CN113532723A - 激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统及方法，所述系统包括：电光开关与光纤耦合镜组相对设置，光纤耦合镜组连接光纤分束器，光纤分束器的输出端分别连接光纤延时器和由不同气体组分特征吸收谱线扫描单元的串联支路；每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元包括：第一光纤环形器分别连接第一光纤光栅和第二光纤环形器，第二光纤环形器连接第二光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在同一个压电陶瓷片上；每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元的光纤环形器分别连接光开关的一个支路。本发明实现了以激光诱导等离子体为光源的气体组分吸收光谱的有效获取，可以对多组分气体同时进行高精度在线监测传感。

Description

激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤多组分气体传感技术领域，尤其涉及一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

当前，煤矿开采、石油化工、油气储运等工业领域对多组分气体同时进行高精度在线监测传感的需求广泛存在。在现有技术中，可调谐半导体激光器吸收光谱技术是对气体进行高精度在线监测传感的主要技术手段。所述技术手段以窄线宽、可调谐的半导体激光器作为光源，在气体分子吸收特征光谱的波段附近进行波长扫描，从而获取精细的气体吸收光谱，具有灵敏度高、光谱分辨率高、检测准确度高且适用于现场在线监测传感等优点。

然而，在工业应用领域中，对多组分气体同时进行检测的技术需求最为常见。对于多组分气体同时检测，现有技术手段具有明显的缺陷：可调谐半导体激光器光源波长扫描范围较窄，无法覆盖多种气体组分的吸收特征峰，使得每一支可调谐半导体激光器光源往往只能获取某种单一气体组分的特征吸收峰，不具备多种气体同时检测的能力。

虽然现有的技术手段往往针对多种目标待测气体增设相应的可调谐半导体激光器，但这样不仅使得装置的功耗、体积得到累加，而且其成本造价也累计提升(尤其是输出中心波长在2微米以上中红外波段的可调谐半导体激光器，其造价较高)，大大限制了装置可检测气体组分种类的数量。

由高功率激光脉冲击穿空气产生的激光诱导等离子体，在其演化过程中将辐射出从紫外波段到中红外波段以上的宽谱段光能，可以覆盖工业领域绝大多数目标待测气体组分的特征吸收谱线，并且等离子体辐射光强高，非常有潜力成为适用于工业多气体组分同时检测的超宽带谱光源。鉴于此优势，已有相关文献报道。在这些文献中，已经提出将激光诱导等离子体作为光源，结合气体吸收光谱对大气中相应待测气体组分进行检测。然而，激光诱导等离子体演化持续时间较短(通常在10微秒左右)，且等离子体演化过程中辐射光谱本身变化较大，加之当前快速光谱仪设备的光谱分辨率普遍低于气体吸收谱线的精细程度，使得以激光诱导等离子体为光源的气体组分吸收光谱难以被有效获取。在现有的相关文献报道中也未提出有效的光谱获取方案。

综上所述，现有技术手段难以满足工业应用领域中对多组分气体同时进行高精度在线监测传感的需求。虽然以激光诱导等离子体为光源，结合气体吸收光谱的多气体检测方案具有应用潜力，但尚缺乏获取相关吸收光谱的有效方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统及方法，以激光诱导等离子体作为主动探测光源，基于光纤光栅压电调谐的技术手段实现对气体组分吸收光谱的扫描，克服了激光诱导等离子体演化持续时间较短、等离子体演化过程中辐射光谱本身变化较大以及气体组分吸收光谱解析精度不够等技术难题，实现了以激光诱导等离子体为光源的气体组分吸收光谱的有效获取，从而可以对多组分气体同时进行高精度在线监测传感。

为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，包括：用于收集激光诱导等离子体的电光开关，所述电光开关与光纤耦合镜组相对设置，所述光纤耦合镜组连接光纤分束器，光纤分束器的输出端分别连接光纤延时器和由不同气体组分特征吸收谱线扫描单元的串联支路；

每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元包括：第一光纤环形器分别连接第一光纤光栅和第二光纤环形器，第二光纤环形器连接第二光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在同一个压电陶瓷片上；每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元的光纤环形器分别连接光开关的一个支路；

