CN110987869A - 一种集成式光纤气体检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成式光纤气体检测系统及方法，属于光纤气体检测领域，信号源驱动模块用于产生连续变化的周期性电流；激光器用于在不同大小的电流驱动下产生不同波长的初始激光光束；温度控制模块，用于控制激光器内部温度；待测气体吸收初始激光光束，输出目标激光光束；分光器件用于将目标激光光束分为光强相等的激光光束D1和激光光束D2；参考气室内已知浓度的气体吸收激光光束D2，输出参考激光光束；第一光电探测器将激光光束D1转换为第一电信号；第二光电探测器将参考激光光束转换为第二电信号；信号处理模块根据第一电信号和第二电信号，计算待测气体的浓度；本发明不仅避免了破坏待测气室的结构完整性，同时制造工艺简单，易集成。

Description

一种集成式光纤气体检测系统及方法
技术领域
本发明属于光纤气体检测领域，更具体地，涉及一种集成式光纤气体检测系统及方法。
背景技术
可调谐半导体激光器光谱吸收技术(TDLAS)技术从比尔-朗伯定理出发，利用气体在某些特定的波段会吸收光强的特性来展开研究。利用低频的锯齿波或三角波做扫描信号,实现激光器的波长扫描。在扫描信号上加载高频的调制信号，以此驱动窄线宽激光器，经过气体吸收之后激光强度发生衰减，该强度变化被光电探测器探测到并通过电路提取出来；气体浓度信息的获取通过测量正弦调制信号的一次谐波峰峰值或二次谐波峰值来实现。
然而，现有的基于TDLAS技术的带参考气室的集成式光纤气体传感器通常会采用分光器件对激光分束，分光器件需要加载在待测气室上，从而会破坏待测气室结构，且造成制造工艺复杂等问题，同时在温度压强改变，背景气体复杂多变的测量环境下，气体吸收谱线的线型偏移和与展宽、激光器中心波长的漂移、光源功率抖动以及模拟电子元器件性能变化是必然发生的，这将直接导致检测准确度和示值稳定性的劣化，使原先已标定好的气体传感失灵。目前工程实践中一般采用重新标定和部件更换等方法，尚没有好的解决方案，并未从原理机制和系统结构上解决此类问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种集成式光纤气体检测系统及方法，旨在解决现有的因分光器件需加载在待测气室上从而破坏原有的待测气室结构且造成制造工艺复杂的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种集成式光纤气体检测系统，包括：信号源驱动模块、激光器、温度控制模块、光纤、待测气室、分光器件、第一光电探测器、参考气室、第二光电探测器和信号处理模块；
信号源驱动模块的输出端与激光器的输入端连接；激光器输出的激光光束通过光纤传递至待测气室的输入端；待测气室输出的目标激光光束通过光纤传递至分光器件；第一光电探测器位于激光光束D1传播方向；参考气室位于激光光束D2的传播方向；第二光电探测器位于激光光束D2出射的方向；第一光电探测器的输出端和第二光电探测器的输出端均连接至信号处理模块；
信号源驱动模块用于产生不同幅值的低频扫描信号和固定幅值的高频调制信号，且将低频扫描信号和高频调制信号叠加输出后转换为恒流源输出；激光器用于在不同大小的恒流源驱动下产生对应波长的初始激光光束；待测气室内待测气体吸收初始激光光束，输出目标激光光束；分光器件用于将目标激光光束分为光强相等的激光光束D1和激光光束D2；参考气室内已知浓度的气体吸收激光光束D2，输出参考激光光束；第一光电探测器将激光光束D1转换为第一电信号；第二光电探测器用于将参考激光光束转换为第二电信号；信号处理模块根据接收的第一电信号和第二电信号计算待测气体的浓度；温度控制模块用于控制激光器内部温度，保证输出波长的稳定性；-
其中，目标激光光束为带有待测气体浓度信息的激光光束；初始激光光束的波长覆盖待测气体的吸收光谱。
优选地，集成式光纤气体检测系统还包括温度压力传感器，其输出端与信号处理模块的输入端连接，用于实时监测待测气室环境内的温度和压强；
