CN113686812A - 一种消除异路干涉噪声的气体传感方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体检测技术领域，具体为一种消除异路干涉噪声的气体传感方法及系统。本发明使用一个可调谐激光器、两个光电探测器和一个2×2耦合器，将相位型噪声分别通过两个路径传递，在耦合器侧形成叠加干涉，得到两路输出，将两路信号叠加就可以消除干涉信号，从合成的新信号可以反演出气体浓度。基于TDLAS的气体传感系统，由于反射等引起的异路干涉型噪声往往是最难处理的瓶颈，严重影响系统稳定性和可靠性的最大障碍。本发明可有效消除干涉型噪声被当成虚假吸收峰的影响，实现对有毒、易燃易爆气体、痕量气体的高效、快速检测，可广泛应用于化工、环保等工厂监控及大气监测等领域。

Description

一种消除异路干涉噪声的气体传感方法及系统

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种消除异路干涉噪声的气体传感方法及系统。

背景技术

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱技术)，凭借气体选择性强、灵敏度高、抗干扰、可用于易燃易爆特殊环境的特点，吸引了越来越多研究者的注意，在工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、爆炸检测、大气中痕量污染气体监测等方面具有广泛的应用前景。特别是针对甲烷检测方面，已经有比较成熟的商业化产品出现，相关产品已经为煤矿瓦斯泄漏、天然气巡检等场合提供了更好的检测仪器。然而，基于TDLAS的气体检测系统，经过长期使用后，由于粉尘、盐雾等复杂外部环境的影响，传感结果往往会受到干扰，稳定性和可靠性受到极大挑战。经笔者研究发现，由于使用的DFB激光器大多为窄线宽，由反射等引起的干涉型噪声往往是最难处理的瓶颈，干涉噪声会在吸收输出光上叠加一系列干涉条纹，严重时，可以将有用的谱吸收信号彻底淹没掉。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够有效消除异路干涉噪声的气体传感方法及系统。

本发明提出的消除异路干涉噪声的气体传感方法，使用一个激光器、两个探测器和一个2×2耦合器，经过气室吸收的一路和另外一路光都会产生相位干扰，将相位型噪声分别通过2×2耦合器两个端口，在耦合器内形成叠加干涉，得到两路输出,其中干涉信号中的交流分量反相；两路信号经过线性叠加，干涉信号中的交流分量相互抵消，即可以消除干涉噪声对气体吸收信号的影响，并由合成的新信号可以反演出气体浓度。

本发明提供的消除异路干涉噪声的气体传感系统，其结构如图1所示，由激光器1、光纤环形器2、两个探测器3、4、耦合器5、等效反射点6待测气体的气室7、采集处理系统8等经光纤连接组成；耦合器5为2×2耦合器；其中：

激光器1发出调谐脉冲光，经过环形器2，到达耦合器5，进行分光：其中，一路光经过C1到达反射点6，经过反射后回到耦合器5；另一路光经过C1到达气室7，经过反射后回到耦合器5；两束光经干涉叠加后，在耦合器5分光：其中，一路到达环形器2后，由第一探测器3接收，另一路光直接到达第二探测器4；第一探测器3和第二探测器4的光经过放大后进入采集处理系统8，供采集分析并存储。

其中，C1为耦合器5与反射点6之间的光路，C2为耦合器5与气室7之间的光路；反射点6可以是连接器端面形成的反射或弯曲损耗点引起的反射等。

系统所用的光纤或光纤延迟线可以是单模光纤，也可以是多模光纤。

本发明中，光谱吸收型气体传感的理论基础是气体分子选择性吸收原理。如果可调谐的激光器的出射光经过气室内的气体时，气体会根据吸收光谱选择吸收对应波长的光，从而改变对应波长出射光的能量。假设光源发出的光强为I₀,通过含有待测气体的气室后，光纤会衰减，输出光强I(ν)与输入光强的关系用比尔-兰伯特定律描述，具体为：

I(ν)＝I₀(ν)exp[-α(ν)CL] (1)

其中，C为待测气体的体积浓度，L为气体经过气室的有效吸收长度，α(ν)为不同波长光的气体吸收强度。

上式表明，若有效吸收长度L和待测气体在此波长下的吸收α(ν)已知，那么通过检测经过气室和吸收后的光强和激光器初始入射光强，就可以计算出待测气体的浓度信息。使用中，气体吸收谱线很窄，一般为几十个皮米，由于受到温度等影响，很难将激光波长正好设定在吸收谱线上。一般采用波长调谐脉冲的方法，让调谐范围覆盖吸收谱线即可，这样一个脉冲就可以计算出一个浓度值。同时，由于激光器的光强抖动、气体波长波动等因素，常常采用多种方法提高计算浓度的准确性，比如二次谐波检测、差分检测和参考插值检测等方法。

本发明使用一个可调谐激光器、两个光电探测器和一个2×2耦合器，将相位型噪声分别通过两个路径传递，在耦合器内形成叠加干涉，得到两路输出，两路信号叠加就可以消除干涉信号，从合成的新信号可以反演出气体浓度。其中一路经过气室，另外一路经过反射，最终都进入耦合器中。

假设两路相位型噪声的相位差为

在光电探测器侧输出的两路光的光强为：

其中，I₁和I₂分别为光路C1和C2贡献的光强。

C2光路经过气室7，根据比尔-兰伯特定律，得到这一路的光强，可以表示为：

I₂＝I₀exp[-α(ν)CL] (4)