光开关的输出端依次串联连接气体吸收池、光电探测器、前置放大电路、A/D采样电路和微控制器。

同一个气体组分特征吸收谱线扫描单元中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射谱段不同，但都对应于同一种气体组分，且在反射谱段的边缘处存在交叉，形成共同反射的交叉窄带。

压电陶瓷片形变带动所有光纤光栅发生形变，光束经过第一个气体组分特征吸收谱线扫描单元时，第一光纤光栅将其此时形变所对应的特征谱段光束反射并传输至第二光纤光栅，第二光纤光栅在第一光纤光栅反射特征谱段的基础上反射交叉窄带，所述交叉窄带光束传输至光开关；

未被第一光纤光栅反射的光束进入下一个气体组分特征吸收谱线扫描单元，重复上述过程，直到所有气体组分的特征吸收谱线扫描完成。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感方法，包括：

控制脉冲激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光过折转和聚焦，在焦点处击穿空气产生等离子体；

电光开关持续开通设定时间t1，此时间段内的等离子体辐射光束经耦合进入光纤；进入光纤的光束被光纤分束器按照设定比例分成两路，其中一路传输至光纤延时器，另一路输出并进入气体组分特征吸收谱线扫描单元进行特征吸收谱线扫描；进入光纤延时器的光束经过设定时间t2的延时后再次进入所述光纤分束器，按照设定比例分成两路，重复上述过程；使得每隔设定时间t2，将有一段持续时间t1的相关波段的光束从光开关的相应支路输入；

在某一设定时间内保持光开关的一个支路打开，其余支路关闭；包含相应波段的各个光束依次经由光开关的某一支路输出进入气体吸收池内部进行多次反射从而被相应气体组分充分吸收；

此后光束引起光电探测器响应出光电流，所述光电流依次经过前置放大和A/D采样，经过对各个扫描谱段的加权修正和拼接，得到连续的气体吸收特征谱线，进而对相关气体组分浓度进行反演。

所述进入气体组分特征吸收谱线扫描单元进行特征吸收谱线扫描的过程，具体包括：

同一个气体组分特征吸收谱线扫描单元中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射谱段不同，但都对应于同一种气体组分，且在反射谱段的边缘处存在交叉，形成共同反射的交叉窄带；

压电陶瓷片形变带动所有光纤光栅发生形变，光束经过第一个气体组分特征吸收谱线扫描单元时，第一光纤光栅将其此时形变所对应的特征谱段光束反射并传输至第二光纤光栅，第二光纤光栅在第一光纤光栅反射特征谱段的基础上反射交叉窄带，所述交叉窄带光束传输至光开关；

未被第一光纤光栅反射的光束进入下一个气体组分特征吸收谱线扫描单元，重复上述过程，直到所有气体组分的特征吸收谱线扫描完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明以激光诱导等离子体作为辐射光源，等离子体辐射谱段宽，覆盖大多数工业待测气体组分的特征吸收谱线，且在短时间内辐射出大量光能，功率较高，信号易探测，适用于多气体组分同时检测；

(2)本发明采用2×2光纤分束器一条输出支路和一条输入支路与光纤延时器串接的方式，将短时间内(100ns)激光等离子体辐射出的光能在时域上延长到2μs以上。此方案实现了对瞬时信号的时域延长，有利于后续针对气体精细吸收谱线的光纤光栅压电解调。而且，基于所述技术手段，只须获取等离子体短时间内的瞬时辐射光(100ns内)，尽可能避免了等离子体演化过程中辐射光谱随时间变化的不利因素；

(3)本发明采用双光纤光栅反射谱段边沿交叉的方案，基于边沿交叉所得的交叉窄带实现对气体吸收谱线的精细扫描，光谱分辨率高。而且，由于装置直接对气体精细吸收谱线进行扫描，气体组分浓度反演基于吸收峰关于谱线基线的相对高度，可以有效克服系统光能损耗带来的不利影响；

