CN104713843A - 基于光纤f-p可调谐滤波器的气体传感系统和传感方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统和方法，SLED光源发出的光信号通过光隔离器进入光纤F-P可调谐滤波器，再经过1:9的光纤耦合器分成参考光和探测光，参考光经过可调光纤衰减器，探测光经过空芯光子晶体光纤，然后平衡放大光电探测器将微弱的光信号转换为电信号并进行放大，最后将数据采集卡采集到的电信号送到计算机内进行数据处理。本发明方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间的对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和各个吸收峰的强度就能够得到该气体的种类和浓度信息。本发明系统结构简单，采集速度快，信噪比高，稳定性好，能够准确的探测多种气体的种类和浓度。

Description

基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统和传感方法

技术领域

本发明属于气体种类识别和浓度测量的技术领域，尤其是涉及一种运用光谱技术和新型算法能够实现气体种类识别和浓度测量的基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统和传感方法。

背景技术

高品质的空气环境对人体的健康非常重要。但在一些密闭的空间内部，诸如潜艇、太空舱、地下实验室等，因为很难与外界做到良好的通风，再加上其内部的各种防腐材料和机电装置可能会缓慢释放有害气体，破坏空气环境，从而对人体的健康构成威胁。有害气体种类繁多，常见的主要包括甲醛、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等。在正常自然环境下，这些气体的浓度一般都很低，人体自身无法察觉到，但处于某特定环境下的长期吸入会对人体健康造成伤害。如何对这些有害气体的种类和浓度进行实时检测近年来逐渐成为科学和工程领域的一个热门课题。

专利201110168649.0通过标准具标定光纤F-P可调谐滤波器的透射波长与驱动电压之间的关系，再对波长进行解调，得到被探测气体的吸收光谱，这种方法增加了系统的复杂程度。另外光纤F-P可调谐滤波器的透射波长与驱动电压并不是严格的线性关系，会存在一定的误差；光纤F-P可调谐滤波器会随着温度的升高而使其透射波长的漂移现象更加严重，同样会增加测量结果的误差。采用怀特气室或者透镜气室需要十分精确的平行光，对系统的准直度要求极高，且光功率损耗较大，所占用的体积也相对较大。专利200910071001.4采用光纤有源内腔作为光源,由于光纤有源内腔的特点,只能检测1550nm附近的几种气体,因此能测量的气体种类相对较少。另外,专利200910071001.4只提到对气体种类的识别，而不能测量气体的浓度。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种新型探测气体种类和浓度的系统和探测方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，该系统包括SLED光源、光隔离器、光纤F-P可调谐滤波器、1:9光纤耦合器、可调光纤衰减器、空芯光子晶体光纤、小型抽气泵、平衡放大光电探测器、数据采集卡和计算机；其中所述SLED光源，用于发出连续的近红外光，提供系统所需的光信号；所述光隔离器连接在SLED光源与光纤F-P可调谐滤波器之间，用于隔离反射光以保护光源；所述光纤F-P可调谐滤波器的输出端连接1:9光纤耦合器的输入端，光纤F-P可调谐滤波器的驱动电压输入端连接数据采集卡的信号输出端，用于对SLED光源发出的光信号进行光谱扫描，获得光源光谱的强度信息；所述1:9光纤耦合器的输入端连接光纤F-P可调谐滤波器的输出端，将光信号分成参考光和探测光，较弱的一路作为参考光与可调光纤衰减器的输入端连接，较强的一路作为探测光与空芯光子晶体光纤的输入端连接；所述可调光纤衰减器的输出端连接平衡放大光电探测器的端口一，用于调节参考光的功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；所述空芯光子晶体光纤的输出端连接平衡放大光电探测器的端口二，用于承载被探测的气体；所述小型抽气泵的抽气口连接空芯光子晶体光纤的出气口，用于从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤；所述平衡放大光电探测器的输出端连接数据采集卡的采集输入端，将参考光与探测光相减，滤除噪声和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转换为电信号并进行放大；所述数据采集卡，用于驱动光纤F-P可调谐滤波器的压电陶瓷管移动，来控制光纤F-P可调谐滤波器输出的光波长，同时采集平衡放大光电探测器输出的电信号并送入计算机内进行数据处理。

