CN110044837B - 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其包括宽带红外光源、步进电机、波长调制盘、长程气体吸收池、光功率放大模块、光电探测模块和控制器。波长调制盘对宽带红外光源发射的宽带红外光进行波长选取，使以不同波长为中心的窄带探测光束依次进入长程气体吸收池内，光束被由光纤耦合镜、波分复用器、光纤放大器、光纤准直镜构成的光功率放大模块功率放大后再次入射到气体吸收池内，该光束在吸收池内多次反射折转直到光束从气室中出射并到达光电探测模块。本发明将低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，充分发挥宽带红外光源波段宽、结构简洁、价格低廉的优势，实现低成本的高灵敏度多组分气体检测装置。

Description

一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置

技术领域

本发明属于差分吸收光谱气体检测领域，涉及一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，主要应用于工业危险气体监测预警以及大气环境监测等领域。

背景技术

红外吸收光谱技术已经广泛应用于气体检测之中，与采用激光器作为主动探测光源相比，宽带红外光源(如氙灯、发热电阻等)具有辐射波段宽、结构简洁以及价格低廉等优点。然而，宽带红外光源在辐射红外波段探测光的同时会大量发热，如果采用大功率宽带红外光源，一方面大大增加检测系统的发热能耗，另一方面将不得不采用制冷系统来控制光源温度，从而抬高检测系统的复杂性以及相应的造价成本。采用功耗较小的宽带红外光源虽然有效降低了系统的发热能耗并可以省去制冷系统，但是由于辐射的探测光能较小，且宽带红外光源往往发光面积大、出射光发散角大，不易被简单光学系统准直，使得真正到达光电探测器光敏面处的探测光功率很小，难以引起探测器的响应。特别是与长光程气体吸收池相结合时，由于光程较长，探测光束随着传输的距离大量发散，到达光电探测器光敏面处的信号光更加微弱。然而，长光程气体吸收池是增强系统痕量气体检测灵敏度的有效模块，而宽带红外光源的上述特性却阻碍了其与长光程气室的结合使用，大大降低了检测系统的灵敏度。当前，尚缺少基于宽带红外光源与长光程气体吸收池相结合使用而形成的高灵敏度痕量气体检测装置。如果采取一定的技术手段，将低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，充分发挥宽带红外光源辐射波段宽、结构简洁、价格低廉的优势，可以突破传统红外气体检测方法的瓶颈，基于红外吸收光谱技术实现低成本的高灵敏度多组分气体检测装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

将结构简单、价格低廉的低功耗宽带红外光源与长光程气体吸收池有效结合，在探测光束传输的中途对其进行适当的增益，从而保证最终到达探测器光敏面处的探测光功率；同时，利用宽带红外光源的宽波段辐射特性，采用多波长调制的差分吸收光谱方法，对气体吸收池内多个组分的气体同时进行检测。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其包括：

窄带探测光束发射模块，用于发射待测气体组分特征吸收波长和参考波长的窄带探测光束到气体吸收池中，其中待测气体组分在该参考波长处无吸收特征；

气体吸收池，其容纳待测气体且包括一组反射镜，窄带探测光束在气体吸收池内的反射路径依次经过反射镜上的多个光束入射点；

至少一个光功率放大模块，包括光纤耦合镜、第一波分复用器、第二波分复用器、多个光纤放大器及光纤准直镜，其中光纤耦合镜穿设在反射镜上对应于一个光束入射点处，光纤耦合镜输入端为光功率放大模块输入端口，接收窄带探测光束，光纤耦合镜输出端连接至第一波分复用器输入端，第一波分复用器输出端分别连接至各光纤放大器输入端，所有光纤放大器输出端皆连接至第二波分复用器输入端，光纤准直镜穿设在反射镜上对应于反射路径中的后续光束入射点处，第二波分复用器输出端连接至光纤准直镜输入端，光纤准直镜输出端为光功率放大模块输出端口，光纤准直镜使经功率放大的窄带探测光束对准反射路径中的下一光束入射点射出，波分复用器的分光波长和光纤放大器的放大波长分别与窄带探测光束波长相对应；

