CN106680218A - 可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔、气体浓度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔、气体浓度测量系统及方法，以实现气体浓度的高精度测量。气体浓度测量系统由光源单元、光纤衰荡腔、光电探测单元以及信号处理和显示单元构成，可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔包括第一单模光纤、第二单模光纤、空心光纤和充气装置，空心光纤的两端分别与第一单模光纤和第二单模光纤耦合，第一单模光纤的另一端与光源单元连接，第二单模光纤的另一端与光电探测单元连接，第一单模光纤刻写有输入光纤布拉格光栅，第二单模光纤刻写有输出光纤布拉格光栅，充气装置的出气口贯穿空心光纤一面侧壁且与空心光纤空腔密封连通。

Description

可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔、气体浓度测量系统 及方法

技术领域

本发明涉及气体浓度测量领域，尤其涉及一种可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔、气体浓度测量系统及方法。

背景技术

随着人类生产生活水平的提高，工业化进程不断深入，电力、能源、冶金等各种工业过程产生的有毒有害气体也不断增加，破坏生态环境，威胁人类健康。为降低污染气体的危害，保证企业安全生产，保护生态环境，对有害气体进行实时精确的检测并及时采取措施具有十分重要的意义。因此，在传感技术领域，气体浓度的精确测量已受到广泛关注。

气体浓度的测量方法有很多种，根据传感原理的不同，可以分为化学传感器法，气相色谱法和光谱吸收检测法。化学传感器法是利用物理和化学反应来测量气体的成分，将其转化为电信号后确定气体浓度，具有使用时间短、受外界影响大，对环境要求较高等缺点。气相色谱法是色谱法的一种，进行气体浓度分析时，称为气相色谱法，采用人工取样和实验室气相色谱分析的方法，具有灵敏度较高的优点，但是需要对气体进行预处理，不具有实时性。化学传感器法和气相色谱法都必须对待测气体进行人工采样和预处理，不能进行实时检测，且必须在实验室环境下进行测量，对环境要求较高，响应速度较慢，稳定性较差。光谱吸收检测法是利用光与气体分子的相互作用，通过测量光强的变化来测量气体浓度，每种气体都有唯一对应的吸收峰带，在气体的吸收带内会产生光吸收，导致光强发生变化。此种方法受光源波动影响较大，测量精度与灵敏度有限。光谱吸收检测法有两种基本的检测技术：差分吸收技术和调制光谱技术。差分吸收技术将光源发出的激光分成参考光和检测光，分别通过不含待测气体的气室和装有待测气体的气室，其他装置相同，通过对比两路的透射光强，得到待测气体的浓度，因为光源的不稳定性等因素造成的波动对两路的影响相同，所以理论上可以消除光路的影响，但是系统的固有噪声无法消除。

发明内容

本发明目的在于提供一种可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔、气体浓度测量系统及方法，以解决现有技术气体浓度测量精度不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔，包括第一单模光纤、第二单模光纤、空心光纤和充气装置，空心光纤的两端分别与第一单模光纤的一端和第二单模光纤的一端耦合，第一单模光纤刻写有输入光纤布拉格光栅，第二单模光纤刻写有输出光纤布拉格光栅，充气装置的出气口贯穿空心光纤一面侧壁且与空心光纤空腔密封连通。

本发明还提供了一种气体浓度测量系统，包括光源单元、光电探测单元、信号处理和显示单元以及光纤衰荡腔，光纤衰荡腔的第一单模光纤的另一端与光源单元连接，第二单模光纤的另一端与光电探测单元输入端连接，光电探测单元输出端与信号处理和显示单元连接。

与上述气体浓度测量系统相对应的，本发明还提供了一种依托气体浓度测量系统的测量气体浓度的方法，包括以下步骤：

将充气装置中的待测气体注入空心光纤空腔内；

打开光源单元使脉冲激光进入光纤衰荡腔，脉冲激光在输入光纤布拉格光栅和输出光纤布拉格光栅之间来回反射；

脉冲激光每次反射有小部分激光从输出光纤布拉格光栅透射出来进入光电探测单元，光电探测单元接收呈指数衰落的激光信号强度，并将呈指数衰落的激光信号强度传输至信号处理和显示单元；

信号处理和显示单元通过激光信号强度的变化计算光强衰荡时间；

信号处理和显示单元通过未注入气体时的光强衰荡时间和注入气体时的光强衰荡时间计算气体浓度后显示输出。

本发明具有以下有益效果：

1、由第一单模光纤、第二单模光纤和空心光纤组成的光纤衰荡腔为全光纤结构，对环境要求低，不易受外界环境影响，系统稳定，且全光纤结构损耗小，损耗越低，光谱衰荡时间越长，测量精度越高。

2、由刻写在第一单模光纤上的输入光纤布拉格光栅和刻写在第二单模光纤上的输出光纤布拉格光栅组成谐振腔，由于光纤布拉格光栅具有抗干扰能力强，可重复性高等优点，利用其透射谱和衰荡谱测量气体浓度，可以大大提高测量精度。

