CN104390937B - 痕量氧化亚氮气体检测装置 - Google Patents

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本发明涉及低浓度气体检测技术领域，特别涉及一种痕量氧化亚氮气体检测装置，包括红外激光输出模块、N2O吸收气室以及信号处理模块，所述的红外激光输出模块输出的激光中心波长与N2O气体吸收峰位置相吻合，N2O吸收气室包括空心微结构光纤，空心微结构光纤的周壁沿径向开设有微孔，红外激光输出模块输出的激光通过单模光纤传输到空心微结构光纤的一端，经过空心微结构光纤内的N2O气体吸收后的激光从空心微结构光纤的另一端通过多模光纤输出至信号处理模块，信号处理模块根据激光损耗计算出N2O气体含量。从根本上解决了可调谐激光光谱吸收方法检测气体浓度时光程短问题；避免传输损耗，提高测量结果的精确度和可靠性。

Description

痕量氧化亚氮气体检测装置
技术领域
本发明涉及低浓度气体检测技术领域，特别涉及一种痕量氧化亚氮气体检测装置。
背景技术
氧化亚氮(N2O)是主要的温室气体之一，大气中约三分之一的N2O来源于人类活动，而农业排放的N2O约占人类活动排放N2O总量的52％。研究表明农业N2O排放是由氮肥(主要是硝酸盐肥料)在土壤中硝化-反硝化作用产生的，氮肥的不合理施用会直接导致农业N2O过量排放。因此，准确地监测农田环境中的N2O浓度，可以为农业合理施肥与制定环境保护政策提供基础科学数据与理论参考。
目前用于低浓度N2O气体检测主要是可调谐半导体激光吸收光谱技术，它利用半导体激光的线宽窄与便于调谐特性，通过检测气体分子的吸收线实现对气体的快速检测。根据光传输的路线不同可分为单光程吸收气室与多光程吸收气室，单光程气室通常由准直器、金属腔体、探测器构成，由于受到金属腔体的物理长度限制，气体的有效吸收距离很短，因此极大地限制了系统检测灵敏度。多光程气室主要依靠特殊的光路设计使得光线在气室内多次往复反射，以增加了气体的有效吸收距离。多光程气室相比于单光程气室虽然体积小，有效吸收距离长，但结构较复杂，制作与调试困难，稳定性差。另外，由于光在气室内多次反射，会造成较大的传输损耗。无法满足农田痕量N2O气体长期稳定监测的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供痕量氧化亚氮气体检测装置，高精度、高稳定性且选择性好。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种痕量氧化亚氮气体检测装置，包括红外激光输出模块、N2O吸收气室以及信号处理模块，所述的红外激光输出模块输出的激光中心波长与N2O气体吸收峰位置相吻合，N2O吸收气室包括空心微结构光纤，空心微结构光纤的周壁上沿径向开设有微孔，红外激光输出模块输出的激光通过单模光纤传输到空心微结构光纤的一端，经过空心微结构光纤内的N2O气体吸收后的激光从空心微结构光纤的另一端通过多模光纤输出至信号处理模块，信号处理模块根据激光损耗计算出N2O气体含量。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：1、针对农田N2O气体浓度低，可调谐激光光谱吸收方法检测气体浓度时气室过短的问题，提出以空芯微结构光纤作为吸收气室的思想，并从气体扩散速率、光纤耦合、连接损耗等方面证明光子晶体光纤作为吸收气室的可行性，从根本上解决了可调谐激光光谱吸收方法检测低浓度气体时光程过短问题；2、采用单模光纤——空心微结构光纤——多模光纤的传输模式，减少传输过程中损耗问题，提高测量结果的精确度；3、针对野外农田生产环境的复杂多变性，采用全光纤光路系统，确保光的传播路径与外界环境相对分离，监测结果不受农田环境中的气象条件变化与野外空气中粉尘等颗粒的干扰，增加检测的稳定性与可靠性。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是本发明N2O吸收气室和单模光纤、双模光纤结构示意图；
