CN104359857B - 一种可分时复用的tdlas气体监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种可分时复用的TDLAS气体监测装置，包括DFB激光器，DFB激光器输出的光信号到电光调制器，电光调制器通过光环行器与气室组连接，从气室组反馈的脉冲光信号通过光环行器输入到光电探测器，光电探测器分别与脉冲探测器和锁相放大器连接，脉冲探测器和锁相放大器的输出均与数字信号处理器连接，锁相放大器与信号发生器连接。本发明采用了时分复用技术，气体传感器的位置和该处的气体吸收情况之间完全关联，排除了传感器以外位置的光纤链路损耗对传感器信号的干扰。所有监测点之间可以使用单芯光纤首尾相接串联运行，大大提高了单芯光纤支持的监测点容量。位置识别更加直接可靠。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种可分时复用的TDLAS气体监测装置，适用于各种冶金,矿山,井下,隧道有毒有害气体监测,工业气体过程分析,以及大气环境质量分析等众多和测量领域。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱 （TDLAS） 分析方法， 是常用的气体分析方法， 主要是利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性， 通过选择待测气体的某条特定的吸收光谱线进行测量， 可排除其他气体的光谱的干扰，实现待测气体浓度的快速在线检测。
在某些TDLAS 激光气体监测应用中，由于防雷、防爆或者存在强电磁干扰等原因，气体监测点和监控室之间必须通过光缆连接以传输信号，由于光纤资源有限，而气体监测点数量大，现有的TDLAS监测系统，每个监测点需要通过至少2芯光纤实现收发，而由于所有监测点的被测气体的吸收波长完全相同，无法通过波分复用系统来提高单芯光纤的监测点容量，导致整个监测系统的监测点数量受到光缆纤芯数目的限制。例如在煤矿瓦斯监测应用中，矿井里面铺设电缆在距离上，防爆安全上都远远不如光纤传输，矿井内的光缆资源极其有限，井内的监测点数量很大，限制了这种基于TDLAS原理的气体监测仪在矿井内的使用。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种可分时复用的TDLAS气体监测装置，通过TDLAS监测原理结合光纤时分复用技术，通过单芯光纤，将不同的TDLAS监测点首尾串行连接，可以将单芯光纤的监测点容量提高至10个，使得整个监测系统在相同光缆资源条件下提高至10倍的监测点数量容量。可以在测量点数量很大而光缆资源有限的情况下，提高单芯光缆的传感器数量容量，使得光缆资源可以满足传感器系统测量点数量要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种可分时复用的TDLAS气体监测装置，包括DFB激光器，还包括分别与DFB激光器连接的电流波形发生器和温度控制器，DFB激光器输出光信号到电光调制器，电光调制器根据脉冲发生器发出的脉冲信号对DFB激光器输出的光信号进行脉冲调制得到脉冲光信号并将脉冲光信号通过光环行器输入到气室组，从气室组反馈的脉冲光信号通过光环行器输入到光电探测器，光电探测器将检测到的光信号一路输入到脉冲探测器，另一路输入到锁相放大器，锁相放大器通过电流波形发生器发出的同步参考信号和光电探测器检测到的光信号获得反映气室内气体浓度的模拟信号并将模拟信号输出到数字信号处理器，脉冲探测器将接收到光信号的时间信息传输给数字信号处理器，数字信号处理器根据脉冲发生器发出脉冲信号的时间和脉冲探测器接收到光信号的时间信息确定各个气室的位置信息，进而确定接收的气体浓度的模拟信号对应的气室。
如上所述的气室组包括若干个首尾相连的气室，气室包括设置有气孔的气室外壳，气室外壳内设置有石英玻璃底板，石英玻璃底板上依次设置有首端自聚焦准直透镜、部分反射镜和尾端自聚焦准直透镜，首端自聚焦准直透镜通过光纤与前一级的气室的尾端自聚焦准直透镜连接，尾端自聚焦准直透镜通过光纤与后一级的气室的首端自聚焦准直透镜连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）由于采用了时分复用技术，使得气体传感器的位置和该处的气体吸收情况之间完全关联，排除了传感器以外位置的光纤链路损耗对传感器信号的干扰。
（2）使得所有监测点之间可以使用单芯光纤首尾相接串联运行，大大提高了单芯光纤支持的监测点容量。
（3）由于时分复用技术可以直接对传感器的距离进行测定，使得传感器的位置识别更加直接可靠。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明的具体电路组成。
图中：1-电流波形发生器；2-DFB激光器；3-温度控制器；4-脉冲发生器；5-电光调制器；6-单模光纤；7-气室；8-光电探测器；9-脉冲探测器；10-锁相放大器；11-数字信号处理器；12-首端自聚焦准直透镜；13-石英玻璃底板；14-气室外壳；15-部分反射镜；16-光环行器；17-气孔；18-尾端自聚焦准直透镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