(4)本发明光谱获取的核心原件多为光纤器件，光纤细如发丝，与压电陶瓷片可进行高度集成，形成芯片化的模块；当待检测气体组分的需求增多时，只需要增加光纤光栅与压电陶瓷片的数量即可。由于光纤器件与压电陶瓷片利于集成，且成本低廉，在检测需求提高时，可以保证系统的体积和造价得到有效控制，有利于其在各种工业应用领域的推广。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例中基于激光等离子体宽谱辐射光纤光栅压电解调的多气体传感系统示意图；

图2(a)-(e)是本发明实施例中系统各组件控制时序示意图；

图3是本发明实施例中采用双光纤光栅扫描气体组分特征吸收谱线的原理图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

根据本发明的实施例，公开了一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统的实施例，包括：用于收集激光诱导等离子体的电光开关，所述电光开关与光纤耦合镜组相对设置，所述光纤耦合镜组连接光纤分束器，光纤分束器的输出端分别连接光纤延时器和由不同气体组分特征吸收谱线扫描单元的串联支路；

每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元包括：第一光纤环形器分别连接第一光纤光栅和第二光纤环形器，第二光纤环形器连接第二光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在同一个压电陶瓷片上；每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元的光纤环形器分别连接光开关的一个支路；

光开关的输出端依次串联连接气体吸收池、光电探测器、前置放大电路、A/D采样电路和微控制器。

具体地，参照图1，光纤耦合镜组与光纤跳线FC/APC接头通过螺纹结构固定连接；2×2光纤分束器具有2路输入支路，2路输出支路；光纤跳线另一端与2×2光纤分束器的其中1条输入支路熔融焊接；2×2光纤分束器的其中1条输出支路与光纤延时器光纤连接，另1条输出支路与光纤环形器11连接；光纤延时器的另一端与2×2光纤分束器的另1条输入支路光纤连接。

本实施例中，光纤延时器由一段长度的光纤盘接而成，光纤延时器的光纤总长度为20m，基于光束在单模光纤中的传输理论可以推算出光束在延时器内的传输时间为200ns。

光纤环形器11分别与光纤光栅11和光纤环形器12光纤连接，光纤环形器12与光纤光栅12光纤连接；光纤光栅11另一端与光纤环形器21光纤连接，光纤环形器21分别与光纤光栅21和光纤环形器22光纤连接，光纤环形器22与光纤光栅22光纤连接；所述连接方式依次类推，直到光纤环形器n1、光纤环形器n2、光纤光栅n1与光纤光栅n2之间都具有所述类似的光纤连接方式；

光纤光栅11与光纤光栅12粘接在同一片压电陶瓷片上，光纤光栅21与光纤光栅22粘接在同一片压电陶瓷片上，依次类推，直到光纤光栅n1与光纤光栅n2粘接在同一片压电陶瓷片上；所有压电陶瓷片与压电陶瓷控制电路电连接；光纤环形器12、光纤环形器22、……、光纤环形器n2分别与光开关相应支路光纤连接；

光开关的输出端通过光纤与气体吸收池连接，气体吸收池的另一端通过光纤与光电探测器连接；光电探测器与前置放大电路电连接；前置放大电路与A/D采样电路电连接；微控制器(MCU)与A/D采样电路、电光开关、调Q触发电路、压电陶瓷控制电路以及存储显示模块电连接。

本实施例中，调Q触发电路与脉冲激光器电连接；脉冲激光器出光口位置与全反射镜按照一定相对位置固定，保证全反射镜可以对脉冲激光器出射光束进行90°折转；会聚透镜与全反射镜按照一定相对位置固定，保证会聚透镜对转折光束的会聚；电光开关置于光纤耦合镜组前，用于收集激光诱导等离子体的辐射光。

脉冲激光器为调Q脉冲激光器(如Nd::YAG调Q激光器)，在调Q信号的触发下发射持续时间为纳秒级的高功率脉冲激光。

气体吸收池具有进气口与出气口，可以与泵吸系统相结合，将现场待测气体吸入并进行检测。

每个光纤光栅均粘连在相应的压电陶瓷片上；各个光纤光栅的特征波长不同，并与相应待测气体组分的特征吸收峰波长相对应。压电陶瓷控制电路驱动各个压电陶瓷片周期性的伸缩形变，同时带动粘连在上面的光纤光栅周期性伸缩，从而线性改变光纤光栅的特征波长。受到当前光纤光栅制作工艺的限制，通常情况下光纤光栅的特征峰展宽往往数倍于气体吸收特征峰的展宽，如果直接用单一光纤光栅对气体吸收峰进行扫描，只能得到积分光谱，为后续光谱数据的进一步解析带来困难。为此，本实施例进一步提出双光纤光栅扫描的方案，具体如下：

