CN113533232B - 全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统及光谱解析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统及方法，包括：光纤耦合镜头组连接由光纤环形器和光纤光栅交替串联连接组成的支路；每一个光纤光栅均粘连在一个压电陶瓷片上，所有的压电陶瓷片均与压电陶瓷控制电路电连接；光纤环形器与多路光开关连接，所述光开关单路输出与光纤准直镜组相连接；光纤准直镜组与气体吸收池对应设置，气体吸收池右侧腔镜通过传动轴与步进电机连接；前置放大电路上连接光电探测器，并通过连接架与传动轴连接；所述前置放大电路经过A/D采样电路与微控制器连接。本发明采用光纤光栅压电调谐的方法，可以采用低成本的宽带连续谱光源，波段范围广，可以同时对多种气体进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤多组分气体传感技术领域，尤其涉及一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统及光谱解析方法。
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。该技术手段以窄线宽、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，在实际工业应用领域中，目标待测气体组分多，而且各组分气体的浓度差异显著。对于多组分气体同时检测，现有技术手段具有明显的缺陷：一方面，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；另一方面，不同组分的气体对气体吸收池光程的要求也根据各气体组分吸收线强、组分浓度分布的不同而不同。
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与气体吸收池，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，大大限制了装置可检测气体组分种类的数量。
此外，实际工业应用领域中，目标待测气体变化范围较大，而传统技术手段受限于电路系统放大倍数与信噪比这一对相互制约的因素，气体浓度检测量程有限，从而限制了其在各种工业场景中的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统及光谱解析方法，用低成本的宽带连续谱光源(如黑体辐射光源)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，并采用气体吸收池光程可调节的技术手段实现对不同组分、不同浓度范围气体组分的全量程检测。
为了实现上述目的，在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统，包括：
光纤耦合镜头组连接由光纤环形器和光纤光栅交替串联连接组成的支路；每一个光纤光栅均粘连在一个压电陶瓷片上，所有的压电陶瓷片均与压电陶瓷控制电路电连接；
光纤环形器与多路光开关连接，所述光开关单路输出与光纤准直镜组相连接；光纤准直镜组与气体吸收池对应设置，所述气体吸收池右侧腔镜通过传动轴与步进电机连接；
前置放大电路上连接光电探测器，并通过连接架与传动轴连接；所述前置放大电路经过A/D采样电路与微控制器连接；所述微控制器还与压电陶瓷控制电路、光开关和步进电机连接。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，包括：
(1)假设原始光谱数据S0中包含m个光谱强度采样点，预设队列数据结构S、S′、S1与S2；
(2)从小到大搜索原始光谱数据中的各个元素S0[i]，找到光谱数据元素S0[i]中的最大值max；所述最大值max依次减去原始光谱数据中的各个元素S0[i]并同时将所得差值加入队列S；
(3)计算光谱数据S的微分光谱S′；
(4)从小到大搜索微分光谱S′内的各个元素，当连续设定个数元素值大于设定阈值e时，将所述连续的元素值加入队列S1，并保存此时的元素搜索下标i，进入步骤(5)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(5)继续搜索S′内的元素值，如果S′[i]大于设定阈值e，则将S′[i]的值加入队列S1；如果连续设定个数的S′[i]值的绝对值小于所述阈值e，将所述元素值加入队列S2，并保存此时的元素搜索下标i，进入步骤(6)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(6)继续搜索S′内的存储值，如果S′[i]小于0且其绝对值大于设定阈值e，则将S′[i]的值加入队列S2；如果连续设定个数S′[i]值的绝对值小于阈值e，则结束搜索过程，转到步骤(7)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(7)如果队列S1与队列S2中至少有一个为空，则放弃所获取的原始光谱数据，重新检测；否则，分别对队列S1与队列S2中的数据进行洛伦兹曲线拟合；