3、本发明的一种气体浓度测量装置，对于不同气体浓度的测量，只需要更换充气装置内的待测气体，即可快速的完成不同气体浓度的测量，灵活性高。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的气体浓度测量装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的腔衰荡光谱检测技术结构示意图；

图3是本发明优选实施例的腔衰荡光谱检测技术中得到的典型光强衰荡图样；

图4是本发明优选实施例的反共振空芯光纤截面图。

图中各标号表示：

1、光源单元；2、光纤隔离器；3、第一单模光纤；4、输入光纤布拉格光栅；5、光电探测单元；6、空心光纤；7、充气装置；8、信号处理和显示单元；9、输出光纤布拉格光栅；10、第二单模光纤。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图2，图2为一简易的腔衰荡光谱技术的装置结构示意图，光源发出的脉冲激光进入由两个高反射率透镜M1、M2组成的光腔中，并在光腔中来回反射，且光在腔内每往返一次，都会有部分光从透镜M2透射出来，被光电探测器接收，剩余部分光继续在光腔内做往返运动，由于光腔内存在损耗，每次透射出来的光强逐渐减弱，并呈指数衰减。只要满足入射脉冲激光为窄脉冲且脉宽小于光在光腔内往返一次所需要的时间，就可以观察到透射光强随时间呈指数衰减的现象。

本发明实施例的可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔，包括第一单模光纤3、第二单模光纤10、空心光纤6和充气装置7，空心光纤6的两端分别与第一单模光纤3的一端和第二单模光纤10的一端耦合，第一单模光纤3刻写有输入光纤布拉格光栅4，第二单模光纤10刻写有输出光纤布拉格光栅9，充气装置7的出气口贯穿空心光纤6一面侧壁且与空心光纤6空腔密封连通。本发明提供的光纤衰荡腔，用输入光纤布拉格光栅4和输出光纤布拉格光栅9取代高反射率透镜，通过全光纤结构取代光腔。对环境要求低，不易受外界环境影响，系统稳定，且全光纤结构损耗小，损耗越低，光谱衰荡时间越长，测量精度越高。光纤布拉格光栅具有抗干扰能力强，可重复性高等优点，利用其透射谱和衰荡谱测量气体浓度，可以大大提高测量精度。将输入光纤布拉格光栅和输出光纤布拉格光栅刻写在光纤上可减少系统本身的损耗，使系统一体化。且本实施例的光纤衰荡腔还包括充气装置7，对于不同气体浓度的测量，只需要更换充气装置7内的待测气体，即可快速的完成不同气体浓度的测量，灵活性高。

进一步地，输入光纤布拉格光栅4和输出光纤布拉格光栅9的中心波长相同，腔长和光源单元1发出的脉冲激光的脉冲宽度相匹配，能够保证观察到透射激光强度随时间呈指数衰减的现象。

进一步地，参见图4，空心光纤6为反共振空芯光纤，反共振空芯光纤具有低传输损耗、宽波段单模传输的优点。

本实施列还提供了一种使用可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔的气体浓度测量系统，参见图1，包括光源单元1、光电探测单元5、信号处理和显示单元8以及本发明所提供的光纤衰荡腔，光纤衰荡腔的第一单模光纤3的另一端与所述光源单元1连接，第二单模光纤10的另一端与光电探测单元5输入端连接，光电探测单元5输出端与信号处理和显示单元8连接。采用本发明光纤衰荡腔组成的气体浓度测量系统，由于光纤衰荡腔的测量进度高，气体浓度测量系统输出的结果精度也相应的提高。

进一步地，气体浓度的测量系统还包括光纤隔离器2，光源单元1通过光纤隔离器2与第一单模光纤3连接。光纤隔离器2可以防止反向传输的脉冲激光返回光源单元1，对其造成损伤，起到了有效的保护光源单元1的作用。

进一步地，光源单元1为产生不同波段连续脉冲激光序列的脉冲光源。当测量不同气体浓度时，需要具有不同吸收谱的光源。产生不同波段连续脉冲激光序列的脉冲光源可以根据不同待测气体，选择不同波段的光源。

与该系统相对应的，本发明还提供了依托气体浓度测量系统的测量气体浓度的方法，包括以下步骤：

将充气装置7中的待测气体注入空心光纤6空腔内。充气装置7可通过气泵将气体压入空心光纤6，待需要更换待测气体时，通过气泵抽出待测气体。

打开光源单元1使脉冲激光进入由第一单模光纤3、空心光纤6和第二单模光纤10组成的光纤衰荡腔，脉冲激光在刻写在第一单模光纤3的输入光纤布拉格光栅4和刻写在第二单模光纤10的输出光纤布拉格光栅9之间来回反射。