优选地，信号源驱动模块产生幅值从低到高的低频扫描信号，对应获取从小到大的驱动电流信号；低频扫描信号的频率为1Hz～50Hz；高频调制信号的频率为：100Hz～100kHz。
优选地，低频扫描信号为锯齿波或三角波；
优选地，高频调制信号为正弦信号；
优选地，待测气室内设置准直器、平面反射镜、凹面反射镜和光纤接头。
优选地，分光器件为分光棱镜或分束器。
另一方面，本发明提供了一种集成式光纤气体检测方法，包括：
(1)采用不同大小的电流驱动激光器产生不同波长的初始激光光束；
(2)待测气体吸收初始激光光束，获取目标激光光束；
(3)将目标激光光束分束成光强相等的激光光束D1和激光光束D2；
(4)已知浓度的气体吸收激光光束D2，产生参考激光光束；
(5)将激光光束D1转换为第一电信号，且将参考激光光束转换为第二电信号；
(6)根据第一电信号和第二电信号，计算待测气体的浓度。
优选地，高频调制信号为正弦信号。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明将分光器件设置在待测气室输出的目标激光光束传播的方向，而并不是将分光器件设置在待测气室上，避免了在待测气室中安装分光器件进而破坏待测气室结构，且增加制造工艺的复杂性。
(2)本发明提供自带分光器件的第一光电探测器，更易于集成式光纤气体检测系统的集成，实现便携式的在线实时检测。
(3)本发明提供自带参考气室的第二光电探测器，更易于实现集成式光纤气体检测系统的集成，实现便携式的在线实时检测。
(4)本发明采用参考气室，借助参考激光光束对待测信号进行比值归一化，消除激光器输出功率和波长的变化对气体检测结果的影响。
(5)本发明针对温度和压强对气体吸收谱线的线强度、谱线宽度的影响，采用温度压力传感器监控反馈，建立温度压强的实时检测和反馈补偿方法，以适用于在不同环境的测量。
(6)待测气室集成准直器、平面反射镜、凹面反射镜和标准光纤接头等，增强待测气室的机械稳定性、体积小，易于集成。
附图说明
图1是本发明提供的一种集成式光纤气体检测系统的结构示意图；
标记说明：
1-信号源驱动模块；2-激光器；3-温度控制模块；4-光纤；5-待测气室；6-温度压力传感器；7-分光器件；8-第一光电探测器；9-参考气室；10-第二光电探测器；11-信号处理模块。
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。
一方面，本发明提供了一种集成式光纤气体检测系统，包括：信号源驱动模块1、激光器2、温度控制模块3、光纤4、待测气室5、分光器件7、第一光电探测器8、参考气室9、第二光电探测器10和信号处理模块11；
信号源驱动模块1的输出端与激光器2的输入端连接；激光器2输出的激光光束通过光纤4传递至待测气室5的输入端；待测气室5输出的目标激光光束通过光纤4传递至分光器件7；第一光电探测器8位于激光光束D1传播方向；参考气室9位于激光光束D2的传播方向；第二光电探测器10位于激光光束D2出射的方向；第一光电探测器8的输出端和第二光电探测器10的输出端均连接至信号处理模块11；
信号源驱动模块1用于产生不同幅值的低频扫描信号(1-50Hz)和固定幅值高频调制信号，且将低频扫描信号和高频调制信号叠加输出后转换为恒流源输出(连续变化的周期性电流)；激光器2用于在不同大小的恒流源驱动下产生对应波长的初始激光光束；待测气室5内待测气体吸收初始激光光束，输出目标激光光束；分光器件7用于将目标激光光束分为光强相等的激光光束D1和激光光束D2；参考气室9内已知浓度的气体吸收激光光束D2，输出参考激光光束；第一光电探测器8将激光光束D1转换为第一电信号；第二光电探测器10用于将参考激光光束转换为第二电信号；信号处理模块11根据接收的第一电信号、第二电信号与高频调制信号，计算待测气体的浓度；温度控制模块，用于控制激光器内部温度，保证输出波长的稳定性；
其中，目标激光光束为带有待测气体浓度信息的激光光束；初始激光光束的波长覆盖待测气体的吸收光谱。
优选地，集成式光纤气体检测系统还包括温度压力传感器6，其输出端与信号处理模块的输入端连接，用于实时监测待测气室环境内的温度和压强；
