探测器实现对光信号的光电转换并由单片机进行采集处理，从而得到气体浓度信息；本发明具有激光利用率高，性价比高以及灵敏度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强吸收型气体检测系统,即涉及一种光谱吸收式的、增强吸收型的气体检测系统，属于光纤气体检测技术领域。
背景技术
痕量气体的高灵敏度分析在科学研究、工农业生产过程中，特别是在聚合物制造、植物研究甚至环境科学等领域中扮演具有极其重要的角色，目前，常用的气体检测方法主要有电化学法、露点法、阻容法以及近红外光谱吸收法，其中近红外光谱吸收法因其抗电磁干扰、稳定性好、测量精度高可实现无电检测等优点在痕量气体检测领域得到越来越广泛的应用，并在一些易燃易爆气体的存储等特殊场合发挥着不可替代的作用。
待测气体的浓度主要通过检测气体分子的激光吸收量来完成，当激光通过待测气体时，激光与待测气体分子发生相互作用而产生吸收效应，可用比尔朗伯定律来描述，即It(λ)＝I0(λ)exp[-α(λ)CL]，其中C为待测气体的浓度，L为有效工作距离，It(λ)为经过吸收后的光强，I0(λ)为入射光强，α(λ)为对应波长下的气体吸收系数，可在数据库HITRAN2012中查出。
《Photonic Sensors》，2012年，2卷1期，71-76页，作者为Shicong Zhang,QiangWang,Yan Zhang,Fujun Song,Kun Chen,Guoqing Chou,Jun Chang,Pengpeng Wang,Delong Kong,Zongliang Wang,Weijie Wang,Yongning Liu,Haiyong Song，题为《Watervapor detection system based on scanning spectra》的文章提出一种基于扫描光谱的水气检测系统，该系统采用波长扫描技术和差分法实现了对水气的浓度检测，通常近红外光谱吸收式气体检测系统中，气室中的光都由光纤准直器导入，但是商用光纤准直器的工作距离多小于10cm，这就决定了这一类光纤气体检测系统中的有效工作距离不会很长，这就使得系统的检测灵敏度受到限制。
发明内容
为克服现有相关技术的不足，本发明设计了一种增强吸收型气体检测系统，旨在突破有限长有效工作距离对检测灵敏度提升的限制，提供性价比高、光谱激光利用率高的高灵敏度近红外光谱吸收法气体传感器。
本发明的技术方案是按以下方式实现的：
一种增强吸收型气体检测系统，包括分布反馈式激光器、第一分束器、气室、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器及单片机等，其特征在于第一分束器的分光比为30％和70％，第二分束器的分光比为10％和90％；单片机和分布反馈式激光器相连接，分布反馈式激光器经光纤和第一分束器的输入端相连接，第一分束器的30％端经光纤连接到第一光电探测器的输入端作为参考光，第一分束器的70％端连接到气室；气室的输出端连接到第二分束器的输入端，第二分束器的90％端回接到气室的输入端，第二分束器的10％端连接到第二光电探测器的输入端,第一、二光电探测器分别经单片机的A/D接口和单片机相连接；
所述的气室由一个双尾纤准直器、一个单尾纤准直器以及侧面带气体交换孔的金属套管组成，其中双纤准直器位于金属套管的前端并被金属套管所包裹以构成气室的输入端，单纤准直器位于金属套管的后端并由金属套管所包裹以构成气室的输出端，金属套管的中间部位侧面带气体交换孔；
所述的气室与第二分束器连接成循环结构，以实现激光的循环利用，其中双尾纤准直器的一条尾纤与第一分束器的70％端相连，双尾纤准直器的另一条尾纤与第二分束器的90％端相连。
所述的气室的双尾纤准直器和单尾纤准直器均为C-lens型光纤准直器，且有效工作距离在30-100mm内，一般商用化的光纤准直器就能满足其工作距离，不需要特殊定制。
所述的分布反馈式激光器为半导体激光器，其线宽在MHz量级，相比于扫描范围分布反馈式激光器的出射光可视为线状光谱线，另外还具有功率密度大、驱动方便等优势。
所述的分布反馈式激光器由梯形波电流驱动，梯形波电流由单片机给出，单周期内梯形波电流的上升沿、上底、下降沿、下底所占的时间比例为1：2：1：2。
所述的分束器为熔融拉锥型分束器，这类分束器的制作工艺简单、成本较低、分光比稳定且分光比可选，其中第一分束器的分光比为30％：70％，第二分束器的分光比为10％：90％。
所述的光电探测器为铟镓砷光电探测器。
本发明的工作原理如下：增强吸收型气体检测系统工作时，由气室与与第二分束器组成循环结构，单片机为分布反馈式激光器提供梯形波驱动电流，单片机产生驱动信号用于驱动分布反馈式激光器，使分布反馈式激光器输出波长连续的窄带激光，第一分束器将窄带激光一分为二，30％端连接第一光电探测器作参考光，70％端连接气室，激光与气体发生相互作用；第二分束器将从气室导出的激光一分为二，90％端回接进入气室激光再次与气体发生相互作用，然后进入第二分束器，产生循环吸收直至光强度损耗尽，10％端连接第二光电探测器,在循环过程中第二光电探测器上积累的光作信号光；第一光电探测器和第二光电探测器的输出信号由单片机采集得到，并进一步反演出气体浓度信息。