一种可分时复用的TDLAS气体监测装置包括：电流波形发生器1发出由三角波、正弦波信号叠加形成的电流信号，该电流信号用于驱动DFB激光器2，电流波形发生器1同时输出相位同步参考信号；温度控制器3通过调节DFB激光器2的工作温度，使DFB激光器2的工作波长位于气体吸收线位置；使用脉冲发生器4发出时间宽度为10nS的脉冲电压信号用于驱动电光调制器5，电光调制器5对DFB激光器2输出的光信号进行脉冲调制，该脉冲光通过光纤依次传输到并经过各气体监测点的气室7，并且该脉冲光又通过光环行器16返回到光电探测器8转化为对应的电流信号。该电流信号分为两路，其中一路由脉冲探测器9对脉冲到达时间进行识别，由于每个气室的在沿光纤行进的长度方向有唯一确定的位置，光在光纤内沿着已知固定的速度传播，因此从每个气室反射回来的脉冲时间也是唯一且固定的，因此可以通过检测不同脉冲到达探测器的时间来判断每个脉冲信号对应的气室位置信息，另一路电流信号连同由波形发生器电流波形发生器1输出的相位同步信号输入到锁相放大器10，从锁相放大器10输出气体吸收的谐波信号，由数字信号处理器（DSP）11进行采集得到对应气室内气体的浓度信息。
脉冲发生器4 和 脉冲探测器9 是同步工作的，脉冲发生器在时间t1发出脉冲光，从激光器到某气室之间的距离为S，那么从脉冲发生器产生脉冲直到该脉冲返回接收器经历的路程为2S，光在光纤内的速度为固定值v，因此对应各气室的返回光脉冲接收时间和脉冲发生时间T也是固定的，T = 2S/v。因此脉冲接收器和脉冲发生器之间同步时差，反映出气室的位置信息。
锁相放大器10是一种通过参考信号的频率和相位对目标信号进行识别的装置，有两路输入信号和一路输出信号。输入信号包括光电探测器18输出的光信号和电流波形发生器1产生的同步参考信号，输出信号为模拟信号，信号的幅度大小反映出气体浓度的变化。
所述的数字信号处理器（DSP）11，是一种信号采集和数据输出的芯片，包括两个功能：一是采集锁相放大器10输出的信号幅度，转换为数字量输出；二是采集脉冲探测器9和脉冲发生器4之间的时差信号，转换为对应气室的位置信息并进行数字输出。
气室7是一种使光线沿既定路线穿过测气体，导致部分光谱被气体吸收的装置。一部分光线通过部分反射镜沿原路返回，另一部分穿过气室从输出端射出，这种装置可以通过首尾相接的方式串联工作。它的工作方式如下：入射光通过单模光纤耦合进入首端自聚焦准直透镜12成为沿空间直线传播的光线，被测气体由固定在气室外壳14上的气孔17进入气室，光线穿过被测气体之后，由部分反射镜15将一部分光信号沿光纤返回，其余光信号耦合进入尾端自聚焦准直透镜18通过单模光纤耦合输出。
电光调制器5是一种将所需电信号加载到被调制光信号上的装置，使得输出光线携带输入电信号的完整信息。电流调制信号和脉冲调制信号都可以通过电光调制器5完整的加载到激光器的输出光信号中。电光调制器5是一种光通信用的通用产品，例如： JDSU电光调制器驱动模块H301-1210。
光环行器16是环形器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行,反方向是隔离的。在微波多路通信系统中，用环形器可以把不同频率的信号分隔开。这是一种光通信用的通用产品，例如：光迅科技的光环行器模块CIR-3-1550-A-1-00-APC。
本发明显著提高了基于光纤传输的无源TDLAS系统测量点数容量，并且可以区分每一个报警点所在的位置，为光纤传感气体监测系统的大面积应用提供了解决方案，提高了光纤气体传感系统的实用性，为在有毒有害气体环境工作人员的生命财产安全提供了保障。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明进行作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种可分时复用的TDLAS气体监测装置，包括DFB激光器(2)，其特征在于，还包括分别与DFB激光器(2)连接的电流波形发生器(1)和温度控制器(3)，DFB激光器(2)输出光信号到电光调制器(5)，电光调制器(5)根据脉冲发生器(4)发出的脉冲信号对DFB激光器(2)输出的光信号进行脉冲调制得到脉冲光信号并将脉冲光信号通过光环行器(16)输入到气室组，从气室组反馈的脉冲光信号通过光环行器(16)输入到光电探测器(8)，光电探测器(8)将检测到的光信号一路输入到脉冲探测器(9)，另一路输入到锁相放大器(10)，锁相放大器(10)通过电流波形发生器(1)发出的同步参考信号和光电探测器(8)检测到的光信号获得反映气室内气体浓度的模拟信号并将模拟信号输出到数字信号处理器(11)，脉冲探测器(9)将接收到光信号的时间信息传输给数字信号处理器(11)，数字信号处理器(11)根据脉冲发生器(4)发出脉冲信号的时间和脉冲探测器(9)接收到光信号的时间信息确定各个气室的位置信息，进而确定接收的气体浓度的模拟信号对应的气室；
气室组包括若干个首尾相连的气室(7)，气室(7)包括设置有气孔的气室外壳(14)，气室外壳(14)内设置有石英玻璃底板(13)，石英玻璃底板(13)上依次设置有首端自聚焦准直透镜(12)、部分反射镜(15)和尾端自聚焦准直透镜(18)，首端自聚焦准直透镜(12)通过光纤与前一级的气室(7)的尾端自聚焦准直透镜(18)连接，尾端自聚焦准直透镜(18)通过光纤与后一级的气室(7)的首端自聚焦准直透镜(12)连接。
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