CN110553987A - 一种气体检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气体检测方法及系统，包括：所述光路单元用于产生两路相同的光信号；所述气室单元被划分为两个相互隔离的参考气室和测量气室，所述参考气室内部密封有预设浓度的参考气体，测量气室与外界待测气体所在环境相通；所述两路相同的光信号分别进入所述参考气室和测量气室，所述两路光信号经过参考气室和测量气室的吸收后发生不同程度的衰减，所述参考气体与外界待测气体的种类相同；所述检测单元用于检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度。本发明减小由于光源光功率抖动和外界环境噪声引起的测量误差，提高系统的检测精度和灵敏度。

Description

一种气体检测方法及系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，更具体地，涉及一种气体检测方法及系统。

背景技术

目前的光纤气体传感器大多基于气体的光谱吸收原理。根据检测物理量的不同，可以分为两个大类：直接光谱吸收式和间接吸收式。直接光谱吸收式的光纤气体传感器，使用对应气体某一条或某一组吸收谱线的光源，直接探测经过气体吸收后光功率的变化，从而获得气体浓度。直接光谱吸收式光纤气体传感器的原理为：光源发出一束光，经过光纤入射到气体中，一部分光被气体吸收，通过探测器进行光电变换，再计算出气体浓度。

随着激光技术的发展，分布式反馈布拉格激光器(Distributed Feedback LaserDiode，DFB-LD)被研制出来并应用到了气体传感领域。DFB激光器有着非常好的单色性，线宽很窄，光功率集中，非常适合用作气体检测的光源。通过对DFB激光器进行波长和强度调制(TDLAS技术)，将经过调制后的激光入射到气体吸收气室内，由于待测气体在激光器中心波长存在着吸收光谱，因此激光会被吸收一部分，被吸收的激光强度与气体浓度存在着对应关系。通过光电转换将经过吸收后的光信号转换为电信号并利用锁相放大器等解调手段进行信号解调，最终可以得到气体的浓度信息。

传统的TDLAS技术由于激光器在使用时会受到外界环境的影响，导致激光器出射光的波长和强度都会发生抖动，从而导致最终解调出的气体浓度信息发生偏差。为了消除这种偏差，可以在系统中加入一个参考气室，该参考气室内部充满浓度为100％的待测气体，DFB光源发出的光被分为两路，同时经过待测气室和参考气室，当光源功率和波长发生抖动时，参考气室和待测气室两者同时受到影响，因此将两个气室最终解调出的信息进行差分除法之后可以消除光源功率抖动、波长漂移、外界温度变化等因素引起的测量误差。

因此，现有的光纤气体吸收探测系统所用到的测量气体吸收气室和参考气室体积较为庞大，且二者所处的物理环境可能不相同，会给探测带来误差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决有的光纤气体吸收探测系统所用到的测量气体吸收气室和参考气室体积较为庞大，且二者所处的物理环境可能不相同，会给探测带来误差的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种气体检测系统，包括：光路单元、气室单元以及检测单元；

所述光路单元用于产生两路相同的光信号；

所述气室单元被划分为两个相互隔离的参考气室和测量气室，所述参考气室内部密封有预设浓度的参考气体，测量气室与外界待测气体所在环境相通；所述两路相同的光信号分别进入所述参考气室和测量气室，所述两路光信号经过参考气室和测量气室的吸收后发生不同程度的衰减，所述参考气体与外界待测气体的种类相同；

所述检测单元用于检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度。

可选地，所述光路单元包括：单模光纤、多模光纤以及两根耦合光纤；

光源发出的光信号入射进入单模光纤，单模光纤的输出端与多模光纤的输入端连接；

所述多模光纤将所述光信号分成相同的两路，多模光纤的输出端与两根耦合光纤连接；

两根耦合光纤将多模光纤输出的两路光信号分别耦合到所述参考气室和测量气室。

可选地，所述检测单元包括两个PIN光电二极管和处理模块；

所述两个PIN光电二极管用于分别接收经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并将光信号转换为对应的电信号；

所述处理模块用于将参考气室对应的电信号作为差分信号对测量气室对应的电信号进行解调，消除由于光源光功率抖动和外界环境变化引起的测量误差，得到外界待测气体的浓度信息。

可选地，所述耦合光纤与参考气室或测量气室之间的缝隙通过密封胶进行密封处理。

第二方面，本发明提供一种气体检测方法，包括如下步骤；

产生两路相同的光信号；

将一个气室划分为两个相互隔离的参考气室和测量气室，所述参考气室内部密封有预设浓度的参考气体，测量气室与外界待测气体所在环境相通，所述参考气体与外界待测气体的种类相同；