图3是调谐光纤滤波器的放大示意图；
图4是空心微结构光纤的放大示意图；
图5是红外激光输出模块工作流程图；
图6是本发明优选实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图6，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图1、图2，一种痕量氧化亚氮气体检测装置，包括红外激光输出模块10、N2O吸收气室20以及信号处理模块30，所述的红外激光输出模块10输出的激光中心波长与N2O气体吸收峰位置相吻合，N2O吸收气室20包括空心微结构光纤21，空心微结构光纤21的周壁上沿径向开设有微孔211，红外激光输出模块10输出的激光通过单模光纤40传输到空心微结构光纤21的一端，经过空心微结构光纤21内N2O气体吸收后的激光从空心微结构光纤21的另一端通过多模光纤50输出至信号处理模块30，信号处理模块30根据激光损耗计算出N2O气体含量。
在采用空心微结构光纤21作为N2O吸收气室时，气体的扩散速度是决定系统监测延迟时间的关键因素，本发明中，从光纤耦合结构设计与空芯微结构光纤径向打孔2个方面来提高气体的扩散速度与降低光损耗。
一方面，由于空心微结构光纤21的纤芯是空气，它的直径大小与普通光纤有很大差异，因此在与普通石英光纤通过光纤耦合器连接时，存在较大的连接损耗。为了降低连接损耗，同时为环境中N2O气体向空心微结构光纤21内部扩散提供物理通道，研究与设计合理的N2O吸收气室结构20非常必要。造成光纤连接损耗的主要因素有光纤对准时的横向偏移、两侧光纤的模场不匹配，考虑到空芯微结构光纤结构的特殊性，设计在空心微结构光纤21的输入端采用单模光纤40，由于单模光纤40的芯径较小，激光在通过光纤耦合器由单模光纤40向空心微结构光纤21传输过程中损耗较小。在空心微结构光纤21的输出端采用多模光纤50，由于多模光纤50芯径很大，激光在通过光纤耦合器由HC-PCF向多模光纤传输过程中的损耗也很小。
另一方面，随着现代精细加工业的发展，在光纤上制作微小结构已经成为可能。飞秒光纤激光器是近年发展起来的用于超精细传感器结构加工的器件，它主要由光纤激光器构成，具有飞秒(10-15秒)区持续时间的脉冲。飞秒激光器的脉宽极窄，瞬间功率极高，既使平均输出功率为1W，峰值功率也能达到千瓦级至兆瓦级以上。飞秒激光器现已应用于以往纳秒脉冲激光器或连续波激光器无法应用的各种领域飞秒激光器可利用聚焦点上的光束强度分布，通过对超过加工阈值的中心部分进行调整成功地打出了比聚焦直径更小的微孔。本发明中就采用飞秒激光器沿光纤径向加工直径为1微米的小孔，为N2O气体向空心光子晶体光纤扩散提供通道，同时由于孔的尺寸相对于空芯微结构光纤芯径较小(1μm/20μm)，如图4所示，所以在最大程度上减小激光的损耗。
当本发明设计完成之后，红外激光输出模块10输出的激光强度是很稳定的，经过N2O吸收气室20吸收后的激光有所损耗，信号处理模块30先将经过气体吸收后的激光转换成电信号，然后计算出激光损耗，再换算成N2O的气体浓度。野外农田当中监测环境复杂，通常存在高温差、高湿度、强辐射以及其他等不确定因素的干扰，针对农田环境及痕量N2O气体信号的特点(信号弱、干扰强、信噪比低、信号幅值范围分散)，以小型嵌入式电路系统为平台，研究强杂波背景下的微弱信号锁相放大技术、程控放大技术，解决超低信噪比分散信号的去噪与放大问题。锁相放大技术是以相关检测技术为基础，利用互相关的原理设计的一种同步相干检测电路。锁相放大电路的组成分为三部分：信号通道、参考通道和相关器(相敏检波器)，其核心部分是相敏检波器(PSD)，它通过对目标信号频率的精确锁定，在复杂背景下提取微弱有用信号。针对信号的分散不均匀性，研究选择性放大技术，设计程控放大电路，解决信号的自动增益调谐问题，提高采集数据的可靠性和准确性，扩展传感器装置的动态测量范围。通过以上核心技术问题的突破，实现强杂波背景下农田痕量N2O气体微弱光电信号的提取。由于本案的重点在于N2O吸收气室20，对于信号处理模块30的电路部分这里就不再做详细赘述。