进一步的，以上所述光纤F-P可调谐滤波器，自由光谱范围为1280nm-1620nm，能够快速扫描获得光源光谱的强度信息。

进一步的，以上所述光源光谱的强度信息是指光源光谱的强度大小和相对位置，不包括强度大小所对应的波长信息。

进一步的，以上所述空芯光子晶体光纤用于承载被探测气体，空芯光子晶体光纤的出气口和进气口分别处在两个密闭的小气室中，每个小气室都有一个气孔，小型抽气泵从出气口一侧的一个气孔抽气，被探测气体从进气口一侧的另一个气孔进入小气室，最终进入空芯光子晶体光纤中。

本发明还提出一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感方法，该方法包括以下步骤：

第一步、SLED光源发出的光经过光隔离器进入光纤F-P可调谐滤波器，在驱动电压的控制下，输出连续的光谱强度信息；

第二步、光纤F-P可调谐滤波器输出的连续光经过1:9光纤耦合器，将信号光分成参考光和探测光，参考光进入可调光纤衰减器中，探测光进入空芯光子晶体光纤中；

第三步、小型抽气泵从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤中；

第四步、探测光进入空芯光子晶体光纤与被探测气体相互作用；可调光纤衰减器调节参考光功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；

第五步、平衡放大光电探测器将探测光与参考光相减，滤除噪声和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转化为电信号并进行放大；

第六步、数据采集卡采集平衡放大光电探测器输出的电压信号并送到计算机内进行数据处理，判断被探测气体的种类和浓度。

所述的数据处理具体过程是：为每个吸收峰编号，并记录每个吸收峰的位置和吸收强度；画出吸收峰编号与吸收峰的位置关系曲线，并进行曲线拟合，得到该曲线的斜率，然后经过公式计算，归一化到单位驱动周期和单位采样率下的曲线斜率；归一化后的曲线斜率表示该气体相邻吸收峰之间的平均间距，将该气体的归一化曲线斜率与之前已标定好的气体归一化曲线斜率作对比，就能得到该气体的种类；把某个吸收峰的强度与之前标定好的相应吸收峰强度作对比，就能得到该气体的浓度。

所述归一化计算公式为

$L=\frac{K}{T\×\mathrm{fs}}---\left(1\right)$

式中，L为相邻吸收峰之间的平均间距，K为吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜率，T为光纤F-P可调谐滤波器的驱动周期，fs为数据采集卡的采样率。

所述气体传感方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间的对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和某个吸收峰的强度就能够得到该气体的种类和浓度信息。

本发明的优点和有益效果：

(1)采用平衡放大的探测方法，减小了噪声和背景光的影响，提高了信噪比。

(2)采用空芯光子晶体光纤承载被探测气体，不仅实现了全光纤传感，减小了光功率的损耗，而且大大缩小了系统的体积，能够使系统微型化，便于携带。

(3)所述气体传感方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间的对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和各个吸收峰的强度就可以得到该气体的种类和浓度信息，方法新颖，易于实现。

本发明实用性强，可广泛应用于需要气体探测的各个场合，尤其是需要实时探测有害气体种类和浓度的工业领域和航空航天领域，市场前景好，具有良好的技术转化基础；本发明专利是我们自主知识产权，具有很好的社会效益。

附图说明

图1为一氧化碳吸收峰强度与相对位置的关系曲线。

图2为一氧化碳吸收峰序号与相对位置的关系曲线。

图3为一氧化碳气体压强与吸收峰强度的关系曲线。

图4为甲烷吸收峰强度与相对位置的关系曲线。

图5为甲烷吸收峰序号与相对位置的关系曲线。

图6为甲烷气体压强与吸收峰强度的关系曲线。

图7为基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统架构示意图。

附图标记：1、SLED光源；2、光隔离器；3、光纤F-P可调谐滤波器；4、1:9光纤耦合器；5、可调光纤衰减器；6、空芯光子晶体光纤；7、小型抽气泵；8、端口一；9、端口二；10、平衡放大光电探测器；11、数据采集卡；12、计算机。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式

