CN105067563A - 开放空间气体平均浓度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种开放空间气体平均浓度测量装置及测量方法，该装置包括半导体激光器、半导体激光器控制器、光纤耦合器、掺铒光纤放大器、光电探测器、光学收发天线、单模光纤以及数据处理单元；利用光腔衰荡技术，分别测量位于待测气体吸收光谱峰值处波长的激光与位于吸收光谱范围外波长的激光的腔衰荡时间，计算得到气体的吸收系数，再利用气体吸收系数与吸收截面和浓度的关系，计算求得气体的绝对浓度；同时，通过测量衰荡脉冲的时间间隔计算得到探测距离；已知开放空间内气体的积分浓度与探测距离计算得到气体的平均浓度；该方法具有测量灵敏度高，抗干扰能力强的特点。

Description

开放空间气体平均浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种开放空间气体平均浓度测量装置，特别涉及一种基于腔衰荡技术与脉冲测距技术的气体平均浓度测量的装置及测量方法。该装置可应用于瓦斯遥测、乙炔泄露检测等领域。

背景技术

随着石油化工的发展，易燃、易爆、有毒等危险气体在生产、运输过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。因此，气体平均浓度的测量技术在危险和有毒气体检测以及在各种工业制造的过程检测、控制等领域存在广泛的应用需求。光学探测方法由于具有非接触式、快速和灵敏度高等特点，被广泛应用于气体测量领域，如可调谐二极管吸收光谱法、腔衰荡光谱法等。为了得到开放空间气体的平均浓度，需要对开放空间气体的积分浓度以及探测距离进行高精度的测量。

在先技术一，利用可调谐二极管吸收光谱技术测量气体浓度，如日本TokyoGasCo.，Ltd公司的便携式瓦斯遥测仪(参见参考文献“Aportableremotemethanesensorusingatunablediodelaser”,Meas.Sci.Technol.11,594～602,2000)。该仪器采用可调谐吸收光谱技术对瓦斯气体进行探测，但是无法避免光源强度的抖动对探测精度的影响。且测量得到的是探测路径气体的积分浓度，无法得到开放空间内气体的平均浓度。

在先技术二，利用腔衰荡光谱技术测量气体浓度。将精密的衰荡腔放至室外并通过光纤连接，可以测得开放空间定点处的氨气浓度，并达到了11ppbv的量级(参见参考文献"Remoteopen-pathcavity-ringdownspectroscopicsensingoftracegasesinair,basedondistributedpassivesensorslinkedbykm-longopticalfibers",OPTICSEXPRESS,Vol.22,No.11.13171-13189,2014)但是得到的气体浓度是定点处空间的平均浓度，无法得到整个开放空间内气体的平均浓度。

在先技术三，脉冲测距技术。在使用激光脉冲测距时，其探测精度主要受限于时间间隔测量精度(参见参考文献：“脉冲激光雷达的时间间隔测量综述”，激光与红外Vol31,No.3,136～139,2001)。由于是对单组脉冲的时间间隔进行测量，因此时间间隔测量精度为百皮秒量级，距离测量精度约为厘米量级。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述在先技术的不足，提出一种开放空间气体平均浓度测量装置与测量方法，能够得到气体的平均浓度和探测距离。

本发明的技术解决方案如下：

一种开放空间气体平均浓度测量装置，特点在于该装置的构成包括半导体激光器控制器、半导体激光器、光纤耦合器、光电探测器、光学收发天线、数据处理单元、掺铒光纤放大器和合作目标，上述元部件的位置关系如下：

所述的半导体激光器控制器为半导体激光器提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器为测量提供光源；所述的半导体激光器发出的脉冲光，经单模光纤连接至所述的光纤耦合器的一端口；所述的光纤耦合器将光信号分为两束分别从二端口和三端口输出；所述的光电探测器的输入端连接所述的光纤耦合器的二端口，所述的数据处理单元的输入端连接所述的光电探测器的输出端；所述的光学收发天线的输入端连接所述的光纤耦合器的三端口，所述的光学收发天线发出的激光经合作目标反射回来的光信号由所述的光学收发天线接收；该光学收发天线的输出端与所述的掺铒光纤放大器输入端连接；该掺铒光纤放大器的输出端与所述的光纤耦合器的四端口连接。