参阅图2、图3，更优选地，所述的空心微结构光纤21和单模光纤40通过空心光纤耦合器60相连，空心光纤耦合器60由两个分别固定设置在空心微结构光纤21、单模光纤40端部的接头61以及固定连接两个接头61的套管62构成，考虑到光纤耦合器的物理稳定性同时为N2O提供扩散通道，套管62上开设有气孔621供N2O气体通过；所述的空心微结构光纤21和多模光纤50也通过空心光纤耦合器60相连，其连接方式与单模光纤40和空心微结构光纤21的连接方式一样。空心光纤耦合器60实现单模光纤40、空心微结构光纤21以及多模光纤50的无损连接，避免激光传输过程中的损耗；同时，带有气孔621的套管62还能允许N2O气体通过，增加激光的吸收效率。为了在不增大N2O吸收气室体积的情况下进一步增大N2O气体的吸收效率，所述的空心微结构光纤21的中间段呈螺纹状设置。
参阅图6，进一步地，所述的红外激光输出模块10输出两路窄带激光，两路窄带激光的波长分别是1.28微米、1.98微米；N2O吸收气室20中设置有两个空心微结构光纤21，分别接收红外激光输出模块10输出的波长为1.28微米、1.98微米的窄带激光；信号处理模块30包括差分放大电路31，所述的差分放大电路31对两个空心微结构光纤21输出的激光进行差分放大处理。
选择1.28μm与1.98μm两个波长作为气体的待测吸收峰，当光源等光路系统由于外界干扰发生功率波动的时候，反射光栅16和参比光栅17中反射的光与检测光波动步调一致，经过差分处理后即可消除波动带来的监测结果误差。此外农田中存在的其他杂质气体(如水蒸气、C2O、O2等)可能存在与N2O吸收峰相近或重叠的情况，双波长的选择从原理上消除光源噪声、暗电流、其他杂质气体给监测结果带来的干扰。
具体地，所述的红外激光输出模块10包括半导体激光器11、波分复用器12、掺铒光纤13、环形器14、3dB耦合器15、反射光栅16、参比光栅17、耦合器18以及光隔离器19，半导体激光器11输出的激光依次经过波分复用器12、掺铒光纤13、环形器14以及3dB耦合器15后进入反射光栅16和参比光栅17；反射光栅16和参比光栅17分别反射1.98微米、1.28微米波长的激光且反射的激光依次通过3dB耦合器15、环形器14后传输到耦合比为80:10:10的耦合器18并分为三路输出，其中80％的一路经过光隔离器19后输出至波分复用器12，10％的两路经过调谐光纤滤波器70后分别输出1.98微米、1.28微米波长的激光至两个空心微结构光纤21中，需要注意的是，两个调谐光纤滤波器70分别滤除1.98微米、1.28微米的波长，这样，从两个调谐光纤滤波器70输出的就是波长分别为1.28微米、1.98微米的窄带激光。所述的掺铒光纤13掺杂浓度为5.4×1024/m3、长度为8～12m；考虑到反射光栅16和参比光栅17对温度的敏感性，所述的反射光栅16、参比光栅17均位于恒温槽80中，恒温槽80中的温度保持45℃。
激光的产生是一个循环放大的过程，在泵浦的不断抽运下，满足了粒子数反转分布要求后，发生自发辐射并得到放大，不同模式的光在谐振腔里相互竞争，满足了激光器谐振条件的模式将不断放大并最终压制其他的模式，在谐振腔内振荡，多次通过处于激活状态的增益介质，诱发激活的增益介质发生受激辐射，从而使光不断得到放大，光通过耦合器，一部分光输出，而另一部分光继续在环内传播，一定时间以后，激光器达到稳定状态，输出功率与波长稳定的激光束。整个工作流程如图5所示。