实施例1、基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统

如图所示，该系统包括SLED光源-1、光隔离器-2、光纤F-P可调谐滤波器-3、1:9光纤耦合器-4、可调光纤衰减器-5、空芯光子晶体光纤-6、小型抽气泵-7、平衡放大光电探测器-10、数据采集卡-11和计算机-12；其中所述SLED光源-1，用于发出连续的近红外光，提供系统所需的光信号；所述光隔离器-2连接在SLED光源-1与光纤F-P可调谐滤波器-3之间，用于隔离反射光以保护光源；所述光纤F-P可调谐滤波器-3的输出端连接1:9光纤耦合器-4的输入端，光纤F-P可调谐滤波器-3的驱动电压输入端连接数据采集卡-11的信号输出端，用于对SLED光源-1发出的光信号进行光谱扫描，获得光源光谱的强度信息；所述1:9光纤耦合器-4的输入端连接光纤F-P可调谐滤波器-3的输出端，将光信号分成参考光和探测光，较弱的一路作为参考光与可调光纤衰减器-5的输入端连接，较强的一路作为探测光与空芯光子晶体光纤-6的输入端连接；所述可调光纤衰减器-5的输出端连接平衡放大光电探测器-10的端口一-8，用于调节参考光的功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；所述空芯光子晶体光纤-6的输出端连接平衡放大光电探测器-10的端口二-9，用于承载被探测的气体；所述小型抽气泵-7的抽气口连接空芯光子晶体光纤-6的出气口，用于从空芯光子晶体光纤-6的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤-6的进气口进入空芯光子晶体光纤-6；所述平衡放大光电探测器-10的输出端连接数据采集卡-11的采集输入端，将参考光与探测光相减，滤除噪声和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转换为电信号并进行放大；所述数据采集卡-11，用于驱动光纤F-P可调谐滤波器-3的压电陶瓷管移动，来控制光纤F-P可调谐滤波器-3输出的光波长，同时采集平衡放大光电探测-10器输出的电信号并送入计算机-12内进行数据处理。

实施例2、基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感方法

该方法包括以下步骤：

第一步、SLED光源-1发出的光经过光隔离器-2进入光纤F-P可调谐滤波器-3，在驱动电压的控制下，输出连续的光谱强度信息；

第二步、光纤F-P可调谐滤波器-3输出的连续光经过1:9光纤耦合器-4，将信号光分成参考光和探测光，参考光进入可调光纤衰减器-5，探测光进入空芯光子晶体光纤-6；

第三步、小型抽气泵-7从空芯光子晶体光纤-6的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤-6的进气口进入空芯光子晶体光纤-6；

第四步、探测光进入空芯光子晶体光纤-6与被探测气体相互作用；可调光纤衰减器-5调节参考光功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；

第五步、平衡放大光电探测器-10将探测光与参考光相减，滤除噪声和背景光，将携带气体信息的微弱光信号转化为电信号并进行放大；

第六步、数据采集卡-11采集平衡放大光电探测器-10输出的电压信号并送到计算机-12内进行数据处理，判断被探测气体的种类和浓度。

所述的数据处理具体过程是：为每个吸收峰编号，并记录每个吸收峰的位置和吸收强度；画出吸收峰编号与吸收峰的位置关系曲线，并进行曲线拟合，得到该曲线的斜率，然后经过公式计算，归一化到单位驱动周期和单位采样率下的曲线斜率；归一化后的曲线斜率表示该气体相邻吸收峰之间的平均间距，将该气体的归一化曲线斜率与之前已标定好的气体归一化曲线斜率作对比，就能得到该气体的种类；把某个吸收峰的强度与之前标定好的相应吸收峰强度作对比，就能得到该气体的浓度。

所述归一化计算公式为

$L=\frac{K}{T\×\mathrm{fs}}---\left(1\right)$

式中，L为相邻吸收峰之间的平均间距，K为吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜率，T为光纤F-P可调谐滤波器-10的驱动周期，fs为数据采集卡-11的采样率。