结合图3，双光纤光栅各自的特征反射谱段都较宽，但两者具体的反射谱段不同，并且有交叉。而且，两反射谱段仅在边缘处存在交叉，形成共同反射的交叉窄带。两光纤光栅虽然特征反射谱段不同，但都对应于同一种气体组分。双光纤光栅粘连在相同的压电陶瓷片上，随着压电陶瓷片的形变，两光纤光栅的特征反射谱段将同时进行扫描。相应的，交叉窄带将随之实现扫描。由于有双光纤光栅的特征谱段与相关待测气体组分相对应，交叉窄带扫描时将实现对相关待测气体组分特征吸收谱线的扫描，从而实现对气体组分精细特征吸收谱线的有效获取。

本实施例激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统的具体工作过程如下：

微控制器向调Q触发电路发送命令，调Q触发电路向脉冲激光器发送触发信号，使得脉冲激光器发射脉冲激光。脉冲激光由全反射镜90°折转，并经过会聚透镜后聚焦在其焦点处。焦点处的空气被高功率的激光击穿并产生等离子体。等离子体在其演化过程中将辐射出宽谱段光束。每一次获取光谱数据时，微控制器将向电光开关发送命令，使得其打开约100ns，等离子体在100ns内演化而辐射出的宽谱段光束在此期间通过电光开关并由光纤耦合镜组收集耦合进入光纤。电光开关的设计选型可以保证其在打开时对所需谱段的高透过率。光纤耦合镜组是消色差的，可以保证所需谱段的光束以较高效率耦合进入光纤。

进入光纤的光束传输到达2×2光纤分束器并从其中1条输入支路进入。2×2光纤分束器将所述光束按强度比5:95的比例进行分离。其中占比95％的光束由其中1条输出支路输出并沿光纤传输至光纤延时器。所述光束在光纤延时器中传输20米从而被延时200ns后由光纤延时器的另一端输出并通过2×2光纤分束器的另一条输入支路再次进入2×2光纤分束器。其中占比为5％的光束I⁽¹⁾由另一条输出支路输出并到达光纤环形器11。

光束经过光纤环形器11后传输到达光纤光栅11。微控制器向压电陶瓷控制电路发送命令，使得其驱动所有压电陶瓷片发生形变，从而带动所有光纤光栅发生形变。

光纤光栅11将其此时形变所对应的特征谱段光束

反射，再次经过光纤环形器11后传输至光纤环形器12。光束经由光纤环形器12后传输至光纤光栅12。由于光纤光栅12与光纤光栅11粘连在同一压电陶瓷片上，两者共同形变。光纤光栅12将其此时形变所对应的特征谱段反射。由于光纤光栅11与光纤光栅12的特征反射谱段窄带交叉，光纤光栅12将在光纤光栅11反射特征谱段的基础上反射所述的反射交叉窄带。所述窄带光束

再次经由光纤环形器12后传输至光开关。

由于光纤光栅11与光纤光栅12的特征反射波段都对应于气体组分1，随着两光纤光栅的形变，交叉窄带将实现对气体组分1特征吸收谱线的扫描。

未被光纤光栅11反射的光束将透过光纤光栅11传输至光纤环形器21。类似于光纤光栅11与光纤光栅12对入射光束的解调过程，光纤光栅21与光纤光栅22粘连在同一压电陶瓷片上，两者将实现对气体组分2的特征吸收谱线的扫描，相应光束

将经由光纤环形器22传输至光开关。未被光纤光栅21反射的光束将透过光纤光栅21继续传输。所述类似过程将反复进行，直到光纤光栅n1与光纤光栅n2实现气体组分n的特征吸收谱线的扫描，相关光束