更优选地，所述的空心微结构光纤21的纤芯直径为20微米，石英包层115微米，涂覆层220微米，空心微结构光纤21上的微孔211通过飞秒光纤激光器加工而成，微孔211的孔径为1微米。所述的套管62为金属套管，套管62上的气孔621通过强脉冲激光束加工而成，气孔621的孔径为50微米。这些尺寸的设置仅用于提供参考，实际需要根据套管62的管径、空心微结构光纤21的直径在来进行选择，以满足实际使用需求为佳。

Claims (4)

1.一种痕量氧化亚氮气体检测装置，其特征在于：包括红外激光输出模块(10)、N2O吸收气室(20)以及信号处理模块(30)，所述的红外激光输出模块(10)输出的激光中心波长与N2O气体吸收峰位置相吻合，N2O吸收气室(20)包括空心微结构光纤(21)，空心微结构光纤(21)的周壁上沿径向开设有微孔(211)，红外激光输出模块(10)输出的激光通过单模光纤(40)传输到空心微结构光纤(21)的一端，经过空心微结构光纤(21)内N2O气体吸收后的激光从空心微结构光纤(21)的另一端通过多模光纤(50)输出至信号处理模块(30)，信号处理模块(30)根据激光损耗计算出N2O气体含量；
所述的空心微结构光纤(21)和单模光纤(40)通过空心光纤耦合器(60)相连，空心光纤耦合器(60)由两个分别固定设置在空心微结构光纤(21)、单模光纤(40)端部的接头(61)以及固定连接两个接头(61)的套管(62)构成，套管(62)上开设有气孔(621)供N2O气体扩散的通道；所述空心微结构光纤(21)和多模光纤(50)也通过空心光纤耦合器(60)相连；所述的空心微结构光纤(21)的中间段呈螺纹状缠绕；
所述的红外激光输出模块(10)输出两路窄带激光，两路窄带激光的波长分别是1.28微米、1.98微米；N2O吸收气室(20)中设置有两个空心微结构光纤(21)，分别接收红外激光输出模块(10)输出的波长为1.28微米、1.98微米的窄带激光；信号处理模块(30)包括差分放大电路(31)，所述的差分放大电路(31)对两个空心微结构光纤(21)输出的激光进行差分放大处理；
所述的红外激光输出模块(10)包括半导体激光器(11)、波分复用器(12)、掺铒光纤(13)、环形器(14)、3dB耦合器(15)、反射光栅(16)、参比光栅(17)、耦合器(18)以及光隔离器(19)，半导体激光器(11)输出的激光依次经过波分复用器(12)、掺铒光纤(13)、环形器(14)以及3dB耦合器(15)后进入反射光栅(16)和参比光栅(17)；反射光栅(16)和参比光栅(17)分别反射1.98微米、1.28微米波长的激光且反射的激光依次通过3dB耦合器(15)、环形器(14)后传输到耦合比为80:10:10的耦合器(18)并分为三路输出，其中80％的一路经过光隔离器(19)后输出至波分复用器(12)，10％的两路经过调谐光纤滤波器(70)后分别输出1.98微米、1.28微米波长的激光至两个空心微结构光纤(21)中。
2.如权利要求1所述的痕量氧化亚氮气体检测装置，其特征在于：所述的掺铒光纤(13)掺杂浓度为5.4×1024/m3、长度为8～12m；所述的反射光栅(16)、参比光栅(17)均位于恒温槽(80)中，恒温槽(80)中的温度保持45℃。
3.如权利要求1或2所述的痕量氧化亚氮气体检测装置，其特征在于：所述的空心微结构光纤(21)的纤芯直径为20微米，石英包层115微米，涂覆层220微米，空心微结构光纤(21)上的微孔(211)通过飞秒光纤激光器加工而成，微孔(211)的孔径为1微米。
4.如权利要求1或2所述的痕量氧化亚氮气体检测装置，其特征在于：所述的套管(62)为金属套管，套管(62)上的气孔(621)通过强脉冲激光束加工而成，气孔(621)的孔径为50微米。
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