(8)比较两洛伦兹曲线拟合所得的谱线峰值高度与谱线半高全宽，反演气体组分浓度值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用光纤光栅压电调谐的方法获取扫描吸收光谱，并实现气体组分特征吸收谱线的精确提取，与当前通过光谱仪分光获取吸收光谱的技术手段相比，装置所获取的光谱精细度高，从而保证了装置对气体组分的高灵敏度与高精度检测。
2.本发明中扫描光谱的背景强度与谱线强度在待测气体组分浓度一定时变化趋势一致，因此扫描光谱受到光源辐射功率漂移、光学系统损耗波动的影响较小，保证了装置检测性能的稳定性。
3.发明由于采用光纤光栅压电调谐的方法，可以采用低成本的宽带连续谱光源，波段范围广，可以同时对多种气体进行检测，且装置可检测的气体组分种类众多。
4.本发明赫里奥特气体吸收池右腔镜可以旋转，其光程可针对不同气体组分、不同气体浓度范围进行实时调节，使得装置仅通过一个气体吸收池即可对多个气体组分同时具有全量程检测能力。
5.本发明光谱获取的核心原件为光纤光栅器件，光纤光栅细如发丝，光纤光栅、压电陶瓷片可进行高度集成，形成芯片化的模块。
6.本发明与当前已有的吸收光谱气体检测技术相比，无需光谱仪系统、半导体激光器及其附属温控电路等，大大降低了整个装置的功耗，适用于某些需要本安型气体在线监测装置的工业应用领域(如煤矿开采、油气储运等)。
7.本发明仅通过一个低成本的宽带光源以及一个光程可调的气体吸收池即可对多个组分的气体同时进行全量程检测，而且当待检测气体组分的需求增多时，仍然可以保证系统的体积、功耗、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是本发明实施例中宽带全量程光纤光栅压电调谐多气体传感装置示意图；
图2是本发明实施例中压电陶瓷片连续驱动信号与光开关各支路开闭控制时序示意图；
图3(a)-(b)分别是本发明实施例中检测、解析所得5％乙炔标准气体特征吸收峰。
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，公开了一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统，如图2所示，包括：宽带连续谱光源、光纤耦合镜组、多个光纤环形器、多个光纤光栅、多个压电陶瓷片、压电陶瓷控制电路、光开关、光纤准直镜组、特殊的赫里奥特气体吸收池、步进电机、光电探测器及附属前置放大电路、A/D采样电路、微控制器(MCU)和存储显示系统等组件模块。
具体地，光纤耦合镜组是消色差的，镜组与光纤跳线FC/APC接头通过螺纹结构固定连接；多个光纤光栅与光纤环形器通过光纤彼此连接；每个光纤光栅均粘连在一个压电陶瓷片之上，且所有光纤光栅-压电陶瓷片组件都焊接在压电陶瓷控制电路上并与之电连接，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，从而带动粘连在上面的光纤光栅周期性伸缩。
光纤环形器与多路光开关中的相应支路相连接；光开关的单路输出通过FC/APC跳线头与光纤准直镜组相连接；赫里奥特气体吸收池具有特殊结构设计，左、右腔镜上均开有通光孔，右边腔镜通过传动轴与步进电机连接，且可以在步进电机的驱动下绕传动轴旋转并保持与左面腔镜共轴；光电探测器焊接在前置放大电路上，并通过连接架固定在传动轴上，可随传动轴一同转动；前置放大电路与A/D采样电路电连接；A/D采样电路与微控制器电连接；微控制器与压电陶瓷控制电路和存储显示模组电连接。
宽带连续谱光源辐射出的光束I0经过光纤耦合镜组的收集耦合作用后进入光纤。进入光纤内的光束首先通过环形器并传输到达第一个光纤光栅1。光纤光栅1与待测气体组分1相对应。光纤光栅1粘连在相应压电陶瓷片上，压电陶瓷片在压电陶瓷控制电路的驱动下周期性的伸缩形变，从而引起粘连在上面的光纤光栅1的伸长和压缩。