为了验证了本发明系统和方法的正确性和可行性，我们分别测量了甲烷气体在压强为10Kpa、20Kpa、30Kpa、40Kpa、50Kpa、60Kpa下和一氧化碳气体在压强为15Kpa、25Kpa、35Kpa、45Kpa、55Kpa、65Kpa下的气体吸收峰强度信息，并进行了数据处理，得到了吸收峰序号和相对位置的关系曲线，还得到了气体压强和吸收峰强度的关系曲线。

1.一氧化碳

(1)在压强为55Kpa的情况下，一氧化碳气体吸收峰强度信息如图1所示。

由图1可知，光纤F-P可调谐滤波器的驱动周期为100s，数据采集卡的采样率为46sample/s,蓝色箭头所对应的数字是为每个吸收峰标定的序号，共18个吸收峰。

(2)在压强为55Kpa的情况下，吸收峰序号与相对位置的关系曲线如图2所示。

由图2可知，CO吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜率为16.3，代入公式(1)可得，相邻吸收峰之间的平均间距为0.003，由于不同的气体相邻吸收峰之间的平均间距不同，因此，根据相邻吸收峰之间的平均间距就能识别气体的种类。

(3)对于编号为10的吸收峰，气体压强与吸收峰强度的关系曲线如图3所示。

由图3可知，CO气体吸收峰的强度与气体压强近似成正比关系，而气体的压强与气体的浓度也近似成正比关系，因此可以根据CO吸收峰的强度得到气体的浓度。

2.甲烷

(1)在压强为30Kpa的情况下，气体吸收峰强度信息如图4所示。

由图4可知，光纤F-P可调谐滤波器的驱动周期为5s，数据采集卡的采样率为5859sample/s,蓝色箭头所对应的数字是为每个吸收峰标定的序号，共13个吸收峰。

(2)在压强为30Kpa的情况下，吸收峰序号与相对位置的关系曲线如图5所示。

由图5可知，甲烷吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜率为642，代入公式(1)可得，相邻吸收峰之间的平均间距为0.022，由于不同的气体相邻吸收峰之间的平均间距不同，因此，根据相邻吸收峰之间的平均间距就能识别气体的种类。

(3)对于编号为6的吸收峰，气体压强与吸收峰强度的关系曲线如图6所示。

由图6可知，甲烷气体吸收峰的强度与气体压强近似成正比关系，而气体的压强与气体的浓度也近似成正比关系，因此可以根据甲烷吸收峰的强度得到气体的浓度。

本发明相关的说明：

1.本发明中公开的所有特征、方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以任何方式组合。

2.本发明中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。也就是说，除非特别说明，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子。

3.本发明中，SLED光源-1可以选择几个波长范围不同的SLED光源接到光纤耦合器上一起输出，增加光谱的范围，还可以在光纤隔离器-2后面加一个光纤放大器，对光源输出的光信号进行放大，提高光功率。

4.本发明中，光纤F-P可调谐滤波器-3的波长范围是1280nm-1620nm，为了同时探测更多种类的气体，可以采用波长范围更宽的光纤F-P可调谐滤波器-3。

5.本发明中，光纤F-P可调谐滤波器-3是在三角波电压信号的驱动下，通过连续改变F-P腔的腔长，输出连续变化的透射波长，得到光源的光谱强度信息，也可以采用正弦波电压信号驱动光纤F-P可调谐滤波器-3。

6.本发明中，数据采集卡-11既采集电压信号，同时输出模拟电压信号，用于驱动光纤F-P可调谐滤波器-3；也可以用信号发生器输出电压信号驱动光纤F-P可调谐滤波器-3。

7.本发明中，平衡放大光电探测器-10还可以用两个普通的光电探测器和两个电压放大器来代替，采用差分放大探测的方法：一路将参考光转化为电信号并进行放大，另一路将探测光转化为电信号并进行放大，最后由数据采集卡-11采集两路电信号并输入计算机内做差分处理。

Claims (8)