经由光纤环形器n2传输至光开关。

占比95％的光束经由光纤延时器后再次回到2×2光纤分束器并再次按5:95的强度比例分束，其中5％的光束I⁽²⁾再次经过上述光纤光栅11、光纤光栅12、光纤光栅21、光纤光栅22，……，光纤光栅n1以及光纤光栅n2的解析作用后分别得到光束

这些光束依次经由光开关的各条支路传输至光开关；另外95％的光束经过光纤延时器延时后将再次进入2×2光纤分束器，并再次按5:95的强度比例分束。所述过程反复进行，使得每隔约200ns，将有一段持续时间约100ns的相关波段的光束

从光开关的相应支路j输入。

光开关在某一段时间内保持某一支路打开，而其余支路关闭，此时间段将达到200ns的10倍以上。在光开关某一支路打开期间，包含着相应波段，持续时间约为100ns且间隔约为200ns的多个光束

依次经由光开关的输出端进入气体吸收池内部进行多次反射从而被相应气体组分充分吸收。

多个光束经过吸收后依次从气体吸收池出射并照射到光电探测器的光敏面上，从而在时域上响应出多个脉冲光电流信号。这些脉冲光电流信号依次经过前置放大电路的跨阻放大以及A/D采样电路的采集后发送给微控制器。所述多个光束

是由2×2光纤分束器通过不同比例的分光所得，因此，如果只考虑分光比例所导致的光强损耗因素，则这些光束强度应满足：

从而使得响应的光电信号强度也满足公式(1)所述的数量关系。

微控制器将完成原始光谱数据的分析、各个待测气体组分浓度的反演等计算工作，并将原始光谱数据、计算所得结果等发送到存储显示模块用于存储和监测结果的实时显示。

本实施例中，系统各组件的控制时序参照图2(a)-(e)，某一段时间内，光开关只有一条支路处于打开状态，其余支路关闭。图2(a)中的高电平电压信号表示某一时间段内光开关的某一支路处于打开状态，其中倾斜的电压上升沿与下降沿表示光开关支路打开与关闭的动作时间显著大于其余信号的上升沿与下降沿。在光开关的某一支路打开的时间段内，调Q触发电路将向脉冲激光器注入调Q信号，如图2(b)所示。电压上升沿即刻触发脉冲激光器发射激光脉冲。同时电光开关在同时刻电压上升沿的触发下打开，并保持约100ns，此后电压信号下降沿到来，电光开关即刻关闭，如图2(c)所示。激光诱导等离子体由激光脉冲击穿空气生成后辐射出宽谱段光束。上述时序控制方法使得电光开关从等离子体生成后持续收集其辐射出的宽谱段光束100ns，然后即刻停止。在电光开关打开的同时，压电陶瓷片驱动电路开始向压电陶瓷片注入线性增加的电压信号，并驱动压电陶瓷片开始形变，如图2(d)所示。在电光开关打开的同时，A/D采样电路开始周期性的处于工作与等待两种状态下，如图2(e)所示。

A/D采样电路首先进入工作状态，并且持续时间与电光开关打开保持时间相同。在所述工作状态下，A/D采样电路按照其采样速率对模拟光电压信号高速采样。此后，A/D采样电路进入等待状态，且等待持续时间依据气体吸收池的光程，略大于工作状态的保持时间。此后，由2×2分束器分出的强度占比95％的光束经过光纤延时器的延迟后再次回到2×2光纤分束器，并继续分离出相应的强度占比5％的光束。所述光束将再次响应出持续时间100ns的光电信号。同时，A/D采样电路正好再次进入工作状态并开始高速采样。每一次A/D采样电路进入工作状态，都对应一段持续时间为100ns的光束及其响应的光电信号。而每一次A/D采样电路进入工作状态，压电陶瓷片驱动电压信号也在此期间内发生线性变化，驱动压电陶瓷片带动光纤光栅发生形变，从而对气体组分特征吸收峰进行扫描。在A/D采样电路不同的工作周期内，光纤光栅形变过程均不同，从而使得双光纤光栅对气体特征吸收谱线进行逐段扫描。每一段持续时间为100ns的光束与A/D采样电路的一段工作时间相对应，同时也与气体特征吸收谱线中的某一段相对应。