光电探测模块，用于探测从气体吸收池出射的窄带光束，生成相应电信号；

控制器，用于对光电探测模块生成的电信号进行处理，得到气体吸收池内待测气体组分的浓度。

进一步地，窄带探测光束发射模块包括宽带光源、步进电机和波长调制盘，其中宽带光源被配置成向气体吸收池辐射宽带探测光束，波长调制盘与步进电机机械连接，波长调制盘上开有多个开孔，在开孔处安装分别与待测气体组分特征吸收波长和参考波长相对应的准直镜和滤光片镜组，步进电机驱动波长调制盘旋转，使得准直镜和滤光片镜组依次与宽带光源重合，使与准直镜和滤光片镜组对应波长的窄带探测光束依次入射到气体吸收池中。

进一步地，所述宽带光源为宽带红外光源。

进一步地，气体吸收池为长光程气体吸收池。

进一步地，所述至少一个光功率放大模块包括依次对窄带探测光束功率进行放大的两个以上光功率放大模块，其中，在后的光功率放大模块的光纤耦合镜在反射路径上的位置居于在前的光功率放大模块的光纤准直镜之后，使得自在前的光功率放大模块的光纤准直镜射出的窄带探测光束进入在后的光功率放大模块的光纤耦合镜。

进一步地，光电探测模块包括光电探测器耦合镜、光电探测器和光电采集电路，光电探测器耦合镜与光电探测器光学耦合，光电探测器又电连接至光电采集电路，其中，光电探测器耦合镜将窄带光束会聚到光电探测器的光敏面，光电探测器响应出光电流信号或电压信号，该等信号被光电采集电路采集、模/数转换。

进一步地，控制器依据以下公式计算待测气体组分浓度C_i：

其中，I′₀为光电探测模块测得的参考波长探测光束的光功率，I′_i为光电探测模块测得的特征吸收波长探测光束的光功率，a_i与b_i均为常数。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.将主要由光纤耦合镜、波分复用器、光纤放大器、光纤准直镜构成的光功率放大模块引入系统装置，提高了系统对微弱光信号的探测能力，大大降低了以往对系统光功率损耗的要求(如对反射镜高反射率的苛刻要求)，从而降低了系统的造价；

2.基于有益效果1，将长光程气室引入系统装置，实现了传统低功耗宽带红外光源与长光程气室的结合。由于长光程气室吸收光程长，大大提高了装置检测痕量气体的能力，提高了系统的检测灵敏度；

3.装置采用差分吸收光谱方法，有效抑制了宽带红外光源出射光功率的漂移对气体组分检测的影响，增强了装置的稳定性；

4.装置采用步进电机带动的波长调制盘为宽带红外光源进行波长选取，以不同波长为中心的窄带探测光束依次进入气室内，可以有效避免多组分气体对探测光强吸收的交叉干扰，实现多气体组分的同时检测；

5.由于光功率放大模块的引入并考虑到窄带滤光片较好的波长通带选择性，准直镜对光束准直的发散角容限更大且无需考虑色差影响，使得准直镜结构更加简洁(单片球面透镜即可)，从而降低了系统装置的造价。