本发明的优点：
首先，采用的循环结构对激光进行重复循环利用，提高了激光的利用效率；其次，克服了光纤气体检测系统中有效工作距离短的不足，实现了高灵敏的气体浓度检测；第三，梯形波电流用于激光器的驱动使得电信号的波形调整变得更加方便，第四，系统的构成组件多数为光纤传感和光通讯常用器件，其成本非常低。
附图说明
图1是本发明涉及的增强吸收型气体检测系统的示意图。
其中：1、单片机，2、分布反馈式激光器，3、第一分束器，4、气室，5、第二分束器，6、第二光电探测器，7、第一光电探测器。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例：
本发明实施例如图1所示：一种增强吸收型气体检测系统，包括分布反馈式激光器2、第一分束器3、气室4、第二分束器5、第一光电探测器7、第二光电探测器6及单片机1，其特征在于第一分束器3的分光比为30％和70％，第二分束器5的分光比为10％和90％；单片机1和分布反馈式激光器2相连接，分布反馈式激光器2经光纤和第一分束器3的输入端相连接，第一分束器3的30％端经光纤连接到第一光电探测器7的输入端作为参考光，第一分束器3的70％端连接到气室4；气室4的输出端连接到第二分束器5的输入端，第二分束器5的90％端回接到气室4的输入端，第二分束器5的10％端连接到第二光电探测器6的输入端,第一、二光电探测器7和6分别经单片机1的A/D接口和单片机1相连接；
所述的气室4由一个双尾纤准直器、一个单尾纤准直器以及侧面带气体交换孔的金属套管组成，其中双纤准直器位于金属套管的前端并被金属套管所包裹以构成气室的输入端，单纤准直器位于金属套管的后端并由金属套管所包裹以构成气室的输出端，金属套管的中间部位侧面带气体交换孔；
所述的气室与第二分束器连接成循环结构，以实现激光的循环利用，其中双尾纤准直器的一条尾纤与第一分束器的70％端相连，双尾纤准直器的另一条尾纤与第二分束器的90％端相连。
所述的气室4的双尾纤准直器和单尾纤准直器均为C-lens型光纤准直器，且有效工作距离在30-100mm内，一般商用化的光纤准直器就能满足其工作距离，不需要特殊定制。
所述的分布反馈式激光器2为半导体激光器，其线宽在MHz量级，相比于扫描范围分布反馈式激光器的出射光可视为线状光谱线，另外还具有功率密度大、驱动方便等优势。
所述的分布反馈式激光器2由梯形波电流驱动，梯形波电流由单片机给出，单周期内梯形波电流的上升沿、上底、下降沿、下底所占的时间比例为1：2：1：2。
所述的第一和第二分束器3和5为熔融拉锥型分束器，这类分束器的制作工艺简单、成本较低、分光比稳定且分光比可选。
所述的光电探测器6和7为铟镓砷光电探测器。
Claims (5)
1.一种增强吸收型气体检测系统，包括分布反馈式激光器、第一分束器、气室、第二分束器、第一光电探测器、第二光电探测器及单片机，其特征在于第一分束器的分光比为30％和70％，第二分束器的分光比为10％和90％；单片机和分布反馈式激光器相连接，分布反馈式激光器经光纤和第一分束器的输入端相连接，第一分束器的30％端经光纤连接到第一光电探测器的输入端作为参考光，第一分束器的70％端连接到气室；气室的输出端连接到第二分束器的输入端，第二分束器的90％端回接到气室的输入端，第二分束器的10％端连接到第二光电探测器的输入端,第一、二光电探测器分别经单片机的A/D接口和单片机相连接；
所述的气室由一个双尾纤准直器、一个单尾纤准直器以及侧面带气体交换孔的金属套管组成，其中双纤准直器位于金属套管的前端并被金属套管所包裹以构成气室的输入端，单纤准直器位于金属套管的后端并由金属套管所包裹以构成气室的输出端，金属套管的中间部位侧面带气体交换孔；
所述的气室与第二分束器连接成循环结构，以实现激光的循环利用，其中双尾纤准直器的一条尾纤与第一分束器的70％端相连，双尾纤准直器的另一条尾纤与第二分束器的90％端相连。
2.如权利要求1所述的一种增强吸收型气体检测系统，其特征在于所述的气室的双尾纤准直器和单尾纤准直器均为C-lens型光纤准直器。
3.如权利要求1所述的一种增强吸收型气体检测系统，其特征在于所述的分束器为熔融拉锥型分束器。
4.如权利要求1所述的一种增强吸收型气体检测系统，其特征在于所述的光电探测器为铟镓砷光电探测器。
5.如权利要求1所述的一种增强吸收型气体检测系统，其特征在于所述的分布反馈式激光器由梯形波电流驱动，梯形波电流由单片机给出，单周期内梯形波电流的上升沿、上底、下降沿、下底所占的时间比例为1：2：1：2。
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