由于光纤光栅所反射的特征波长与光纤光栅压缩或伸长量近似成线性关系，则在光纤光栅1被压电陶瓷带动而形变的过程中将对其特征波长进行扫描，即光纤光栅1在由短变长的过程中，其反射的特征波长也相应由短到长变化。在宽波段光束入射的情况下，光纤光栅1在形变过程中，波段为λb1的光束I1随着时间的推移按波长由短及长依次反射，并返回到刚才经由的光纤环形器后传输至光电开关。此λb1波段范围可以覆盖气体组分1的吸收特征峰并与其它待测气体组分的特征吸收峰无交叉干扰。其余波段的光束则直接穿过光纤光栅1并经过光纤环形器后传输至光纤光栅2。经过类似光纤光栅1处发生的光束解析过程之后，一部分与待测气体2相对应、波段为λb2的光束I2在光纤光栅2形变的过程中按波长由短及长被依次反射并返回到刚刚经由的光纤环形器后传输至光开关，其余光束继续直接透过光纤光栅2并继续传输。所述类似过程依次进行，直到光纤光栅n反射与待测气体组分n相对应、波段为λbn的光束In。以上过程从宽带光束入射至光纤光栅1开始依次执行，由于光束传输通过所有光纤光栅所需时间远小于压电陶瓷片发生形变的扫描周期，可以认为各个光纤光栅对各个相应特征波段的分离提取是同步进行的，所分离出的各个波段的光束同时传输至光开关。
如图2所示，压电陶瓷片驱动电路基于微控制器的控制在每一个压电陶瓷片上施加周期性的锯齿电压信号，使得压电陶瓷片周期性的伸缩形变。
光开关各个支路以如图2的控制时序依次开闭：首先在某一个所述压电陶瓷片锯齿电压信号的起始时刻打开支路1，其余支路关闭，并保持此状态直到所述压电陶瓷片锯齿电压信号结束；然后在下一个压电陶瓷片锯齿电压信号的起始时刻打开支路2，其余支路关闭，并保持此状态直到所述压电陶瓷片锯齿电压信号结束；在其它支路重复所述类似过程，直到支路n，完成对n种待测气体的一轮检测。此后，所述时序控制过程循环重复，对多种气体进行实时监测。
不同波段的光束依次从光开关输出并到达光纤准直镜组。光纤准直镜为电控可调焦光学系统，针对不同支路的光束(即不同波段的光束)，微控制器可以调节光纤FC/APC接头与镜组之间的距离，并针对各个波段保持输出光束的准直度。
输出光束经过赫里奥特气体吸收池左侧腔镜上的固定入射光孔进入赫里奥特气体吸收池结构，经过多次反射后经由右侧腔镜上的出射光孔出射并照射在光电探测器的光敏面上引起光电流。图1中右侧腔镜边缘分布的“黑点”表示多次反射光束在其上的入射点。当右侧腔镜保持与左侧腔镜共轴的方式旋转时，其上的出射光孔将与多次反射光束在其上的不同入射点重合，多次反射光束将在相应的入射点处从吸收池出射。由于右侧腔镜上不同的反射光束入射点决定了反射光束经由此处时的吸收光程，则随着右侧腔镜的旋转，光束从不同入射点位置出射时所经历的整个吸收光程将不同。
根据朗伯-比尔定律，不同的吸收光程下，装置对气体组分的检测下限和量程范围将不同，因此右侧腔镜的旋转可以实现对多次反射光束吸收光程的有效调节。右侧腔镜由步进电机通过传动轴带动而旋转。由于光电探测器与所属前置放大电路通过连接架固定在传动轴上，光电探测器与右侧腔镜将保持相对位置不变，共同绕传动轴旋转，从而实现对吸收池内多次反射光束光程的调节。
光束经由气体吸收池内多次反射，被池内气体充分吸收，携带有池内气体的浓度信息，最终由右侧腔镜出射并照射到光电探测器的光敏面上，从而引起光电流信号响应。所述光电流信号经过前置放大电路系统的跨阻放大后转换为模拟电压信号。所述模拟电压信号经由A/D采样电路数字化转换后发送给微控制器。微控制器以一定的控制时序控制着压电陶瓷片的伸缩形变与光开关各个支路的开闭转换，并根据实时光谱原始数据反馈调节步进电机以驱动赫里奥特气体吸收池右侧腔镜的旋转，从而改变气体吸收光程。微控制器将原始光谱数据、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。
具体实施过程中，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的峰值高度时，通过此模型即可精确反演得到气体组分的浓度值。此外，所述装置可以与束管系统相结合，将待测气体抽取进入气体吸收池进行检测，也可以采用自由扩散的方式，对通过自由扩散进入气体吸收池的气体进行检测，具体方式可以根据具体应用场景而定。
装置系统开启，所有压电陶瓷片在压电陶瓷控制电路的驱动下以如图2的时序开始周期性的伸缩形变，从而带动粘连在上面的光纤光栅发生伸缩形变。宽带连续谱光源打开并辐射出探测光。探测光通过光纤耦合镜组耦合进入光纤。
进入光纤的光束经过光纤环形器到达光纤光栅，不同波段的光束经由不同的光纤光栅反射，所分离出的各个波段的光束最终传输至光开关。光开关的各条支路在如图2所示的控制时序下依次开闭并使得相应波段的光束通过光开关并传输至电控可调焦光纤准直镜组。
根据光开关支路的开闭情况，微控制器驱动电控可调焦光纤准直镜组进行调校，从而保证对相应波段光束的准直。所述相应波段的光束经过准直后从赫里奥特气体吸收池左侧腔镜的光孔处进入气体吸收池并多次反射。光束在多次反射传输过程中被待测气体组分充分吸收，最终从吸收池右侧腔镜上的光孔处出射并照射到固定在所述光孔附近的光电探测器的光敏面上。光开关各个支路中传输的光束依次进入吸收池并重复上述过程，被相应的气体组分充分吸收。
