CN113125380B - 基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法 - Google Patents

基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于波分复用技术的多组分痕量气在线体检测装置和方法，衰荡腔内通入含有m种组分的待测气体，激光控制中心控制m个可调谐激光器发出波长为λm激光信号，多路激光信号经合波器后合成一束激光信号，合束后的激光信号经光分束器分为能量比为99:1的两束激光信号，99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后传输到分波器，中央数据处理及控制中心使经分波器分波后的多路激光信号按照特定频率依次通过，并经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光学系统共振；1％能量的激光信号传输到校准系统中，并根据波长与之一一对应；光电转换器捕捉校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，光电探测器捕捉激光信号，并将捕捉信息传输到中央数据处理及控制中心，得到衰荡时间，计算待组分测气体浓度。

Description

基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法。
背景技术
随着石油、煤炭、化工、汽车等工业的不断发展，人类生产活动过程中产生了大量污染环境、有毒有害、易燃易爆的废气。这些气体虽然浓度很低，但对人类健康、大气环境等均有不同程度的影响。为了降低废气对于人体健康的危害，需要实时监测多组分的有害气体并保护人类的生存环境，保障企业安全稳定生产。
而目前的气体浓度检测方法不但仅能检测单一气体浓度，而且存在灵敏度低、响应速度慢、稳定性差、不能在线检测等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置和方法，相对于现有的检测方法，具有灵敏度高、响应速度快、准确性高、稳定性强、能在线检测等优点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置，其包括：
激光控制中心、至少一个可调谐激光器、保偏光纤、掺铒保偏光纤、至少一个光开关、光分束器、光隔离器、光纤准直器、光衰荡腔、至少一个分波器、光电探测器、中央数据处理及控制中心、泵浦源、特征吸收谱线校准系统和光电转换器。
其中，所述光纤准直器由光纤和准直透镜组成。
其中，所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统。
其中，所述透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。
其中，所述光衰荡腔中的光学系统由一对反射率高达0.99999的高反镜组成，并满足稳定腔条件。
本发明还提供采用上述在线检测装置进行多组分痕量气体测量方法，其包括：
第一步，在光衰荡腔内通入一种含多种杂质组分的待测气体；
第二步，激光控制中心控制可调谐激光器发出的激光信号波长λm，使得波长λm为待测组分气体特征吸收峰所对应波长；
第三步，波长为λm的多路激光信号经合波器后合成一束激光信号；
第四步，可选择的，若可调谐激光器发出的激光信号能量小于10mW，根据使用要求，需要在合波器位置处接入泵浦源，并且在合波器与第一分波器之间的任一光纤位置，将保偏光纤连接改为掺铒保偏光纤，实现光功率放大；
第五步，合束后的激光信号经光分束器分为能量比为99∶1的两束激光信号；
第六步，99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后传输到分波器；
第七步，激光信号经第一分波器后，分为波长为λm的多路激光信号，经保偏光纤传输到第一光开关；
第八步，中央数据处理及控制中心通过调控光开关使波长为λm的多路激光信号按照特定频率依次通过，经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光衰荡腔中光学系统共振；
第九步，1％能量的激光信号经保偏光纤传输到第二分波器，并经第二分波器分为波长为λm的多路激光信号，最终耦合到测气体特征吸收谱线校准系统中，并根据波长与之一一对应；
第十步，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，中央数据处理及控制中心根据校准信息控制激光控制中心调整可调谐激光器发出激光信号的波长，进行自校准；
第十一步，光电探测器实时捕捉从光衰荡腔中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心，得到激光信号的衰荡时间得到激光信号的衰荡时间τm，τ0m，并根据波长一一对应；
第十二步，测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为
其中Nm为待测气体浓度，τm为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0m为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λm)分别为待测气体特征吸收峰对应的吸收截面。
所述多种杂质组分的数量m≥3。
所述可调谐激光器的数量与杂质组分数量一致。
本发明的有益效果
本发明的检测方法灵敏度高，响应速度快，准确性高，稳定性强等优点，可实现多组分痕量气体在线检测，且在检测时利用待测气体特征吸收谱线校准系统可进行自校准，实用性强。
附图说明
图1为检测装置的结构示意图；