附图说明

图1为基于光纤放大器的红外差分吸收光谱多组分气体检测装置示意图。

图2示意了气体吸收池右边反射腔镜上光束入射点的分布。

图3示意了波长调制盘的结构。

其中1-气体吸收池，2-宽带红外光源，3-步进电机，4-波长调制盘，5、13-光纤耦合镜，6、11、14、19-波分复用器，7、8、9、10、15、16、17、18-光纤放大器，20-光纤，12、21-光纤准直镜，22-光电探测器耦合镜，23-光电探测器，24-光电采集电路，25-微控制器，26-宽带红外光源驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明所提出的系统装置如图1所示，图1示意表示基于光纤放大器的红外差分吸收光谱多组分气体检测装置，主要包括气体吸收池1，宽带红外光源2，步进电机3，波长调制盘4，光纤耦合镜5、13，波分复用器6、11、14、19，光纤放大器7、8、9、10、15、16、17、18，光纤20，光纤准直镜12、21，光电探测器耦合镜22，光电探测器23，光电采集电路24，微控制器25及宽带红外光源驱动电路26。气体吸收池1为长光程气体吸收池，一般有怀特池和赫里奥特池两种类型。本发明以赫里奥特池为例，此种所述吸收池类型主要由两个平行相向放置的球面反射镜构成，其中右球面反射镜多处开孔，并在开口处放置相应的光纤耦合镜(如5、13)和光纤准直镜(如12、21)，如图2所示。波长调制盘4与步进电机3机械连接，波长调制盘上分别开孔并在开孔处安装与波长λ₀、λ₁、……、λ_i-1、λ_i、……相对应的准直镜和滤光片镜组，如图3所示。光纤耦合镜5、13与光纤准直镜12、21分别与波分复用器6、11、14、19通过光纤进行连接，波分复用器6、11、14、19与光纤放大器7、8、9、10、15、16、17、18进行连接。6、11、14、19所示的波分复用器的分光波长和7、8、9、10、15、16、17、18所示的光纤放大器的放大波长分别与λ₀、λ₁、……、λ_i-1、λ_i、……相对应。

图2示意了右边反射腔镜上光束入射点的分布，其中黑色圆点即为光束入射点。可以根据检测需要，在右反射腔镜上相应黑色圆点所示的光束入射点处开孔并放置光纤耦合镜与光纤准直镜，从而实现光功率放大模块的接入。

图3示意了波长调制盘的结构。波长调制盘在步进电机的带动下持续转动，盘上圆周内侧依次开孔并放置准直镜与滤光片构成的镜组。任意开孔处的准直镜和滤光片镜组均对应于一个特定的检测波长，准直镜的准直波长与滤光片通带中心波长与此波长均一致。随着波长调制盘的转动，上述开孔中的准直镜与滤光片镜组将依次与红外宽带光源重合。

在微控制器25的控制下，宽带红外光源驱动电路26驱动宽带红外光源2辐射出主动探测光束。微控制器25控制步进电机3并带动波长调制盘以一定的旋转速度进行转动。每当一组准直镜和滤光片镜组随波长调制盘旋转到与宽带红外光源重合时，宽带红外光源所辐射出的光束中，与准直镜和滤光片镜组所对应波长的那一部分光束经准直镜初步准直后透过滤光片入射到气体吸收池1中。该光束经过气室内的气体部分吸收后到达右球面反射镜的开口处，穿过右球面反射镜经过光纤耦合镜5的会聚耦合作用进入到光纤内并传输至波分复用器6。特定波长的光束，被波分复用器导入特定的光纤通道并进入特定的光纤放大器中(如光纤放大器7、8、9、10)。光纤放大器将该特定波长的光束功率放大后出射，光束经过波分复用器11耦合后经过光纤传输至光纤准直镜12处。光束经过光纤准直镜的准直后再次入射进入到气体吸收池内。该光束在吸收池内基于赫里奥特池的光学特性多次反射折转，经过其内气体部分吸收后，将再次到达右反射球面镜上的另一个开孔处并穿过右球面镜到达光纤耦合镜13。光束被该耦合镜会聚耦合进入光纤后将重复上述光纤耦合镜5到光纤准直镜12之间的过程，并最终从光纤准直镜21出射后再次进入到气体吸收池内传输。上述过程多次反复，直到光束从气室中出射并到达光电探测器耦合镜22并被会聚到光电探测器23的光敏面处。光电探测器23响应出光电流信号或电压信号，并被光电采集电路24采集、模/数转换后送入微控制器25进行处理。微控制器对光谱信号进行处理、运算后反演得到气室内相应气体组分的浓度并进行存储、显示、上传等。