光电探测器响应入射光信号，产生光电流。所述光电流经过前置放大电路系统的跨阻放大作用后转换为模拟电压信号。所述模拟电压信号经由A/D采样电路采集转换为离散的数字光谱信号并发送给微控制器。微控制器接收数字光谱信号，并基于以上所述的光谱解析算法进行计算解析。
微控制器基于解析所得的气体组分特征吸收谱线，对赫里奥特气体吸收池右侧腔镜进行反馈调节。如果待测气体组分浓度较低，导致吸收峰特征不明显，微控制器向步进电机发送命令，使其通过传动轴带动吸收池右侧腔镜向着使得吸收光程增大的方向逐级旋转；如果待测气体组分浓度过高，导致吸收饱和，即原始光谱数据中出现低于特定阈值的数据点时，微控制器向步进电机发送命令，使其通过传动轴带动吸收池右侧腔镜向着使得吸收光程减小的方向逐级旋转。吸收池右侧腔镜旋转过程中，微控制器将停止对吸收光谱数据的采集。每次旋转一个步长后，微控制器获取光谱数据，并根据原始数据与解析结果判断右侧腔镜的旋转调节方式。此调节过程反复进行，直到气体吸收池达到合适的吸收光程时停止，此后微控制器获取吸收光谱数据，进行解析计算，反演气体组分浓度。当吸收光程再次过小或者过大时，装置将对气体吸收池右侧腔镜重复上述调节过程。
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。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，光谱解析算法针对光开关某一支路在压电陶瓷片完整扫描周期内所获取的原始扫描光谱进行解析。例如对于支路n，在支路n打开，其余支路全部关闭的状态下，微控制器将获取压电陶瓷片完整扫描周期内的一组原始光谱数据，并基于算法对其进行解析。针对所获取的一组原始光谱数据S0，假设光谱数据S0中包含m个光谱强度采样点，即为m维向量。预设队列数据结构S、S′、S1与S2。预设阈值e为某一正的浮点型数据。解析算法步骤如下：
(1)设置e的值，定义队列数据结构S、S′、S1与S2；
(2)从小到大搜索原始光谱数据中的各个元素S0[i]，找到光谱数据元素S0[i]中的最大值max；
(3)用步骤2中的最大值max依次减去原始光谱数据中的各个元素S0[i]并同时将所得差值加入队列S；
(4)计算光谱数据S的微分光谱S′，即S′[1]＝S[2]-S[1]，S′[2]＝S[3]-S[2]，……，S′[m-1]＝S[m]-S[m-1]；
(5)从小到大搜索微分光谱S′内的各个元素，即搜索S′[i]，i取值从1到m-1。当连续3个存储值大于阈值e时，将所述连续的3个元素值加入队列S1，并保存此时的元素搜索下标i，转到步骤(6)。如果全部S′内的存储值搜索完毕，则结束搜索过程，转到步骤(8)；
(6)继续搜索S′内的元素值，如果S′[i]大于阈值e，则将S′[i]的值加入队列S1。如果连续3个S′[i]的值的绝对值小于阈值e，将所述连续的3个存储值加入队列S2，并保存此时的元素搜索下标i，转到步骤(7)。如果全部S′内的存储值搜索完毕，则结束搜索过程，转到步骤(8)；
(7)继续搜索S′内的存储值，如果S′[i]小于0且其绝对值大于阈值e，则将S′[i]的值加入队列S2。如果连续3个S′[i]的值的绝对值小于阈值e，则结束搜索过程，转到步骤8。如果全部S′内的存储值搜索完毕，则结束搜索过程，转到步骤(8)；
(8)如果队列S1与队列S2中至少有一个为空，则放弃所获取的原始光谱数据，重新检测，结束算法执行过程。否则，分别对队列S1与队列S2中的数据进行洛伦兹曲线拟合(拟合方法为常规的阻尼最小二乘法)；
(9)比较两洛伦兹曲线拟合所得的谱线峰值高度与谱线半高全宽。如果两洛伦兹曲线的谱线峰值高度的标准偏差大于全部采样点取值范围的10％，或者两洛伦兹曲线的谱线半高全宽的标准偏差大于全部采样点个数的10％，或者两曲线拟合所得相关系数至少有一个小于0.9，则放弃所获取的原始光谱数据，重新检测，结束算法执行过程。否则，取两洛伦兹曲线峰值高度的均值以及谱线展宽的均值，将两均值作为洛伦兹谱线线型的参数，对谱线面积进行积分运算，并将计算结果代入气体组分浓度回归模型，从而反演出气体组分的浓度值；完成原始光谱数据的解析过程，实现对气体组分特征吸收谱线的有效提取。
以上所述算法内置在微控制器内，作为系统光谱数据解析的核心模块与其余控制程序一起构成装置的控制软件系统，对检测所得原始光谱数据进行实时解析提取。以浓度为5％的乙炔标准气体(平衡气为氮气)作为样本进行测试，基于所述装置得到原始光谱数据并基于所述算法解析得到上述队列S1与S2中的光谱如图3(a)-(b)所示。图3(a)-(b)中即为提取所得的5％乙炔气体的特征吸收峰，且两组数据的峰值高度与谱线展宽较为一致，进一步通过洛伦兹曲线拟合并平均后将准确得到当前5％乙炔气体特征吸收谱线的峰值高度。