将两路相同的光信号分别通入所述参考气室和测量气室，所述两路光信号经过参考气室和测量气室的吸收后发生不同程度的衰减；

检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度。

可选地，产生两路相同的光信号，具体通过如下步骤进行：

通过光源发出的光信号；

将所述光信号分成相同的两路；

将两路光信号分别耦合到所述参考气室和测量气室。

可选地，检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度，具体通过如下步骤进行；

分别接收经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并将光信号转换为对应的电信号；

将参考气室对应的电信号作为差分信号对测量气室对应的电信号进行解调，消除由于光源光功率抖动和外界环境变化引起的测量误差，得到外界待测气体的浓度信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的气体检测方法及系统，参考气室与测量气室集成在同一模块，当光源功率和波长发生抖动时，两个气室所处的物理环境相同，同时材料和结构基本一致，所受的环境抖动和气室侧壁吸收噪声也基本一致，对两路信号光作差分处理可以大大减小噪声带来的影响。因此参考气室的存在可以减小由于光源光功率抖动和外界环境噪声引起的测量误差，提高系统的检测精度和灵敏度。

本发明提供的气体检测方法及系统，参考气室与测量气室集成在同一模块上，节约系统空间，便于系统的小型化和便携化。

本发明提供的气体检测方法及系统，将光信号直接转换为电信号，减小额外的系统成本，有利于系统电路的精简。

附图说明

图1为本发明提供的气体探测系统架构图；

图2为本发明提供的气体探测系统测试外界气体浓度的系统原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为单模光纤，2为多模光纤，3为耦合光纤，4为测量气室，5为开孔，6为参考气室，7为PIN光电二极管，8为密封胶，9为激光器驱动模块，10为驱动DFB-LD，11为气室单元，12为信号处理电路，13为中央处理模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用一种内嵌式光纤气体吸收系统，将测量气体吸收气室与参考气室集成到同一模块内部，并将参考气室与测量气室隔离，保证参考气室与测量气室空间位置的一致性又不相互影响，这样可以解决参考气室与吸收气室的所处环境不同所带来的一系列问题，也便于系统实现集成化，小型化。

在气体吸收探测系统中除测量气室之外往往增设参考气室，在参考气室中存储的是浓度已知的待测气体，参考气室采用的是与吸收气室完全相同的气室以及外部密封装置。实验中将光信号分别通入参考气室和吸收气室，再将接收到的光信号进行差分处理有助于准确反演气体浓度信息。

然而参考气室的使用会让系统变得复杂，同时增加系统的成本，不利于系统的集成化和小型化。本发明在提出了一种将参考气室与测量气室集成在一起的吸收气室，在排除外界环境变化对于测量系统干扰的同时不增加系统的复杂度，可以大幅度提高TDLAS系统的测量精度和灵敏度。由于该气室内部集成了参考气室和吸收气室，十分有利于测量系统的小型化和便携化。

为解决传统TDLAS气体探测系统中光源光功率抖动和环境噪声对系统检测精度和灵敏度的影响，本发明提出了一种集成式吸收气室，该吸收气室由测量气室和参考气室组成，其中测量气室与外界环境相通，而参考气室内则密封有纯度为100％的待测气体。两个气室之间互不干扰，同时对于光源光功率抖动和外界环境噪声同样敏感，因此在后期的信号解调处理过程中以参考气室作为差分信号，即可有效的减小系统噪声，提高系统的检测精度和灵敏度。

本发明提出的吸收气室由三个部分组成：光路部分、气室部分和光电转换部分。

其中光路部分由输入光纤、多模光纤以及耦合光纤组成。单模光纤将DFB-LD发出的调制光信号传输至多模光纤中，在多模光纤中由于多模干涉效应，调制光信号将会分为两路，并通过耦合光纤分别耦合进入参考气室和测量气室内部。

气室部分由参考气室和测量气室组成。其中参考气室内部密封有100％浓度的待测气体，测量气室则在气室外壁出开孔以便与外界环境相通。当调制光信号进入气室内部之后，由于气体对于特定波长的光信号会有吸收，因此两个气室内部的光信号将会发生不同程度的衰减。

光电转换部分由两个相同的PIN光电二极管组成。经过气体吸收之后的光信号由PIN二极管接收，并转换为电信号，最终该电信号将会传递给系统电路，并解调出具体的气体浓度信息。

图1为本发明提供的气体探测系统结构图。如图1所示，光源发出的光信号入射进入单模光纤1，经由多模光纤2后，由于多模干涉效应，光源发出的光信号将会被分为两路，经过耦合光纤3后分别被耦合进入测量气室4和参考气室6内部。耦合光纤3与参考气室6和测量气室4之间的缝隙由密封胶8进行密封处理。测量气室4内壁上存在着开孔5，因此气室内部的待测气体浓度与外界一致。而参考气室6内部密封有100％浓度的待测气体。经过气体吸收之后的两路光信号被PIN光电二极管7接收，并转换为电信号。最终得到的电信号将送入下级电路进行解调处理，并得出最终测试得到的气体浓度。