1、激光控制中心；2、第一激光器；3、保偏光纤；4、合波器；5、光分束器；6、光隔离器；7、光纤准直器；8、光衰荡腔；9、第一分波器；10、掺铒保偏光纤；11、高反镜；12、第二分波器；13、第一光开关；14、泵浦源；17、光电探测器；18、中央数据处理及控制中心；19、第二光开关；20、特征吸收谱线校准系统；21、光电转换器；22、第三激光器；23第二激光器。
具体实施方式
本发明提供一种基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置，其包括：
激光控制中心、至少一个可调谐激光器、保偏光纤、掺铒保偏光纤、至少一个光开关、光分束器、光隔离器、光纤准直器、光衰荡腔、至少一个分波器、光电探测器、中央数据处理及控制中心、泵浦源、特征吸收谱线校准系统和光电转换器。
所述激光控制中心与多个可调谐激光器电连接；所述光电探测器与中央数据处理及控制中心电连接；所述激光控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；所述多个光开关与中央数据处理及控制中心电连接；保偏光纤、掺铒保偏光纤、光分束器、光隔离器、光纤准直器机械连接；所述压力控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；所述光电探测器与光电转换器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器、分波器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器与泵浦源电连接。
其中，所述光纤准直器由光纤和准直透镜组成，所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统；所述透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。
其中，所述光衰荡腔中的光学系统由一对反射率高达0.99999的高反镜组成，并满足稳定腔条件，高反镜机械固定于光衰荡腔中。
本发明还提供采用上述在线检测装置进行多组分痕量气体测量方法，其包括：
第一步，在光衰荡腔内通入一种含多种杂质组分的待测气体；
第二步，激光控制中心控制可调谐激光器发出的激光信号波长λm，使得波长λm为待测组分气体特征吸收峰所对应波长；
第三步，波长为λm的多路激光信号经合波器后合成一束激光信号；
第四步，可选择的，若可调谐激光器发出的激光信号能量小于10mW，根据使用要求，需要在合波器位置处接入泵浦源，并且在合波器与第一分波器之间的任一光纤位置，将保偏光纤连接改为掺铒保偏光纤，实现光功率放大；
第五步，合束后的激光信号经光分束器分为能量比为99∶1的两束激光信号；
第六步，99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后传输到分波器；
第七步，激光信号经第一分波器后，分为波长为λm的多路激光信号，经保偏光纤传输到第一光开关；
第八步，中央数据处理及控制中心通过调控光开关使波长为λm的多路激光信号按照特定频率依次通过，经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光衰荡腔中光学系统共振；
第九步，1％能量的激光信号经保偏光纤传输到第二分波器，并经第二分波器分为波长为λm的多路激光信号，最终耦合到测气体特征吸收谱线校准系统中，并根据波长与之一一对应；
第十步，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，中央数据处理及控制中心根据校准信息控制激光控制中心调整可调谐激光器发出激光信号的波长，进行自校准；
第十一步，光电探测器实时捕捉从光衰荡腔中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心，得到激光信号的衰荡时间得到激光信号的衰荡时间τm，τ0m，并根据波长一一对应；
第十二步，测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为
其中Nm为待测气体浓度，τm为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0m为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λm)分别为待测气体特征吸收峰对应的吸收截面。
所述多种杂质组分的数量m≥3。
所述可调谐激光器的数量与杂质组分数量一致。
以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
图1展示了基于波分复用技术的多组分痕量气体在线检测装置，以检测含有3种组分(m＝3)的待测气体为例，其采用如下方法进行多组分痕量气体在线检测。
首先在衰荡腔内通入含有3种组分的待测气体，激光控制中心控制3(m＝3)个可调谐激光器发出波长为λ1、λ2、λ3的激光信号，波长λ1、λ2、λ3为3种组分气体特征吸收峰所对应波长；
波长为λ1、λ2、λ3的激光信号经过保偏光纤3传输到合波器4，波长为λ1、λ2、λ3的激光信号经合波器4后合并成一束光信号，经掺铒保偏光纤10传输到分束器5；若波长为λ1、λ2、λ3的激光信号能量偏低不满足测量时，在合束的过程中，将泵浦源14通过合波器4注入到光纤中，并在掺铒保偏光纤10位置处对波长为λ1、λ2、λ3的激光信号能量进行整体放大；
合束后的激光信号通过光分束器5分为能量比为99∶1的两束激光信号，(其中保偏光纤3设置为了保证激光信号偏振方向不变，提高相干信噪比，以提高精度)，99％能量的激光信号经保偏光纤3传输到光隔离器6，99％能量的激光信号通过光隔离器6后经分波器9分为波长为λ1、λ2、λ3的多路激光信号，经保偏光纤传输到第一光开关13；