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 (9)
1.一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，包括：
(1)假设原始光谱数据S0中包含m个光谱强度采样点，预设队列数据结构S、S′、S1与S2；
(2)从小到大搜索原始光谱数据中的各个元素S0[i]，找到光谱数据元素S0[i]中的最大值max；所述最大值max依次减去原始光谱数据中的各个元素S0[i]并同时将所得差值加入队列S；
(3)计算光谱数据S的微分光谱S′；
(4)从小到大搜索微分光谱S′内的各个元素，当连续设定的3个元素值大于设定阈值e时，将上述连续设定的3个元素值加入队列S1，并保存此时的元素搜索下标i，进入步骤(5)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(5)继续搜索S′内的元素值，如果S′[i]大于设定阈值e，则将S′[i]的值加入队列S1；如果连续设定个数的S′[i]值的绝对值小于所述阈值e，将所述元素值加入队列S2，并保存此时的元素搜索下标i，进入步骤(6)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(6)继续搜索S′内的存储值，如果S′[i]小于0且其绝对值大于设定阈值e，则将S′[i]的值加入队列S2；如果连续设定个数S′[i]值的绝对值小于阈值e，则结束搜索过程，转到步骤(7)；搜索完毕后，转到步骤(7)；
(7)如果队列S1与队列S2中至少有一个为空，则放弃所获取的原始光谱数据，重新检测；否则，分别对队列S1与队列S2中的数据进行洛伦兹曲线拟合；
(8)比较两洛伦兹曲线拟合所得的谱线峰值高度与谱线半高全宽，反演气体组分浓度值；
所述全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统，包括：
光纤耦合镜头组连接由光纤环形器和光纤光栅交替串联连接组成的支路；每一个光纤光栅均粘连在一个压电陶瓷片上，所有的压电陶瓷片均与压电陶瓷控制电路电连接；
光纤环形器与多路光开关连接，所述光开关单路输出与光纤准直镜组相连接；光纤准直镜组与气体吸收池对应设置，所述气体吸收池右侧腔镜通过传动轴与步进电机连接；
前置放大电路上连接光电探测器，并通过连接架与传动轴连接；所述前置放大电路经过A/D采样电路与微控制器连接；所述微控制器还与压电陶瓷控制电路、光开关和步进电机连接；
以上所述光谱解析方法内置在微控制器内。
2.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，宽带连续谱光源辐射出的光束经过光纤耦合镜组的收集耦合作用后进入光纤；进入光纤内的光束首先通过环形器并传输到达光纤光栅；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。
3.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，压电陶瓷片驱动电路基于微控制器的控制在所有压电陶瓷片上施加周期性的锯齿电压信号，使得压电陶瓷片周期性的伸缩形变，从而带动相应的光纤光栅周期性伸缩。
4.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，所述气体吸收池包括：相对设置的左腔镜和右腔镜，左腔镜和右腔镜上均开有通光孔，右腔镜通过传动轴与步进电机连接，并能够在步进电机的驱动下绕传动轴旋转并保持与左腔镜共轴。
5.如权利要求4所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，输出光束经过气体吸收池左腔镜上的固定入射光孔进入，经过多次反射后经由右腔镜上的出射光孔出射并照射在光电探测器的光敏面上引起光电流；
当右腔镜保持与左侧腔镜共轴的方式旋转时，其上的出射光孔将与多次反射光束在其上的不同入射点重合，多次反射光束将在相应的入射点处从吸收池出射。
6.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，第一个光纤光栅在形变过程中，波段为λb1的光束I1按波长依次反射，并返回到经由的光纤环形器后传输至光电开关，其余波段的光束则直接穿过第一个光纤光栅并经过光纤环形器后传输至第二个光纤光栅；同理，波段为λb2的光束I2在第二个光纤光栅形变的过程中传输至光开关，其余光束直接透过第二个光纤光栅继续传输；依此类推，直至第n个光纤光栅反射与待测气体组分n相对应且波段为λbn的光束In。