公式(1)表明，对于第j组特征谱线扫描单元，所述其获取得到的每一段气体特征吸收谱线的强度值因为2×2光纤分束器分光的作用而自带加权损耗。为了消除此加权损耗的影响，须要对扫描所得的每一段气体特征吸收谱线进行加权修正。

假设一共扫描获取了m段气体特征吸收谱线

加权修正后得到

则：

对修正后得到的各个离散谱线段

进行拼接，即可得到相应气体组分j的特征吸收谱线。

虽然获取的多段气体特征吸收谱线是离散的，但是由于压电陶瓷片驱动电压信号的频率远低于A/D采样电路采样控制信号的频率，所述多段气体特征吸收谱线拼接时近似连续，最终可以有效获得准连续的气体特征吸收谱线。基于获得的气体吸收特征谱线，可以根据已经内置的定量分析模型对相关气体组分浓度进行反演。

本实施例中光开关各条支路轮流打开，每条支路对应于一种待测气体组分，上述过程在每条支路打开时反复执行，从而实现对多种气体组分进行高精度在线监测传感。

实施例二

根据本发明的实施例，公开了一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感方法的实施例，该方法基于实施例一所述的激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，具体包括如下过程：

首先，将待测气体抽取进入气体吸收池进行检测；微控制器内已经内置标定好的定量分析模型，当解析得到待测气体吸收特征谱线峰值关于谱线基线的高度时，通过此模型即可精确反演得到气体组分的浓度值。

在微控制器的控制下，光开关的各条支路依次打开并保持一段时间，同一时间段内，只有一条支路保持打开，其余支路处于关闭状态。在光开关某一支路打开，其余支路关闭的某一时间段内，对相应气体组分进行检测。微控制器同时向调Q触发电路、电光开关、压电陶瓷控制电路以及A/D采样电路发送命令。

接到微控制器命令后，调Q触发电路向脉冲激光器发送调Q触发信号，脉冲激光器即刻发射持续时间为纳秒级的脉冲激光。脉冲激光经过全反射镜折转90°后经过会聚透镜聚焦在其焦点处并击穿空气产生等离子体。所述等离子体随机演化并辐射出宽谱光束。

电光开关在接到微控制器命令后即刻打开，并保持打开状态100ns。在所述100ns的时间段内，电光开关允许等离子体辐射光通过，并在100ns之后即刻关闭。持续时间100ns的等离子体辐射光被消色差的光纤耦合镜组耦合进入光纤。

光束进入光纤后传输至2×2光纤耦合器，并按5:95的强度比例分离。其中占比95％的光束由其中1条输出支路输出并沿光纤传输至光纤延时器。所述光束在光纤延时器中传输20米从而被延时200ns后由光纤延时器的另一端输出并通过2×2光纤分束器的另一条输入支路进入2×2光纤分束器。其中占比为5％的光束由另一条输出支路输出并到达光纤环形器11。所述光束经过光纤环形器11后传输到达光纤光栅11。

接到微控制器发送的命令后，压电陶瓷控制电路驱动所有压电陶瓷片发生形变，从而带动所有光纤光栅发生形变。光纤光栅11将其此时形变所对应的特征谱段反射，再次经过光纤环形器11后传输至光纤环形器12。光束经由光纤环形器12后传输至光纤光栅12。由于光纤光栅12与光纤光栅11粘连在同一压电陶瓷片上，两者共同形变。光纤光栅12将其此时形变所对应的特征谱段反射。由于光纤光栅11与光纤光栅12的特征反射谱段窄带交叉，光纤光栅12将在光纤光栅11反射特征谱段的基础上反射所述的反射交叉窄带。所述窄带光束再次经由光纤环形器12后传输至光开关。由于光纤光栅11与光纤光栅12的特征反射波段都对应于气体组分1，随着两光纤光栅的形变，交叉窄带将实现对气体组分1特征吸收谱线的扫描。

未被光纤光栅11反射的光束将透过光纤光栅11传输至光纤环形器21。类似于光纤光栅11与光纤光栅12对入射光束的解调过程，光纤光栅21与光纤光栅22粘连在同一压电陶瓷片上，两者将实现对气体组分2的特征吸收谱线的扫描，相应光束将经由光纤环形器12传输至光开关。未被光纤光栅21反射的光束将透过光纤光栅21继续传输。所述类似过程将反复进行，直到光纤光栅n1与光纤光栅n2实现气体组分n的特征吸收谱线的扫描，相关光束经由光纤环形器n2传输至光开关。

