CN108362647A - 一种新型多组分气体检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种新型多组分气体检测系统，属于光纤气体传感领域。包括光声池、光栅、压电陶瓷等。泵浦光源连接波分复用器，波分复用器连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接第一个光声池，第一个光声池连接第二光声池，以此类推能够连接到第N个光声池，第N个光声池连接环形器输入端，环形器中间端连接第一个光栅，第一个光栅连接第二个光栅，以此类推能够连接第N个光栅，环形器输出端连接波分复用器的另一输入端。光栅固定在压电陶瓷上，压电陶瓷驱动电源控制压电陶瓷。微音器置于光声池中，微音器连接前置放大器阵列，前置放大器阵列连接锁相放大器，锁相放大器连接计算机。本发明可以实现对气体多组分测量，并且具有功率高，可对多种气体同时测量等优点。

Description

一种新型多组分气体检测系统
技术领域
本发明涉及一种多组分气体检测技术，具体讲是基于光纤激光器环形内腔的光声光谱的一种新型多组分气体检测系统。属于光纤气体传感技术领域。
背景技术
气体检测技术的发展在大气环境监测、人类日常生活和工业发展等领域都有着重要的意义，近年来随着环境变化日益复杂、工业现代化的发展和人民的环境健康意识不断提高，传统的单一气体检测已不能满足要求，所以多组分气体检测得到了迅速发展与推广。
光声光谱检测技术是基于光声效应的一种气体检测技术，基本工作原理为：气体分子吸收光子的能量，后经过无辐射跃迁释放出内能，引起温度的升高，进而引起压强的变化，转换为声波，被声音探测器检测。光声光谱技术具有灵敏度高、高选择性、大动态检测范围等优点。
张嵩在论文“基于光声光谱技术的多组分气体检测方法研究”(重庆大学硕士学位论文2007p12-15)中提出了一种基于宽谱红外光源的多组分气体检测技术，滤光片用来透过待测气体的特征频谱，由于滤光片不能精确到仅透过对应于各组分气体的单个特定吸收峰，所以当干扰气体存在时，将给检测带来较大的误差。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种光纤激光器环形内腔的光声光谱多组分气体检测系统。
本发明的技术方案是按以下方式实现的：
一种新型多组分气体检测系统，包括泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、N个光声池、N个微音器、前置放大器阵列、锁相放大器、计算机、环形器、N个光栅、N个压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源，其特征在于泵浦光源的输出端通过光纤连接波分复用器的一输入端，波分复用器输出端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接第一个光声池的输入端，第一个光声池的激光输出端通过光纤连接到第二个光声池的输入端，第二个光声池的激光输出端通过光纤连接到第三个光声池的输入端，以此类推第N-1个光声池的激光输出端通过光纤连接到第N个光声池的输入端，第N个光声池的激光输出端通过光纤和环形器输入端相连接，环形器的中间端通过光纤连接第一个光栅，第一个光栅后面由光纤连接第二个光栅，第二个光栅后面由光纤连接第三个光栅，以此类推第N-1个光栅通过光纤和第N个光栅相连接；环形器的输出端通过光纤连接波分复用器的另一输入端，N个光栅分别固定在N个压电陶瓷上，压电陶瓷驱动电源分别连接N个压电陶瓷并对N个压电陶瓷进行驱动控制，N个微音器分别置于N个光声池中，N个微音器的信号输出端连接到前置放大器阵列，前置放大器阵列的输出端和锁相放大器的输入端相连接，锁相放大器连接计算机；
所述的N>1。
所述的N个光声池的共振频率彼此之间完全不相同。
所述的N个光栅的中心波长彼此之间完全不相同，每个光栅的中心波长分别对应不同被测气体的吸收峰。
所述的泵浦光源为半导体激光器。
所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。
本发明装置工作时，泵浦光源出射的光经过波分复用器后入射到稀土掺杂光纤上，产生一个宽谱光，N个中心波长彼此之间的完全不相同的光栅用来选择波长，对应不同气体的吸收峰，压电陶瓷驱动电源以不同的调制频率驱动N个压电陶瓷，光栅固定在压电陶瓷上，压电陶瓷以不同的频率拉伸光栅，使不同波长的光的调制频率不同，分别对应于N个共振频率彼此之间完全不同光声池的频率的一半，带有特定调制频率的光被气体分子吸收后产生的声波只能在相应的共振频率的光声池内响应，将多组分气体通入N个光声池中，每一种气体在该气体所对应的吸收波长处产生吸收，在光声池中产生声波，N个微音器分别将N个光声池中的声波转化为电流信号，前置放大器阵列将电流信号转换为电压信号，锁相放大器对电压信号进行解调，在计算机上显示被测气体信号的大小，实现了对气体的多组分测量。
本发明检测系统的有益效果在于：通过压电陶瓷拉伸光栅,使不同波长的光的调制频率不同,这样带有特定频率的光被气体分子吸收后产生的声波只能在相应的共振频率的光声池内响应,实现了气体的多组分测量。
附图说明
图1是本发明检测系统实施例的结构示意图。
其中1.泵浦光源，2.波分复用器，3.稀土掺杂光纤，4.前置放大器阵列，5.锁相放大器，6.计算机，7.微音器a，8.微音器b，9.微音器c，10.光声池a，11.光声池b，12.光声池c，13.环形器，14.压电陶瓷驱动电源，15.压电陶瓷a，16.压电陶瓷b，17.压电陶瓷c，18.光栅a，19.光栅b，20.光栅c。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例：
本发明实施例如图1所示，一种新型多组分气体检测系统，包括泵浦光源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、前置放大器阵列4、锁相放大器5、计算机6、微音器a7、微音器b8、微音器c9、光声池a10、光声池b11、光声池c12、环形器13、压电陶瓷驱动电源14、压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17、光栅a18、光栅b19和光栅c20。泵浦光源1的输出端通过光纤连接波分复用器2的一输入端，波分复用器2输出端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接光声池a10的输入端，光声池a10的激光输出端通过光纤连接光声池b11的输入端，光声池b11的激光输出端通过光纤连接光声池c12的输入端，光声池c12的激光输出端通过光纤连接环形器13输入端，环形器13的中间端通过光纤连接光栅a18，光栅a18连接光栅b19，光栅b19连接光栅c20，环形器13的输出端通过光纤连接波分复用器2的另一输入端。光栅a18、光栅b19、光栅c20分别粘在压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17上，压电陶瓷驱动电源控制14压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17。微音器a7、微音器b8、微音器c9分别置于光声池a10、光声池b11、光声池c12中，微音器a7、微音器b8、微音器c9的信号输出端连接前置放大器阵列4，前置放大器阵列4连接锁相放大器5，锁相放大器5连接计算机6。
所述的光声池a10、光声池b11、光声池c12的共振频率分别为3kHz、3.5kHz、4kHz。
所述的光栅a18、光栅b19、光栅c20的中心波长分别为1530.37nm、1527.041nm、1558.659nm，分别对应乙炔、氨气、硫化氢的吸收峰。
所述的泵浦光源1为半导体激光器，其型号为S26-7602-160。
所述的稀土掺杂光纤3为掺铒光纤。
本发明检测系统工作时，泵浦光源1出射的光经过波分复用器2后入射到稀土掺杂光纤3上，产生一个宽谱光，光栅a18、光栅b19、光栅c20用来选择波长，分别对应乙炔、氨气、硫化氢的吸收峰，压电陶瓷驱动电源14分别以1.5kHz、1.75kHz、2kHz的调制频率驱动压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17，光栅a18、光栅b19、光栅c20分别粘在压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17上，压电陶瓷a15、压电陶瓷b16、压电陶瓷c17分别以1.5kHz、1.75kHz、2kHz的调制频率拉伸光栅a18、光栅b19、光栅c20，使不同波长的光的调制频率不同，分别对应于光声池a10、光声池b11、光声池c12的共振频率的一半，这样乙炔分子吸收光子产生的声波只能在光声池a10中响应，氨气分子吸收光子产生的声波只能在光声池b11中响应，硫化氢分子吸收光子产生的声波只能在光声池c12中响应，微音器a7、微音器b8、微音器c9分别将光声池a10、光声池b11、光声池c12中的声波转化为电流信号，前置放大器阵列4将电流信号转换为电压信号，锁相放大器5对电压信号进行解调，在计算机6上显示被测气体信号的大小，实现了对气体的多组分测量。