7.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，所述光开关包括多个支路，在某一个所述压电陶瓷片锯齿电压信号的起始时刻打开第一个支路，其余支路关闭，并保持此状态直到所述压电陶瓷片锯齿电压信号结束；在下一个压电陶瓷片锯齿电压信号的起始时刻打开第二个支路，其余支路关闭，并保持此状态直到所述压电陶瓷片锯齿电压信号结束；重复上述过程，直到支路n，完成对n种待测气体的一轮检测。
8.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，光束经过气体吸收池后携带池内气体的浓度信息，照射到光电探测器的光敏面上，引起光电流信号响应；光电流信号经过信号转换和A/D采样发送给微控制器；微控制器以设定的控制时序控制压电陶瓷片的伸缩形变与光开关的开闭转换，并根据实时光谱原始数据反馈调节步进电机以驱动气体吸收池的旋转，从而改变气体吸收光程。
9.如权利要求1所述的一种全量程光纤光栅压电调谐多气体传感系统的光谱解析方法，其特征在于，比较两洛伦兹曲线拟合所得的谱线峰值高度与谱线半高全宽，反演气体组分浓度值，具体为：
如果两洛伦兹曲线的谱线峰值高度的标准偏差大于全部采样点取值范围的a％，或者两洛伦兹曲线的谱线半高全宽的标准偏差大于全部采样点个数的b％，或者两曲线拟合所得相关系数至少有一个小于c，则放弃所获取的原始光谱数据，重新检测；否则，取两洛伦兹曲线峰值高度的均值以及谱线展宽的均值，其中a、b、c均为设定值；将两均值作为洛伦兹谱线线型的参数，对谱线面积进行积分运算，并将计算结果代入气体组分浓度回归模型，从而反演出气体组分的浓度值。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03172743A (ja) * | 1989-11-30 | 1991-07-26 | Shimadzu Corp | 分光分析装置におけるピークサーチ法 |
| JPH0755905A (ja) * | 1993-08-10 | 1995-03-03 | Hitachi Ltd | スペクトル分解方法 |
| JP2004325249A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Kddi Corp | 波長分散測定方法及び装置 |
| CN101413881A (zh) * | 2008-11-27 | 2009-04-22 | 浙江大学 | 光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统 |
| CN105628649A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-01 | 山东省科学院激光研究所 | 气体现场监测特征吸收峰提取方法 |
| CN105987885A (zh) * | 2016-01-06 | 2016-10-05 | 山东省科学院激光研究所 | 基于光纤光栅的准分布式气体传感系统 |
| WO2017055606A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche - Cnr | Method for measuring the concentration of trace gases by scar spectroscopy |
| WO2018184262A1 (zh) * | 2017-04-05 | 2018-10-11 | 华中科技大学 | 用于激光诱导击穿光谱采集的阶梯光谱仪动态校正方法 |
| CN109211879A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 王寅 | 一种气体遥测装置及方法 |
| CN110044837A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-23 | 南京安控易创计算机科技有限公司 | 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 |
| CN112763454A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-07 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种多气体传感系统及检测方法 |
-
2021