1.一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，其特征在于该系统包括SLED光源、光隔离器、光纤F-P可调谐滤波器、1:9光纤耦合器、可调光纤衰减器、空芯光子晶体光纤、小型抽气泵、平衡放大光电探测器、数据采集卡和计算机；其中所述SLED光源，用于发出连续的近红外光，提供系统所需的光信号；所述光隔离器连接在SLED光源与光纤F-P可调谐滤波器之间，用于隔离反射光以保护光源；所述光纤F-P可调谐滤波器的输出端连接1:9光纤耦合器的输入端，光纤F-P可调谐滤波器的驱动电压输入端连接数据采集卡的信号输出端，用于对SLED光源发出的光信号进行光谱扫描，获得光源光谱的强度信息；所述1:9光纤耦合器的输入端连接光纤F-P可调谐滤波器的输出端，将光信号分成参考光和探测光，较弱的一路作为参考光与可调光纤衰减器的输入端连接，较强的一路作为探测光与空芯光子晶体光纤的输入端连接；所述可调光纤衰减器的输出端连接平衡放大光电探测器的端口一，用于调节参考光的功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；所述空芯光子晶体光纤的输出端连接平衡放大光电探测器的端口二，用于承载被探测的气体；所述小型抽气泵的抽气口连接空芯光子晶体光纤的出气口，用于从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤；所述平衡放大光电探测器的输出端连接数据采集卡的采集输入端，将参考光与探测光相减，滤除噪声和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转换为电信号并进行放大；所述数据采集卡，用于驱动光纤F-P可调谐滤波器的压电陶瓷管移动，来控制光纤F-P可调谐滤波器输出的光波长，同时采集平衡放大光电探测器输出的电信号并送入计算机内进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，其特征在于，所述光纤F-P可调谐滤波器，自由光谱范围为1280nm-1620nm，能够快速扫描获得光源光谱的强度信息。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，其特征在于，所述光源光谱的强度信息是指光源光谱的强度大小和相对位置，不包括强度大小所对应的波长信息。

4.根据权利要求1所述的基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤用于承载被探测气体，空芯光子晶体光纤的出气口和进气口分别处在两个密闭的小气室中，每个小气室都有一个气孔，小型抽气泵从出气口一侧的一个气孔抽气，被探测气体从进气口一侧的另一个气孔进入小气室，最终被探测气体进入空芯光子晶体光纤中。

5.一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感方法，该方法包括以下步骤：

第一步、SLED光源发出的光经过光隔离器进入光纤F-P可调谐滤波器，在驱动电压的控制下，输出连续的光谱强度信息；

第二步、光纤F-P可调谐滤波器输出的连续光经过1:9光纤耦合器，将信号光分成参考光和探测光，参考光进入可调光纤衰减器中，探测光进入空芯光子晶体光纤中；

第三步、小型抽气泵从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤中；

第四步、探测光进入空芯光子晶体光纤与被探测气体相互作用；可调光纤衰减器调节参考光功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；

第五步、平衡放大光电探测器将探测光与参考光相减，滤除噪声和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转化为电信号并进行放大；

第六步、数据采集卡采集平衡放大光电探测器输出的电压信号并送到计算机内进行数据处理，判断被探测气体的种类和浓度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的数据处理具体过程是：为每个吸收峰编号，并记录每个吸收峰的位置和吸收强度；画出吸收峰编号与吸收峰的位置关系曲线，并进行曲线拟合，得到该曲线的斜率，然后经过公式计算，归一化到单位驱动周期和单位采样率下的曲线斜率；归一化后的曲线斜率表示该气体相邻吸收峰之间的平均间距，将该气体的归一化曲线斜率与之前已标定好的气体归一化曲线斜率作对比，就能得到该气体的种类；把某个吸收峰的强度与之前标定好的相应吸收峰强度作对比，就能得到该气体的浓度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述归一化计算公式为

$L=\frac{K}{T\×\mathrm{fs}}---\left(1\right)$

式中，L为相邻吸收峰之间的平均间距，K为吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜率，T为F-P可调谐滤波器的驱动周期，fs为据采集卡的采样率。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气体传感方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间的对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和某个吸收峰的强度就能够得到该气体的种类和浓度信息。