脉冲激光每次反射有小部分激光从输出光纤布拉格光栅9透射出来进入光电探测单元5，光电探测单元接收呈指数衰落的激光信号强度，并将呈指数衰落的激光信号强度传输至信号处理和显示单元8。

信号处理和显示单元8通过激光信号强度的变化计算光强衰荡时间；图3为呈指数衰落的激光信号强度与时间的关系:

I＝I₀exp(-t/τ₀) (1)

定义光强I降至初始强度I₀的1/e时所需的时间为特征衰减时间τ₀。

其中，L为光纤衰荡腔中光纤的有效长度，n为光纤衰荡腔光路的平均折射率，c为真空中的光速，A为光在光纤衰荡腔中的单程本底传输损耗。由式(2)可见，影响衰减时间τ₀大小的所有物理量均是由光纤衰荡腔本身的性质所决定的。

则本实施例中呈指数衰落的激光信号强度与时间的关系:

式(3)中I表示t时刻的光强，I₀为初始强度。

当空芯光纤中充入特定的气体时，由于气体吸收光传输损耗会增加，设传输损耗变化量为B，则此时的特征时间τ可写成

式(4)中，光纤传输损耗变化量的计算式为：

B＝βlSP (5)

式(5)中，β表示与气体浓度P相关的损耗系数，l表示空芯光纤的有效长度，S表示空芯光纤纤芯的横截面面积。由式(3)～(5)可得

式(7)中，式(7)表明，气体浓度与特征衰减时间的倒数成线性关系，即待测气体浓度可由特征衰减时间τ确定。

信号处理和显示单元8通过未注入气体时的光强衰荡时间和注入气体时的光强衰荡时间计算气体浓度后显示输出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔，其特征在于，包括第一单模光纤(3)、第二单模光纤(10)、空心光纤(6)和充气装置(7)，所述空心光纤(6)的两端分别与所述第一单模光纤(3)的一端和所述第二单模光纤(10)的一端耦合，所述第一单模光纤(3)刻写有输入光纤布拉格光栅(4)，所述第二单模光纤(10)刻写有输出光纤布拉格光栅(9)，所述充气装置(7)的出气口贯穿所述空心光纤(6)一面侧壁且与所述空心光纤(6)空腔密封连通。

2.根据权利要求1所述的可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔，其特征在于，所述输入光纤布拉格光栅(4)和输出光纤布拉格光栅(9)之间的腔长与光源单元(1)发出的脉冲激光宽度相匹配。

3.根据权利要求2所述的可用于气体浓度测量系统光纤衰荡腔，其特征在于，所述输入光纤布拉格光栅(4)和输出光纤布拉格光栅(9)的中心波长相同。

4.根据权利要求1、2或3所述的可用于气体浓度测量系统的光纤衰荡腔，其特征在于，所述空心光纤(6)为反共振空芯光纤。

5.一种气体浓度测量系统，包括光源单元(1)、光电探测单元(5)、信号处理和显示单元(8)以及权利要求1-4中任一项所述的光纤衰荡腔，其特征在于，所述光纤衰荡腔的所述第一单模光纤(3)的另一端与所述光源单元(1)连接，所述第二单模光纤(10)的另一端与所述光电探测单元(5)的输入端连接，所述光电探测单元(5)的输出端与所述信号处理和显示单元(8)连接。

6.根据权利要求5所述的气体浓度测量系统，其特征在于，所述气体浓度测量系统还包括光纤隔离器(2)，所述光源单元(1)通过所述光纤隔离器(2)与所述第一单模光纤(3)连接。

7.根据权利要求5或6所述的气体浓度测量系统，其特征在于，所述光源单元(1)为可产生不同波段连续脉冲激光序列的脉冲光源。

8.一种用权利要求5-7中任一项所述的气体浓度测量系统测量气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述充气装置(7)中的待测气体注入所述空心光纤(6)空腔内；

打开所述光源单元(1)使脉冲激光进入所述光纤衰荡腔，脉冲激光在所述输入光纤布拉格光栅(4)和所述输出光纤布拉格光栅(9)之间来回反射；

脉冲激光每次反射有小部分激光从所述输出光纤布拉格光栅(9)透射出来进入所述光电探测单元(5)，所述光电探测单元(5)接收呈指数衰落的激光信号强度，并将呈指数衰落的激光信号强度传输至所述信号处理和显示单元(8)；

所述信号处理和显示单元(8)通过激光信号强度的变化计算光强衰荡时间；

所述信号处理和显示单元(8)通过未注入气体时的光强衰荡时间和注入气体时的光强衰荡时间计算气体浓度后显示输出。

9.根据权利要求8所述的测量气体浓度的方法，其特征在于，所述激光信号强度随时间的变化关系为：

$I=I_0\exp (-\frac{c}{nL}At)$

其中，I为t时刻的光强，I₀为初始强度，L为光纤衰荡腔中光纤的有效长度，n为光纤衰荡腔光路的平均折射率，c为真空中的光速，A为光在光纤衰荡腔中的单程本底传输损耗。