占比95％的光束经由光纤延时器后再次回到2×2光纤分束器并再次按5:95的强度比例分束，其中5％的光束再次经过上述光纤光栅11、光纤光栅12、光纤光栅21、光纤光栅22，……，光纤光栅n1以及光纤光栅n2的解析作用后依次经由光开关的各条支路传输至光开关；另外95％的光束经过光纤延时器延时后将再次进入2×2光纤分束器，并再次按5:95的强度比例分束。所述过程反复进行，使得每隔约200ns，将有一段持续时间约100ns的相关波段的光束从光开关的相应支路输入。

由于同一时间段内，只有一条光开关的支路处于打开状态，其余支路关闭。所述打开支路所对应波段的光束通过光开关进入气体吸收池并被其内的待测气体组分充分吸收。此后光束引起光电探测器响应出光电流。所述光电流经过前置放大电路跨阻放大后发送给A/D采样电路采集。在接到微控制器的命令后，A/D采样电路A/D采样电路开始周期性的处于工作与等待两种状态下。A/D采样电路首先进入工作状态，并且持续时间与电光开关打开保持时间相同。在所述工作状态下，A/D采样电路按照其采样速率对模拟光电压信号高速采样。此后，A/D采样电路进入等待状态，且等待持续时间大于等于保持时间与光束在气体吸收池内传输时间的总和。

由2×2光纤分束器分出的强度占比95％的光束经过光纤延时器的延迟后再次回到2×2光纤分束器，并继续分离出相应的强度占比5％的光束。所述光束将再次响应出持续时间100ns的光电信号。同时，A/D采样电路正好再次进入工作状态并开始高速采样。

每一次A/D采样电路进入工作状态，都对应一段持续时间为100ns的光束及其响应的光电信号。而每一次A/D采样电路进入工作状态，压电陶瓷片驱动电压信号也在此期间内发生线性变化，驱动压电陶瓷片带动光纤光栅发生形变，从而对气体组分特征吸收峰进行扫描。

在A/D采样电路不同的工作周期内，光纤光栅形变过程均不同，从而使得双光纤光栅对气体特征吸收谱线进行逐段扫描。每一段持续时间为100ns的光束与A/D采样电路的一段工作时间相对应，同时也与气体特征吸收谱线中的某一段相对应。在光开关某支路打开期间，当所述光纤光栅扫描过程完成后，对所获取的各个扫描谱段进行加权修正，然后将修正后的离散谱线段进行拼接，最终可以有效获得准连续的气体特征吸收谱线。

基于获得的气体吸收特征谱线，计算出吸收峰值关于谱线基线的相对高度，即可根据已经内置的定量分析模型对相关气体组分浓度进行反演。所述原始光谱数据、气体组分浓度等信息由微控制器发送给存储显示模块进行存储和实时显示。

以上实施过程持续进行，实现对不同浓度范围的多组分气体同时进行高精度在线监测传感。

需要说明的是，上述过程的具体实现方式，比如对各个扫描谱段进行加权修正的方法、各组件的时序控制方法等，已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，包括：用于收集激光诱导等离子体的电光开关，所述电光开关与光纤耦合镜组相对设置，所述光纤耦合镜组连接光纤分束器，光纤分束器的输出端分别连接光纤延时器和由不同气体组分特征吸收谱线扫描单元的串联支路；

每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元包括：第一光纤环形器分别连接第一光纤光栅和第二光纤环形器，第二光纤环形器连接第二光纤光栅；第一光纤光栅和第二光纤光栅设置在同一个压电陶瓷片上；每一个气体组分特征吸收谱线扫描单元的光纤环形器分别连接光开关的一个支路；

光开关的输出端依次串联连接气体吸收池、光电探测器、前置放大电路、A/D采样电路和微控制器。

2.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，形成所述激光诱导等离子体的装置包括：串联连接的调Q触发电路和脉冲激光器，脉冲激光器出光口位置与全反射镜按照设定的位置固定，以使得全反射镜对脉冲激光器出射光束进行设定角度折转；会聚透镜与全反射镜按照设定位置固定，以实现会聚透镜对转折光束的会聚。