装置中由光纤放大器、波分复用器等为主所构成的探测光束功率放大模块可以根据检测的需要确定具体的使用数量。由于赫里奥特池的光学特性，右面球面反射镜处的光束入射点将成圆形分布于镜面上，如图2所示。可以根据检测需要，在任意入射点处开孔并接入光纤耦合镜和相应的光纤准直镜，从而将光束功率放大模块接入装置。对于每一个光束功率放大模块，其内的光纤放大器与装置所探测的波长一一对应。

上述波长调制盘在步进电机的带动下将持续转动，对于每一个气体组分，对应一个特征吸收波长，并对应盘上相应的准直镜和滤光片镜组。随着波长调制盘的转动，宽带红外光源所辐射出的光束依次被选出特定波长成分，并入射到气体吸收池内。其中，存在一个波长λ₀，装置所要检测的全部气体组分在该波长处均无吸收特征，该波长即为参考波长。待检测的各气体组分所对应的特征吸收波长为λ₁、……、λ_i-1、λ_i、……，所选特征吸收波长的数量与气体组分数量一致。由于光源为宽带光源，所覆盖波长范围广，配合窄带滤光片的使用，可以有效找到各自气体组分所对应的特征吸收波长，并避免各组分之间的交叉干扰。

采用的差分吸收光谱方法引入参考波长，可以有效抑制光源输出光功率漂移给气体检测准确度所带来的影响。假设右边的球面发射镜上开孔2×n个，接入n个光束功率放大模块。由于对于同一波长，所用光纤放大器相同，且当功率值变化不大时光纤放大器对同一波长的增益变化较小，为常量。根据上述过程，当波长调制盘旋转到与参考波长λ₀对应的准直镜和滤光片镜组与红外宽带光源重合时，波长为λ₀的光束经过准直后以光强为I₀入射吸收气室，经过在气室两球面镜上的多次反射以及多次功率增益，当光束从气室内出射并到达光电探测器时，光束的功率I'₀为：

由于是参考波长，该光束在气室内不会被气室内待测气体吸收，光功率的损耗来源于光束本身的发散、气室球面反射镜对光束的杂散等因素，(1)式中的β₀描述了整个光束传输过程中由待测气体以外的因素所引起的光能损耗。G₀为光纤放大器单次对波长为λ₀的光束的增益，由于接入n个光功率放大模块，对光功率共放大n次，总共增益为

当波长调制盘旋转到与特征吸收波长λ_i对应的准直镜和滤光片镜组与红外宽带光源重合时，波长为λ_i的光束经过准直后以光强为I_i入射吸收气室，经过在气室两球面镜上的多次反射以及多次功率增益，当光束从气室内出射并到达光电探测器时，光束的功率I′_i为：

其中β_i描述了整个光束传输过程中由待测气体以外的因素所引起的光能损耗。G₁为光纤放大器单次对波长为λ_i的光束的增益，α_i为关于波长的常数，C_i为气室内待测气体浓度，L为光束在气室内传输的总光程。由于光功率放大模块的引入，无需顾虑长光程所造成的出射光功率过低导致探测器无法响应的问题，可以根据检测的需要加长光束在气室内传输的总光程L，实现对低浓度痕量气体组分的高灵敏度检测。根据公式(1)与公式(2)，可以得到波长为λ₀的出射光束功率与波长为λ_i的出射光束功率之比的自然对数值为：

对于相同的检测装置，G₀、G_i、β₀、β_i、L以及

均为常量，公式(3)可进一步整理为：

公式(4)描述了任意一种气体组分i的浓度值与其探测光束功率值与参考波长光束功率值的比值呈线性关系，其中a_i与b_i均为常数。检测前，对于任意一种气体组分i，分别通入气室中已知不同浓度组分i的标准气体进行检测，根据公式(4)计算得到a_i与b_i的值，即可完成对气体组分i的标定。针对所有待测气体组分，反复重复该过程，直至完成所有气体组分的标定。此后，对于某一未知待测气体，基于上述检测过程和公式(4)所描述的数量关系，通过检测各个特征波长λ_i所对应的I′_i最终可以反演得到未知气体中各个组分的浓度值，实现多组分气体的高灵敏度检测。