中央数据处理及控制中心18通过调控第一光开关13使波长为λ1、λ2、λ3的多路激光信号按照特定频率依次通过，经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光衰荡腔中光学系统共振；
光衰荡腔中的光学系统由一对反射率高达0.99999的高反镜11组成，并满足稳定腔条件；
1％能量的激光信号经保偏光纤3传输到第二分波器12，并经第二分波器分为波长为λ1、λ2、λ3的多路激光信号，中央数据处理及控制中心18通过调控第二光开关19使波长为λ1、λ2、λ3的多路激光信号分别耦合到特征吸收谱线校准系统20中，并根据波长与之一一对应；
光电转换器21实时捕捉特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心18，中央数据处理及控制中心18根据校准信息控制激光控制中心1调整可调谐激光器2、23、22发出激光信号的波长，进行自校准；
光电探测器17实时捕捉从光衰荡腔8中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心18，得到激光信号的衰荡时间τm、τ0m，并根据波长一一对应；
根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为
其中N1、N2、N3为3种气体组分的浓度，τ1、τ2、τ3为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ01、τ02、τ03为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λ1)、σ(λ2)、σ(λ3)分别为待测气体特征吸收峰对应的吸收截面。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种多组分痕量气体测量方法，所采用的多组分痕量气体在线检测装置，包括：激光控制中心、至少一个可调谐激光器、保偏光纤、掺铒保偏光纤、至少一个光开关、光分束器、光隔离器、光纤准直器、光衰荡腔、高反镜、至少一个分波器、光电探测器、中央数据处理及控制中心、泵浦源、特征吸收谱线校准系统和光电转换器，其特征在于，包括：
第一步，在光衰荡腔内通入一种含多种杂质组分的待测气体；
第二步，激光控制中心控制可调谐激光器发出的激光信号波长λm，使得波长λm为待测组分气体特征吸收峰所对应波长；
第三步，波长为λm的多路激光信号经合波器后合成一束激光信号；
第四步，可选择的，若可调谐激光器发出的激光信号能量小于10mW，根据使用要求，需要在合波器位置处接入泵浦源，并且在合波器与第一分波器之间的任一光纤位置，将保偏光纤连接改为掺铒保偏光纤，实现光功率放大；
第五步，合束后的激光信号经光分束器分为能量比为99：1的两束激光信号；
第六步，99％能量的激光信号经保偏光纤传输到光隔离器，99％能量的激光信号通过光隔离器后传输到分波器；
第七步，激光信号经第一分波器后，分为波长为λm的多路激光信号，经保偏光纤传输到第一光开关；
第八步，中央数据处理及控制中心通过调控光开关使波长为λm的多路激光信号按照特定频率依次通过，经光纤准直器准直后耦合到光衰荡腔中并与光衰荡腔中光学系统共振；
第九步，1％能量的激光信号经保偏光纤传输到第二分波器，并经第二分波器分为波长为λm的多路激光信号，最终耦合到测气体特征吸收谱线校准系统中，并根据波长与之一一对应；
第十步，光电转换器实时捕捉待测气体特征吸收谱线校准系统中的校准信息并传输到中央数据处理及控制中心，中央数据处理及控制中心根据校准信息控制激光控制中心调整可调谐激光器发出激光信号的波长，进行自校准；
第十一步，光电探测器实时捕捉从光衰荡腔中透射出来的激光信号，实时监测激光信号的能量在光衰荡腔中变化情况，并将监测到的信息经光电转换后传输到中央数据处理及控制中心，得到激光信号的衰荡时间得到激光信号的衰荡时间τm，τ0m，并根据波长一一对应；
第十二步，测得衰荡时间后，根据朗伯比尔定律可以计算出待测气体的浓度为
其中Nm为待测气体浓度，τm为有待测气体吸收时测得的衰荡时间，τ0m为无待测气体吸收时测得的衰荡时间，c为光速，σ(λm)分别为待测气体特征吸收峰对应的吸收截面。
2.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述激光控制中心与多个可调谐激光器电连接；所述光电探测器与中央数据处理及控制中心电连接；所述激光控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；多个光开关与中央数据处理及控制中心电连接；保偏光纤、掺铒保偏光纤、光分束器、光隔离器、光纤准直器机械连接；压力控制中心与中央数据处理及控制中心电连接；所述光电探测器与光电转换器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器、分波器与中央数据处理及控制中心电连接；合波器与泵浦源电连接。
3.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述光纤准直器由光纤和准直透镜组成。
4.如权利要求3所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述准直透镜可为C-lens透镜、自聚焦透镜或球透镜系统。
5.如权利要求4所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述球透镜系统主要有棱镜、正透镜和负透镜组成。
6.如权利要求1所述多组分痕量气体测量方法，其特征在于：所述光衰荡腔中的光学系统由一对反射率高达0.99999的高反镜组成，高反镜机械固定于光衰荡腔中。
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