利用上述开放空间气体平均浓度的测量装置进行开放空间气体平均浓度的测量方法，该方法的步骤如下：

①将合作目标放置在所需探测的开放空间的终点处，调节合作目标与光学收发天线，使所述的合作目标配合所述的光学收发天线完成光学信号的收发；

②通过半导体激光器控制器调节半导体激光器的输出波长，使半导体激光器产生脉冲光的激光波长处于待测气体分子的吸收光谱峰值波长处；

③所述的脉冲光通过单模光纤进入所述的光纤耦合器的一端口；经光纤耦合器的三端口输出经单模光纤进入所得光学收发天线，该脉冲光经光学收发天线发射后，经合作目标反射信号光，该信号光依次经光学收发天线接收、单模光纤、掺铒光纤放大器单模光纤、光纤耦合器四端口、光纤耦合器三端口、单模光纤至光学收发天线发射，多次循环，形成衰荡信号光；

④所述的衰荡信号光经所述的光纤耦合器的二端口输出，由所述的光电探测器探测并转换为相应的衰荡电信号，该衰荡电信号送至所述的数据处理单元；该数据处理单元通过计算脉冲峰值衰减到初始脉冲峰值的1/e时的时间得到衰荡时间τ₁；

⑤通过测量衰荡时间内的衰荡脉冲的个数n，通过衰荡时间τ₁除以(n-1)得到衰荡脉冲两相邻峰值之间的时间间隔τ₀；

⑥再通过所述的半导体激光器控制器调节所述的半导体激光器，使所述的半导体激光器输出脉冲光的激光波长位于待测气体分子的吸收光谱外；该半导体激光器输出的脉冲光重复步骤③④，得到新衰荡信号的衰荡时间τ₂；

⑦所述的数据处理单元按下列公式(1)计算被探测气体的积分浓度C：

$C=\frac{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\σ\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2}\·\frac{1}{s}---\left(1\right)$

按下列公式(2)得到探测距离d：

$d=\frac{({\mathrm{\τ}}_0-\frac{d_0\·n_0}{s})}{2}\·s---\left(2\right)$

用积分浓度C除以探测距离d得到开放空间探测气体的平均浓度：

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{C}{d}$

式中，σ为气体吸收光谱峰值波长处的相对吸收截面，d为开放空间长度，d₀为脉冲光从光纤耦合器的三端口输出经光学收发天线、合作目标、光学收发天线、掺铒光纤放大器、光纤耦合器四端口、光纤耦合器二端口至光电探测器的单模光纤的总长度，n₀为单模光纤的纤芯折射率，s为光速。

所述的光学收发天线为离轴光学收发装置，与所述单模光纤具有良好的耦合效率。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1、与在先技术相比，本发明通过腔衰荡信号同时测量开放空间气体的积分浓度以及距离，通过计算得到开放空间该气体的平均浓度。

2、衰荡信号是脉冲序列，与脉冲测距仪器相比，利用相同精度的TDC测量脉冲序列计算得到脉冲峰值时间间隔的误差比直接测量两个脉冲峰值时间间隔的误差小，进而得到更好的时间测量精度，进而得到更好的距离测量精度。

附图说明

图1是本发明开放空间气体平均浓度测量的装置的结构框图

图2是本发明开放空间气体平均浓度测量的装置的测量方法的流程图

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明进行进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明开放空间气体平均浓度测量的装置结构框图。由图可见，本发明装置的构成包括半导体激光器控制器101、半导体激光器102、光纤耦合器103、光电探测器104、光学收发天线105、数据处理单元106、掺铒光纤放大器107、合作目标108。

上述元部件的位置关系如下：所述的半导体激光器控制器101为半导体激光器102提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器102为测量提供光源；所述的半导体激光器102发出的脉冲光，经单模光纤连接至所述的光纤耦合器103的一端口；所述的光纤耦合器103将光信号分为两束分别从二端口和三端口输出；所述的光电探测器104的输入端连接所述的光纤耦合器103的二端口，所述的数据处理单元106的输入端连接所述的光电探测器104的输出端；所述的光学收发天线105的输入端连接所述的光纤耦合器103的三端口，所述的光学收发天线105发出的激光经合作目标108反射回来的光信号由所述的光学收发天线105接收；该光学收发天线105的输出端与所述的掺铒光纤放大器107输入端连接；该掺铒光纤放大器107的输出端与所述的光纤耦合器103的四端口连接。