具体实施例

以对硫化氢(H₂S)和一氧化碳(CO)两种组分气体检测为例。针对硫化氢气体选择吸收特征波长为1578nm，针对一氧化碳气体选择吸收特征波长为1566.6nm，选择参考波长为1550nm。相应的，波长调制盘上开3孔，并分别安装中心波长为1578nm、1566.6nm以及1550nm的准直镜和滤光片镜组。该实施例中，系统装置接入2组光功率放大模块，每个放大模块中波分复用器的光纤通道与光纤放大器均为3个，分别对应波长1578nm、1566.6nm以及1550nm。相应的，在吸收池的右边反射镜上开4个孔，并分别放置第一组光功率放大模块中的光纤耦合镜与光纤准直镜、第二组光功率放大模块中的光纤耦合镜与光纤准直镜。两组光功率放大模块接入的方式使得红外宽带光源辐射出的光束之后第一次到达吸收池右边反射面时即被耦合进入第一组光功率放大模块中。从第一组光功率放大模块中出射的光束经过多次反射后进入第二组光功率放大模块。从第二组光功率放大模块出射的光束经过多次反射后出射气体吸收池。该实施例中，为了实现两种气体组分的高灵敏度检测，吸收池的总光程为40米，两种气体组分的检测下限在ppm量级(10^-6)。

进行检测前，先分别对硫化氢组分气体和一氧化碳组分气体进行标定。首先，先后向吸收气室内通入不同浓度的硫化氢标准气体(硫化氢与氮气的混合气体)，并分别获取1550nm与1578nm波长处的探测光强度，根据公式(4)计算得到a_H与b_H；然后，先后通入不同浓度的一氧化碳标准气体(一氧化碳与氮气的混合气体)，与硫化氢类似，根据公式(4)计算得到a_C与b_C。

检测开始时，气室内通入某一未知浓度的一氧化碳、硫化氢和氮气的混合气体。红外宽带光源开始辐射探测光束。微控制器首先向步进电机发送旋转命令，步进电机旋转的速度由命令指定，同时微控制器开始实时获取光电采集电路传输的信号。当与1550nm波长相对应的准直镜和滤光片镜组与红外宽带光源重合时，辐射出光能中波长为1550nm的成分被选择出来，并经过准直后射入气体吸收池。该光束的能量不会被气室中的待测气体吸收，光能的损耗来自于自身的发散、吸收池内的反射、光纤耦合等过程。当光束到达右边反射镜面时，穿过镜面上的开孔，并经过光纤耦合镜的会聚作用进入光纤，此后经过波分复用器进入与其波长相对应的光纤通道并进入相应波长的光纤放大器，光束功率得到相应的增益放大。此后光束从光纤放大器出射经波分复用器到达光纤准直镜。光纤准直镜将光纤内经过功率放大光束准直后再次射入气体吸收池内。该光束再次经过多次反射后进入第二组光功率放大模块中。其中光束传输方式、光功率的放大与在第一组光功率放大模块中的相同。该光束的准直光从第二组光功率放大模块中出射并再次进入气体吸收池内，再经过多次反射后到达光电探测器耦合镜。该耦合镜将光束会聚到光电探测器的光敏面之上并引发光电信号(如光电流、阻值变化等)。光电信号被光电采集电路获取、转化后传输给微控制器，微控制器将对该1550nm的光信号进行暂时保存。随着波长调制盘的继续转动，对应于1566.6nm的准直镜和滤光片镜组将与红外宽带光源重合，将1566.6nm成分的光束选出、初步准直后入射到气体吸收池内。此后，该光束在气体吸收池内的传输过程与上述1550nm的光束类似，只是在光功率放大模块中沿1566.6nm光纤通道传输并被相应波长的光纤放大器增益。随后，光电探测器将对1566.6nm的光束进行响应并引发光电信号，最终由微控制器获取。微控制器基于公式(4)与前述标定过程所得的a_C与b_C反演计算得到气室中一氧化碳气体组分的浓度值。随着波长调制盘的进一步转动，对应于1578nm的准直镜和滤光片镜组将与红外宽带光源重合，此后光束的传输、光束的探测以及硫化氢气体浓度值的反演与上述类似。