优选地，信号源驱动模块1产生幅值从低到高的低频扫描信号，对应获取从小到大的驱动电流信号；低频扫描信号的频率为1Hz～50Hz；高频调制信号的频率为：100Hz～100kHz。
优选地，低频扫描信号为锯齿波或三角波；
优选地，高频调制信号为正弦信号；
优选地，待测气室5内设置准直器、平面反射镜、凹面反射镜和光纤接头。
优选地，分光器件为分光棱镜或分束器。
具体地，信号源驱动模块1产生驱动激光器的电流，该电流信号由低频扫描信号和高频调制信号叠加而成，低频扫描信号一般采用锯齿波或三角波，实现激光器的波长扫描；高频调制信号一般采用正弦信号，携带气体浓度信息。
具有温度控制模块3的窄线宽激光源，发射出被待测气体高度吸收的初始激光束，其输出波长会随驱动电流而产生规律性变化，以覆盖待测气体的吸收峰。
待测气室5采用光纤结构的小型测量气室，集成了准直器、平面反射镜、凹面反射镜和标准光纤接头等，气室结构稳定抗震、体积小，易于集成。
具有一定待测气体浓度的微型参考气室9用来校准系统输出，由于激光器输出功率抖动和波长的漂移严重影响系统稳定性，所以借助参考信号对待测信号进行比值归一化，可以消除此影响。
代替传统的光耦合器分光，本发明采用具有50％分光比例的分光器件7，可以降低成本，简化系统结构，并且棱镜与光电探测器紧密集成，使系统更加小型化。
集成式光纤气体检测装置还包括温度压力传感器6，将温度压力传感器6和待测气室5放置在一起，以探测待测气体所处环境的温度和压强，再将探测信息反馈至处理器，进行温度和压强的补偿。
信号处理模块11通过提取两路被气体吸收后所产生的谐波信号，并将两路信号进行比对后，将准确的浓度信息显示。
另一方面，本发明提供了一种集成式光纤气体检测方法，包括：
(1)采用不同大小的电流驱动激光器产生不同波长的初始激光光束；
(2)待测气体吸收初始激光光束，获取目标激光光束；
(3)将目标激光光束分束成光强相等的激光光束D1和激光光束D2；
(4)已知浓度的气体吸收激光光束D2，产生参考激光光束；
(5)将激光光束D1转换为第一电信号，且将参考激光光束转换为第二电信号；
(6)根据第一电信号、第二电信号与高频调制信号，计算待测气体的浓度。
优选地，高频调制信号为正弦信号。
实施例
信号源驱动模块1产生幅值从低到高的低频扫描信号和高频调制信号；低频扫描信号和高频调制信号叠加后转换为电流从小到大的恒流源输出，恒流源驱动激光器2发射激光光束，激光光束的波长可覆盖待测气体的吸收光谱；同时为了使输出的激光光束波长不受温度的影响，添加温度控制模块3保证激光光束输出波长的稳定性；产生的激光光束将会经由光纤4直接传输至待测气室5，待测气室5内置准直器和反射镜，提高光耦合效率，并增加有效光程；待测气室中的气体吸收激光光束，产生带有气体浓度信息的激光光束；同时在待测气室5附近设置有温度压力传感器，用于监测待测气室环境内的温度和压强，并反馈给信号处理模块11进行补偿；产生的带有气体浓度信息的激光光束被分光器件7分成等光强的两束激光，分别为激光管光束D1和激光光束D2；激光光束D1被第一光电探测器8接收；激光光束D2通过光纤或者空间光束进入参考气室后，再次被已知浓度的气体吸收后被第二光电探测器接收；分光器件7和第一光电探测器8一体化，参考气室9和第二光电探测器10一体化，分光器件7、第一光电探测器8、参考气室9和第二光电探测器10可以封装在一起，既可以保证光路的稳定性，又可以使集成式光纤气体检测系统更加小型化，信号处理模块11接收经过第一光电探测器8和经过第二光电探测器9的两路电信号，结合高频调制信号，计算获取待测气体的浓度。
综上所述，本发明将分光器件设置在待测气室输出的目标激光光束传播的方向，而并不是将分光器件设置在待测气室上，避免了在待测气室中安装分光器件进而破坏待测气室结构，且增加制造工艺的复杂性。
本发明提供自带分光器件的第一光电探测器，相比于采用光耦合器分光，棱镜分光更易于集成式光纤气体检测系统的集成，实现便携式的在线实时检测。
本发明采用参考气室，借助参考激光光束对待测信号进行比值归一化，消除激光器输出功率和波长的变化对气体检测结果的影响。
本发明针对温度和压强对气体吸收谱线的线强度、谱线宽度的影响，采用温度压力传感器监控反馈，建立温度压强的实时检测和反馈补偿方法，以适用于在不同环境的测量。