本发明开放空间气体平均浓度测量的装置工作时，具体操作步骤如下：

①将合作目标108放置在所需探测的开放空间的终点处，调节合作目标108与光学收发天线105，使所述的合作目标108配合所述的光学收发天线108完成光学信号的收发；

②通过半导体激光器控制器101调节半导体激光器102的输出波长，使半导体激光器102产生脉冲光的激光波长处于待测气体分子的吸收光谱峰值波长处；

③所述的脉冲光通过单模光纤进入所述的光纤耦合器103的一端口；经光纤耦合器103的三端口输出经单模光纤进入所得光学收发天线105，该脉冲光经光学收发天线105发射后，经合作目标108反射信号光，该信号光依次经光学收发天线105接收、单模光纤、掺铒光纤放大器107、单模光纤、光纤耦合器103四端口、光纤耦合器103三端口、单模光纤至光学收发天线105发射，多次循环，形成衰荡信号光；

④所述的衰荡信号光经所述的光纤耦合器103的二端口输出，由所述的光电探测器104探测并转换为相应的衰荡电信号，该衰荡电信号送至所述的数据处理单元106；该数据处理单元通过计算脉冲峰值衰减到初始脉冲峰值的1/e时的时间得到衰荡时间τ₁；

⑤通过测量衰荡时间内的衰荡脉冲的个数n，通过衰荡时间τ₁除以(n-1)得到衰荡脉冲两相邻峰值之间的时间间隔τ₀；

⑥再通过所述的半导体激光器控制器101调节所述的半导体激光器102，使所述的半导体激光器102输出脉冲光的激光波长位于待测气体分子的吸收光谱外；该半导体激光器102输出的脉冲光重复步骤③④，得到新衰荡信号的衰荡时间τ₂；

⑦通过探测所得到的衰荡时间τ₁、τ₂计算得到被探测气体的积分浓度，通过衰荡脉冲的时间间隔τ₀计算得到探测距离d，计算得到开放空间中被测气体的平均浓度。

本发明结合了腔衰荡光谱技术与脉冲激光测距技术对气体浓度与探测距离进行测量。此装置可以实现对气体浓度与探测距离的较高精度探测。

工作原理：

假设衰荡腔长为L，激光初始光强为I_in,在光腔中经单程传输后出射的光强为：

I₀＝Re^-α(λ)LI_in

上式中R是合作目标的光强反射率，α(λ)是被测气体对探测激光的吸收系数，也写作α＝σC，这里的σ为气体对该波长光的相对吸收截面。经过n次往返出射后，脉冲光强为

I_n＝I₀[Re^-αL]²ⁿ＝I₀e^{-2n(-lnR+αL)}

光在腔中往返一个来回所用的时间t₀＝2L/s，s为光速，因此上式可化为：

$I\left(t\right)=I_0{e}^{-\frac{ct}{L}(-\ln R+\mathrm{\α}L)}$

定义光强衰减到初始光强的e^-1时的时间为光强的衰减时间常数(衰荡时间)：

$\mathrm{\τ}=\frac{L}{s(-\ln R+\mathrm{\α}L)}$

由上式可知衰荡时间取决于合作目标的反射率，腔长和腔内介质的吸收，不受激光脉冲光源的光强波动影响。通过测量波长位于被测气体吸收峰处的脉冲激光的衰荡时间τ₁，波长在待测气体吸收光谱范围外的脉冲激光的衰荡时间τ₂，就可以得到吸收系数：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\σ}C=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2}\·\frac{1}{s}$

上式中s为光速，Δτ＝τ₂-τ₁。

因此，气体积分浓度C通过所测的衰荡时间差计算得到。

通过测量n个脉冲序列的时间间隔τ以及脉冲个数，计算得到两个相邻脉冲峰值之间的时间间隔τ₀：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{\mathrm{\τ}}{n-1},$

在所用单模光纤长度已知的情况下利用公式

$d=\frac{({\mathrm{\τ}}_0-\frac{d_0\·n_0}{s})}{2}\·s$

计算得到探测距离d。上式中d₀为已知的单模光纤的长度，n₀为单模光纤的纤芯折射率。

再根据测得的气体积分浓度C除以探测距离d计算得到开放空间气体的平均浓度

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{C}{d}.$

Claims (2)