随着波长调制盘的持续转动，上述检测过程反复进行，从而实现了一氧化碳与硫化氢混合气体中一氧化碳组分与硫化氢组分的高灵敏度实时检测。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式,而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于包括：

窄带探测光束发射模块，用于发射待测气体组分特征吸收波长和参考波长的窄带探测光束到气体吸收池中，其中待测气体组分在该参考波长处无吸收特征；

气体吸收池，其容纳待测气体且包括一组反射镜，窄带探测光束在气体吸收池内的反射路径依次经过反射镜上的多个光束入射点；

至少一个光功率放大模块，包括光纤耦合镜、第一波分复用器、第二波分复用器、多个光纤放大器及光纤准直镜，其中光纤耦合镜穿设在反射镜上对应于一个光束入射点处，光纤耦合镜输入端为光功率放大模块输入端口，接收窄带探测光束，光纤耦合镜输出端连接至第一波分复用器输入端，第一波分复用器输出端分别连接至各光纤放大器输入端，所有光纤放大器输出端皆连接至第二波分复用器输入端，光纤准直镜穿设在反射镜上对应于反射路径中的后续光束入射点处，第二波分复用器输出端连接至光纤准直镜输入端，光纤准直镜输出端为光功率放大模块输出端口，光纤准直镜使经功率放大的窄带探测光束对准反射路径中的下一光束入射点射出，波分复用器的分光波长和光纤放大器的放大波长分别与窄带探测光束波长相对应；

光电探测模块，用于探测从气体吸收池出射的窄带光束，生成相应电信号；

控制器，用于对光电探测模块生成的电信号进行处理，得到气体吸收池内待测气体组分的浓度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，窄带探测光束发射模块包括宽带光源、步进电机和波长调制盘，其中宽带光源被配置成向气体吸收池辐射宽带探测光束，波长调制盘与步进电机机械连接，波长调制盘上开有多个开孔，在开孔处安装分别与待测气体组分特征吸收波长和参考波长相对应的准直镜和滤光片镜组，步进电机驱动波长调制盘旋转，使得准直镜和滤光片镜组依次与宽带光源重合，使与准直镜和滤光片镜组对应波长的窄带探测光束依次入射到气体吸收池中。

3.根据权利要求2所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，所述宽带光源为宽带红外光源。

4.根据权利要求1所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，气体吸收池为长光程气体吸收池。

5.根据权利要求1所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，所述至少一个光功率放大模块包括依次对窄带探测光束功率进行放大的两个以上光功率放大模块，其中，在后的光功率放大模块的光纤耦合镜在反射路径上的位置居于在前的光功率放大模块的光纤准直镜之后，使得自在前的光功率放大模块的光纤准直镜射出的窄带探测光束进入在后的光功率放大模块的光纤耦合镜。

6.根据权利要求1所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，光电探测模块包括光电探测器耦合镜、光电探测器和光电采集电路，光电探测器耦合镜与光电探测器光学耦合，光电探测器又电连接至光电采集电路，其中，光电探测器耦合镜将窄带光束会聚到光电探测器的光敏面，光电探测器响应出光电流信号或电压信号，该信号被光电采集电路采集、模/数转换。

7.根据权利要求1所述的基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置，其特征在于，控制器依据以下公式计算待测气体组分浓度C_i：

其中，I′₀为光电探测模块测得的参考波长探测光束的光功率，I′_i为光电探测模块测得的特征吸收波长探测光束的光功率，a_i与b_i均为常数。

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