Claims (5)

1.一种新型多组分气体检测系统，包括泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、N个光声池、N个微音器、前置放大器阵列、锁相放大器、计算机、环形器、N个光栅、N个压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源，其特征在于泵浦光源的输出端通过光纤连接波分复用器的一输入端，波分复用器输出端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接第一个光声池的输入端，第一个光声池的激光输出端通过光纤连接到第二个光声池的输入端，第二个光声池的激光输出端通过光纤连接到第三个光声池的输入端，以此类推第N-1个光声池的激光输出端通过光纤连接到第N个光声池的输入端，第N个光声池的激光输出端通过光纤和环形器输入端相连接，环形器的中间端通过光纤连接第一个光栅，第一个光栅后面由光纤连接第二个光栅，第二个光栅后面由光纤连接第三个光栅，以此类推第N-1个光栅通过光纤和第N个光栅相连接；环形器的输出端通过光纤连接波分复用器的另一输入端，N个光栅分别固定在N个压电陶瓷上，压电陶瓷驱动电源分别连接N个压电陶瓷并对N个压电陶瓷进行驱动控制，N个微音器分别置于N个光声池中，N个微音器的信号输出端连接到前置放大器阵列，前置放大器阵列的输出端和锁相放大器的输入端相连接，锁相放大器连接计算机；
所述的N>1。
2.如权利要求1所述的一种新型多组分气体检测系统，其特征在于所述的N个光声池的共振频率彼此之间完全不相同。
3.如权利要求1所述的一种新型多组分气体检测系统，其特征在于所述的N个光栅的中心波长彼此之间完全不相同，每个光栅的中心波长分别对应不同被测气体的吸收峰。
4.如权利要求1所述的一种新型多组分气体检测系统，其特征在于所述的泵浦光源为半导体激光器。
5.如权利要求1所述的一种新型多组分气体检测系统，其特征在于所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。
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