图2为利用本发明提出的吸收气室测试外界气体浓度的系统原理图。如图2所示，该系统由5个模块组成。当系统开始工作时，中央控制模块13将会给激光器驱动模块9提供驱动信号，从而驱动DFB-LD 10，DFB-LD发出经过调制的光信号至吸收气室11；光信号在吸收气室内被分为两路，并分别经过气体吸收之后转换为电信号。电信号被信号处理电路12采集并进行解调处理，最终经过解调后的信号将会送入中央处理模块13进行浓度反演计算，得到待测气体的浓度信息。

结合图1和图2，下面将具体说明该吸收气室的工作方式。

利用TDLAS技术探测气体浓度时，需要对光源光信号进行调制，因此在中央控制模块中首先需要产生一个调制信号，一般为高频的正弦波信号，同时还需要产生一个扫描信号实现光源波长的实时变化。波长的变化范围需要覆盖待测气体的光谱吸收峰。利用调制信号，光源驱动模块将会对DFB-LD进行调制，最终发出与调制信号变换趋势相同的光信号。该光信号被送入吸收气室内部。由于多模干涉效应，经过调制的光信号被分为两路，分别耦合进入参考气室和测量气室。参考气室内部密封有100％浓度的待测气体，而测量气室由于开孔的存在，气室内部气体的浓度与外界环境相同。由于光信号的波长变化范围覆盖了气体的光谱吸收峰，因此待测气体的存在将会导致光信号的衰减，并且衰减的程度与气体浓度相关。经过气体吸收之后的光信号将会被PIN光电二极管接收，并转换为电信号。最终得到的两路电信号被信号处理模块采集并进行处理。在系统的测量过程中，无论是光源光功率的抖动还是外界环境变化引起的系统噪声，对参考气室和测量气室造成的影响都是一致的，因此将参考气室得到的信号作为差分信号对测量气室得到的信号进行解调即可消除由于光源光功率抖动和外界环境变化引起的测量误差，得到最终气体的浓度信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气体检测系统，其特征在于，包括：光路单元、气室单元以及检测单元；

所述光路单元用于产生两路相同的光信号；

所述气室单元被划分为两个相互隔离的参考气室和测量气室，所述参考气室内部密封有预设浓度的参考气体，测量气室与外界待测气体所在环境相通；所述两路相同的光信号分别进入所述参考气室和测量气室，所述两路光信号经过参考气室和测量气室的吸收后发生不同程度的衰减，所述参考气体与外界待测气体的种类相同；

所述检测单元用于检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述气体检测系统，其特征在于，所述光路单元包括：单模光纤、多模光纤以及两根耦合光纤；

光源发出的光信号入射进入单模光纤，单模光纤的输出端与多模光纤的输入端连接；

所述多模光纤将所述光信号分成相同的两路，多模光纤的输出端与两根耦合光纤连接；

两根耦合光纤将多模光纤输出的两路光信号分别耦合到所述参考气室和测量气室。

3.根据权利要求1所述气体检测系统，其特征在于，所述检测单元包括两个PIN光电二极管和处理模块；

所述两个PIN光电二极管用于分别接收经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并将光信号转换为对应的电信号；

所述处理模块用于将参考气室对应的电信号作为差分信号对测量气室对应的电信号进行解调，消除由于光源光功率抖动和外界环境变化引起的测量误差，得到外界待测气体的浓度信息。

4.根据权利要求1所述气体检测系统，其特征在于，所述耦合光纤与参考气室或测量气室之间的缝隙通过密封胶进行密封处理。

5.一种气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤；

产生两路相同的光信号；

将一个气室划分为两个相互隔离的参考气室和测量气室，所述参考气室内部密封有预设浓度的参考气体，测量气室与外界待测气体所在环境相通，所述参考气体与外界待测气体的种类相同；

将两路相同的光信号分别通入所述参考气室和测量气室，所述两路光信号经过参考气室和测量气室的吸收后发生不同程度的衰减；

检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度。

6.根据权利要求5所述气体检测方法，其特征在于，产生两路相同的光信号，具体通过如下步骤进行：

通过光源发出的光信号；

将所述光信号分成相同的两路；

将两路光信号分别耦合到所述参考气室和测量气室。

7.根据权利要求5所述气体检测方法，其特征在于，检测经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并根据两路光信号的强度和参考气体的浓度确定所述外界待测气体的浓度，具体通过如下步骤进行；

分别接收经过参考气室和测量气室吸收后的两路光信号，并将光信号转换为对应的电信号；

将参考气室对应的电信号作为差分信号对测量气室对应的电信号进行解调，消除由于光源光功率抖动和外界环境变化引起的测量误差，得到外界待测气体的浓度信息。