3.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，不同气体组分特征吸收谱线扫描单元中的光纤光栅的特征波长不同，并与相应待测气体组分的特征吸收峰波长相对应。

4.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，每一个压电陶瓷片均连接压电陶瓷片控制电路；所述压电陶瓷控制电路能够驱动各个压电陶瓷片周期性的伸缩形变，带动其上的光纤光栅周期性伸缩，从而线性改变光纤光栅的特征波长。

5.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，同一个气体组分特征吸收谱线扫描单元中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射谱段不同，但都对应于同一种气体组分，且在反射谱段的边缘处存在交叉，形成共同反射的交叉窄带。

6.如权利要求5所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，压电陶瓷片形变带动所有光纤光栅发生形变，光束经过第一个气体组分特征吸收谱线扫描单元时，第一光纤光栅将其此时形变所对应的特征谱段光束反射并传输至第二光纤光栅，第二光纤光栅在第一光纤光栅反射特征谱段的基础上反射交叉窄带，所述交叉窄带光束传输至光开关；

未被第一光纤光栅反射的光束进入下一个气体组分特征吸收谱线扫描单元，重复上述过程，直到所有气体组分的特征吸收谱线扫描完成。

7.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，进入光纤的光束被光纤分束器按照设定比例分成两路，其中一路传输至光纤延时器，另一路输出并进入气体组分特征吸收谱线扫描单元进行特征吸收谱线扫描；

进入光纤延时器的光束经过设定时间的延时后再次进入所述光纤分束器，按照设定比例分成两路，重复上述过程。

8.如权利要求1所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感系统，其特征在于，所述光开关包括多个支路，每条支路对应于一种待测气体组分；在某一设定时间内保持一个支路打开，其余支路关闭；包含相应波段的各个光束依次经由光开关的某一支路输出进入气体吸收池内部进行多次反射从而被相应气体组分充分吸收。

9.一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感方法，其特征在于，包括：

控制脉冲激光器发射脉冲激光，所述脉冲激光过折转和聚焦，在焦点处击穿空气产生等离子体；

电光开关持续开通设定时间t1，此时间段内的等离子体辐射光束经耦合进入光纤；进入光纤的光束被光纤分束器按照设定比例分成两路，其中一路传输至光纤延时器，另一路输出并进入气体组分特征吸收谱线扫描单元进行特征吸收谱线扫描；进入光纤延时器的光束经过设定时间t2的延时后再次进入所述光纤分束器，按照设定比例分成两路，重复上述过程；使得每隔设定时间t2，将有一段持续时间t1的相关波段的光束从光开关的相应支路输入；

在某一设定时间内保持光开关的一个支路打开，其余支路关闭；包含相应波段的各个光束依次经由光开关的某一支路输出进入气体吸收池内部进行多次反射从而被相应气体组分充分吸收；

此后光束引起光电探测器响应出光电流，所述光电流依次经过前置放大和A/D采样，经过对各个扫描谱段的加权修正和拼接，得到连续的气体吸收特征谱线，进而对相关气体组分浓度进行反演。

10.如权利要求9所述的一种激光等离子体光纤光栅压电解调多气体传感方法，其特征在于，所述进入气体组分特征吸收谱线扫描单元进行特征吸收谱线扫描的过程，具体包括：

同一个气体组分特征吸收谱线扫描单元中的第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射谱段不同，但都对应于同一种气体组分，且在反射谱段的边缘处存在交叉，形成共同反射的交叉窄带；

压电陶瓷片形变带动所有光纤光栅发生形变，光束经过第一个气体组分特征吸收谱线扫描单元时，第一光纤光栅将其此时形变所对应的特征谱段光束反射并传输至第二光纤光栅，第二光纤光栅在第一光纤光栅反射特征谱段的基础上反射交叉窄带，所述交叉窄带光束传输至光开关；

未被第一光纤光栅反射的光束进入下一个气体组分特征吸收谱线扫描单元，重复上述过程，直到所有气体组分的特征吸收谱线扫描完成。

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