探测器的光强可以表示为：

可见，在任何一路中，都有干涉型噪声的影响，其会覆盖到有用的信号,根据系统干涉部分反相的特点，将输出进行相加，抵消干涉型噪声的影响。即：

I_t＝I_o1+I_o2＝2I₁+2I₀exp[-α(ν)CL] (7)

据此，可以消除干涉型噪声的影响。

基于TDLAS的气体传感系统，由于反射等引起的异路干涉型噪声往往是最难处理的瓶颈，严重影响系统稳定性和可靠性的最大障碍。本发明可有效消除干涉型噪声被当成虚假吸收峰的影响，实现对有毒、易燃易爆气体、痕量气体的高效、快速检测，可广泛应用于化工、环保等工厂监控及大气监测等领域。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2是气室中未通甲烷时的输出信号。通道1为探测器3光强信号，通道2探测器4光强信号，通道M为通道1和通道2的相加信号。

图3是气室标准浓度为20％的甲烷是输出信号。通道1为探测器3光强信号，通道2探测器4光强信号，通道M为通道1和通道2的相加信号。

图中标号：1是光源，2是环形器，3、4是光电探测器，5是2×2光纤耦合器，6是反射点，7探测气室，4是光电探测器，8为采集处理系统，C1为5与6之间的光路，C2为5与7之间的光路。

具体实施方式

下面以甲烷浓度检测为例，进一步具体介绍本发明。

根据图1所示，所用的激光器为武汉六九传感科技有限公司生产的DFB-BF14-1654型DFB激光器，光纤耦合器、环形器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器，光电探测器为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。其中DFB激光器为可调谐激光器，能够覆盖甲烷的吸收峰值波长1653.7nm，所用的光纤为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤。光源、探测器、耦合器、环形器及气室等的连接方式是FC/APC跳线连接，采集卡为研华PCI9816，反射型气室7的有效探测光程为10cm，中间的光纤连接采用熔接而成。

图2为气室中未通甲烷时，采集系统采集到的波形，其中通道1为探测器3光强信号，通道2探测器4光强信号，通道M为通道1和通道2的相加信号，可以看出相加后，即为原始TDLAS调谐脉冲扫描信号，波形为近似三角波直线，说明异路干涉噪声已经被有效抑制。

图3为气室通入标准浓度为20％的甲烷，其中通道1为探测器3光强信号，通道2探测器4光强信号，通道M为通道1和通道2的相加信号，可以看出相加后，M通道信号出现了对应位置的吸收峰。经过处理后，去除干涉型噪声影响后的吸收谱信号，可见，在三角波直线波形中出现了下凹，表面该点正好覆盖了甲烷的吸收谱线，根据该信号，基于比尔-兰伯特定律可以进行浓度反演，计算的吸收浓度为19.8％，也验证了系统的准确性。

作为实施式为本发明的优选案例，环形器2可以采用光纤耦合器代替。

上述实施式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种消除异路干涉噪声的气体传感方法，其特征是在于，使用一个激光器、两个探测器和一个2×2耦合器，使经过气室吸收的一路和另外一路光都产生相位干扰，将相位型噪声分别通过2×2耦合器两个端口，在耦合器内形成叠加干涉，得到两路输出,其中干涉信号中的交流分量反相；两路信号经过线性叠加，干涉信号中的交流分量相互抵消，即可以消除干涉噪声对气体吸收信号的影响，并由合成的新信号可以反演出气体浓度。

2.一种消除异路干涉噪声的气体传感系统，其特征在于，由激光器、光纤环形器、两个探测器、耦合器、待测气体的气室、采集处理系统经光路连接组成；耦合器为2×2耦合器；其中：

激光器发出调谐脉冲光，经过光纤环形器，到达耦合器，进行分光：其中，一路光经过C1到达反射点，经过反射后回到耦合器；另一路光经过C1到达气室，经过反射后回到耦合器；两束光经干涉叠加后，在耦合器分光：其中，一路到达环形器后，由第一探测器接收，另一路光直接到达第二探测器；第一探测器和第二探测器的光经过放大后进入采集处理系统，供采集分析并存储；

其中，C1为耦合器与反射点之间的光路，C2为耦合器与气室之间的光路，反射点为连接器端面或弯曲损耗点。

3.根据权利要求2所述的消除异路干涉噪声的气体传感系统，其特征在于，系统所用的光纤或光纤延迟线是单模光纤，或者是多模光纤。

4.根据权利要求2所述的消除异路干涉噪声的气体传感系统，其特征在于：

假设激光器发出的光强为I₀,通过含有待测气体的气室后，光强会衰减，输出光强I(ν)与输入光强的关系用比尔-兰伯特定律描述，具体为：

I(ν)＝I₀(ν)exp[-α(ν)CL] (1)

其中，C为待测气体的体积浓度，L为气体经过气室的有效吸收长度，α(v)为不同波长光的气体吸收强度；

根据式(1)，当有效吸收长度L和待测气体在此波长下的吸收α(v)已知，则通过检测经过气室和吸收后的光强和激光器初始入射光强，就可以计算出待测气体的浓度信息；

假设两路相位型噪声的相位差为

在光电探测器侧输出的两路光的光强为：

其中，I₁和I₂分别为光路C2和C2贡献的光强；

C2光路经过气室7，根据比尔-兰伯特定律，得到这一路的光强，表示为：

I₂＝I₀exp[-α(ν)CL] (4)

两个探测器的光强表示为：

在任何一路中，都有干涉型噪声的影响，其会覆盖到有用的信号,根据系统干涉部分反相的特点，将输出进行相加，抵消干涉型噪声的影响，即：

I_t＝I_o1+I_o2＝2I₁+2I₀exp[-α(ν)CL] (7)

据此，可以消除干涉型噪声的影响。

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