待测气室集成准直器、平面反射镜、凹面反射镜和标准光纤接头等，使得待测气室结构稳定抗震、体积小，易于集成。
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 (9)

1.一种集成式光纤气体检测系统，其特征在于，包括：信号源驱动模块(1)、激光器(2)、温度控制模块(3)、光纤(4)、待测气室(5)、分光器件(7)、第一光电探测器(8)、参考气室(9)、第二光电探测器(10)和信号处理模块(11)；
所述信号源驱动模块(1)用于产生连续变化的周期性电流；所述激光器(1)用于在电流驱动下产生不同波长的初始激光光束；所述待测气室(5)内待测气体吸收初始激光光束，输出目标激光光束；所述分光器件(7)用于将目标激光光束分为光强相等的激光光束D1和激光光束D2；所述参考气室(9)内已知浓度的气体吸收激光光束D2，输出参考激光光束；所述第一光电探测器(8)将激光光束D1转换为第一电信号；所述第二光电探测器(10)将参考激光光束转换为第二电信号；所述信号处理模块(11)根据第一电信号、第二电信号，计算待测气体的浓度；温度控制模块(3)，用于控制激光器(2)内部温度，保证输出波长的稳定性；
所述信号源驱动模块(1)的输出端与激光器(2)的输入端连接；初始激光光束通过光纤(4)传递至所述待测气室(5)的输入端；目标激光光束通过光纤(4)传递至所述分光器件(7)；所述第一光电探测器(8)位于激光光束D1传播方向；所述参考气室(9)位于激光光束D2的传播方向；所述第二光电探测器(10)位于激光光束D2出射的方向；所述第一光电探测器(8)的输出端和所述第二光电探测器(10)的输出端均连接至所述信号处理模块(11)；
其中，所述目标激光光束为带有待测气体浓度信息的激光光束；所述初始激光光束的波长覆盖待测气体的吸收光谱。
2.根据权利要求1所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，还包括温度压力传感器(6)，其输出端与信号处理模块(11)的输入端连接，用于实时检测待测气室(5)环境内的温度和压强。
3.根据权利要求1所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述信号源驱动模块(1)产生幅度从低到高的低频扫描信号，并加载高频调制信号，对应获取从小到大的驱动电流信号；所述低频扫描信号的频率为1Hz～50Hz；所述高频调制信号的频率为：100Hz～100kHz。
4.根据权利要求1或3所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述低频扫描信号为锯齿波或三角波。
5.根据权利要求1所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述高频调制信号为正弦信号。
6.根据权利要求1所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述待测气室(5)内设置准直器、平面反射镜、凹面反射镜和光纤接头。
7.根据权利要求1至3任一所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述分光器件为分光棱镜或分束器。
8.一种集成式光纤气体检测方法，其特征在于，包括：
(1)采用不同大小的电流驱动激光器产生不同波长的初始激光光束；
(2)待测气体吸收初始激光光束，获取目标激光光束；
(3)将目标激光光束分束成光强相等的激光光束D1和激光光束D2；
(4)已知浓度的气体吸收激光光束D2，产生参考激光光束；
(5)将激光光束D1转换为第一电信号，且将参考激光光束转换为第二电信号；
(6)根据第一电信号和第二电信号，计算待测气体的浓度。
9.根据权利要求8所述的集成式光纤气体检测系统，其特征在于，所述高频调制信号为正弦信号。
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