- 2021-07-20 CN CN202110819747.XA patent/CN113533232B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03172743A (ja) * | 1989-11-30 | 1991-07-26 | Shimadzu Corp | 分光分析装置におけるピークサーチ法 |
| JPH0755905A (ja) * | 1993-08-10 | 1995-03-03 | Hitachi Ltd | スペクトル分解方法 |
| JP2004325249A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Kddi Corp | 波長分散測定方法及び装置 |
| CN101413881A (zh) * | 2008-11-27 | 2009-04-22 | 浙江大学 | 光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统 |
| WO2017055606A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-04-06 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche - Cnr | Method for measuring the concentration of trace gases by scar spectroscopy |
| CN105628649A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-01 | 山东省科学院激光研究所 | 气体现场监测特征吸收峰提取方法 |
| CN105987885A (zh) * | 2016-01-06 | 2016-10-05 | 山东省科学院激光研究所 | 基于光纤光栅的准分布式气体传感系统 |
| WO2018184262A1 (zh) * | 2017-04-05 | 2018-10-11 | 华中科技大学 | 用于激光诱导击穿光谱采集的阶梯光谱仪动态校正方法 |
| CN109211879A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 王寅 | 一种气体遥测装置及方法 |
| CN110044837A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-23 | 南京安控易创计算机科技有限公司 | 一种基于光纤放大器的差分吸收光谱气体检测装置 |
| CN112763454A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-05-07 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种多气体传感系统及检测方法 |
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| A near-infrared gas sensor system based on tunable laser absorption spectroscopy and its application in CH4/C2H2 detection;He, QX等;QUANTUM SENSING AND NANO ELECTRONICS AND PHOTONICS XIV;全文 * |
| 基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究;姚路;刘文清;刘建国;阚瑞峰;许振宇;阮俊;戴云海;;中国激光(第02期);全文 * |
| 基于光纤传感技术的瓦斯抽采管道安全监测系统;李艳芳等;山东科学;全文 * |
| 基于可调谐FP滤波器的光纤光栅解调系统;李营, 张书练;激光技术(第03期);全文 * |
| 基于衍射光栅的光纤光栅传感器解调系统研究;冯忠伟;张力;何彦璋;申雅峰;;计测技术(第04期);全文 * |
| 激光等离子体发射光光纤耦合系统设计与实验分析;王寅;赵南京;刘文清;余洋;方丽;孟德硕;胡丽;谷艳红;王园园;马明俊;肖雪;王煜;刘建国;;中国激光(第05期);全文 * |
| 用LED作光源的光纤乙炔气体传感器的研究;张操;罗荣辉;刘小玲;郭小伟;楚广勇;;电子与封装(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113533232A (zh) | 2021-10-22 |
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