1.一种开放空间气体平均浓度测量装置，特征在于该装置包括半导体激光器控制器(101)、半导体激光器(102)、光纤耦合器(103)、光电探测器(104)、光学收发天线(105)、数据处理单元(106)、掺铒光纤放大器(107)和合作目标(108)，上述元部件的位置关系如下：

所述的半导体激光器控制器(101)为半导体激光器(102)提供驱动电流和温度控制，所述的半导体激光器(102)为测量提供光源；所述的半导体激光器(102)发出的脉冲光，经单模光纤连接至所述的光纤耦合器(103)的一端口；所述的光纤耦合器(103)将光信号分为两束分别从二端口和三端口输出；所述的光电探测器(104)的输入端连接所述的光纤耦合器(103)的二端口，所述的数据处理单元(106)的输入端连接所述的光电探测器(104)的输出端；所述的光学收发天线(105)的输入端连接所述的光纤耦合器(103)的三端口，所述的光学收发天线(105)发出的激光经合作目标(108)反射回来的光信号由所述的光学收发天线(105)接收；该光学收发天线(105)的输出端与所述的掺铒光纤放大器(107)输入端连接；该掺铒光纤放大器(107)的输出端与所述的光纤耦合器(103)的四端口连接。

2.利用权利要求1所述的开放空间气体平均浓度的测量装置进行开放空间气体平均浓度的测量方法，特征在于该方法的步骤如下：

①将合作目标(108)放置在所需探测的开放空间的终点处，调节合作目标(108)与光学收发天线(105)，使所述的合作目标(108)配合所述的光学收发天线(108)完成光学信号的收发；

②通过半导体激光器控制器(101)调节半导体激光器(102)的输出波长，使半导体激光器(102)产生脉冲光的激光波长处于待测气体分子的吸收光谱峰值波长处；

③所述的脉冲光通过单模光纤进入所述的光纤耦合器(103)的一端口；经光纤耦合器(103)的三端口输出经单模光纤进入所得光学收发天线(105)，该脉冲光经光学收发天线(105)发射后，经合作目标(108)反射信号光，该信号光依次经光学收发天线(105)接收、单模光纤、掺铒光纤放大器(107)、单模光纤、光纤耦合器(103)四端口、光纤耦合器(103)三端口、单模光纤至光学收发天线(105)发射，多次循环，形成衰荡信号光；

④所述的衰荡信号光经所述的光纤耦合器(103)的二端口输出，由所述的光电探测器(104)探测并转换为相应的衰荡电信号，该衰荡电信号送至所述的数据处理单元(106)；该数据处理单元通过计算脉冲峰值衰减到初始脉冲峰值的1/e时的时间得到衰荡时间τ₁；

⑤通过测量衰荡时间内的衰荡脉冲的个数n，通过衰荡时间τ₁除以(n-1)得到衰荡脉冲两相邻峰值之间的时间间隔τ₀；

⑥再通过所述的半导体激光器控制器(101)调节所述的半导体激光器(102)，使所述的半导体激光器(102)输出脉冲光的激光波长位于待测气体分子的吸收光谱外；该半导体激光器(102)输出的脉冲光重复步骤③④，得到新衰荡信号的衰荡时间τ₂；

⑦所述的数据处理单元(106)按下列公式(1)计算待测气体的积分浓度C：

$C=\frac{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\σ\τ}}_1{\mathrm{\τ}}_2}\·\frac{1}{s}---\left(1\right)$

按下列公式(2)计算得到探测距离d：

$d=\frac{({\mathrm{\τ}}_0-\frac{d_0\·n_0}{s})}{2}\·s---\left(2\right)$

用积分浓度C除以探测距离d得到开放空间探测气体的平均浓度：

$\stackrel{\‾}{c}=\frac{C}{d}$

式中，σ为待测气体吸收光谱峰值波长处的相对吸收截面，d为探测距离即开放空间长度，d₀为脉冲光从光纤耦合器(103)的三端口输出经光学收发天线(105)、合作目标(108)、光学收发天线(105)、掺铒光纤放大器(107)、光纤耦合器(103)四端口、光纤耦合器(103)二端口至光电探测器(104)的单模光纤的总长度，n₀为单模光纤的纤芯折射率，s为光速。