CN115112603A - 一种新型的准分布式光纤气体探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的准分布式光纤气体探测方法。本发明采用单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤，以侧面开孔的空芯反谐振光纤作为激光和气体作用的介质，以激光光谱技术直接探测气体，具有响应时间短、灵敏度高、探测极限水平高等优点，在煤矿气体安全监测、管廊气体探测、污染气体探测等领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测技术领域，提出了一种基于空芯反谐振光纤和单模光纤结合的准分布式光纤气体探测方法。
背景技术
光纤被发明之后，已经广泛应用于光纤通信、光纤激光器、光纤传感等领域，对人类社会发展产生了深远的影响。在光纤传感领域，分布式光纤传感技术具有远距离、分布式、多参量等优点，成为传感领域的一项重要技术，已经实现了分布式光纤温度、振动、应力等物理量的传感，在石化、建筑、电力、国防等领域得到了广泛的应用。
在煤矿、地铁、隧道、地下管廊等相对封闭有具有长距离特征的地方，通常需要对特定的气体进行监测，以确保人员及设备安全，分布式光纤气体探测是理想的技术选择方案。然而，由于光纤（通常以石英玻璃作为主要介质）本身对气体不敏感，导致了人们目前还没有发明真正意义上的分布式光纤气体传感器。目前已经报道的技术方案中，采用光纤光栅等光纤器件结合气体敏感的化学材料，使得气体浓度信号转化为温度信号，从光纤光栅对温度敏感实现最终的气体探测；再进一步串联多个基于光纤光栅的气体探测传感器就可以实现准分布式光纤气体探测系统。然而该技术方案存在两个缺点：1、和光纤光栅结合的化学材料具有漂白作用，限制了传感系统使用时间，增加了维修成本；2、由于温度成为中间传感物理量，使得气体探测系统具有温度串扰的缺点。
发明内容
为解决现有准分布式光纤气体探测技术难题，本发明提出了一种基于空芯反谐振光纤和单模光纤结合的准分布式光纤气体探测方法及实现该方法的装置。
本发明包括以下步骤：
步骤1：选用一套半导体激光器、一套激光驱动器、一个声光调制器、一套声光调制驱动器、一个电路处理单元、一个光放大器、一个光纤环形器、一个光电探头、多段单模光纤、多段空芯反谐振光纤，所述的多段空芯反谐振光纤沿着长度方向有周期性的侧面开孔。
步骤2：将半导体激光器的输入端与激光驱动器导线连接；将半导体激光器的输出端和声光调制器的输入端光纤连接。
将声光调制器的输出端与光放大器的输入端光纤连接；将声光调制器的输入端与声光调制驱动器的输出端导线连接；将声光调制驱动器的输入端与电路处理单元导线连接。
将光放大器的输出端与光纤环形器的第一端口光纤连接；将光纤环形器的第三端口与光电探测器光纤连接；将光电探测器与电路处理单元导线连接。
多段单模光纤和多段空芯反谐振光纤按照单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成传感光纤，最后再焊接一段单模光纤作为末尾，其中一段空芯反谐振光纤就作为一个气体传感点位；将光纤环形器的第二端口与由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤连接。
步骤3：将由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤放置需要气体探测的环境中，确保各段空芯反谐振光纤和气体探测点一一对应；在空芯反谐振光纤周围的气体将通过空芯反谐振光纤侧面孔进入光纤芯层。
步骤4：开启电路处理单元和激光驱动器，由电路处理单元控制激光驱动器驱动半导体激光器，使得输出激光波长和气体吸收峰重合，同时由电路处理单元控制声光调制驱动器驱动声光调制器，把半导体激光器输出的连续光调制成脉冲光，脉冲激光通过光放大器放大能量，然后通过光纤环形器注入到由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤，再利用光电探头通过多次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Pon,i+和Pon,i-。
其次由电路处理单元控制激光驱动器驱动半导体激光器，使得输出激光波长偏移气体吸收峰，和最近的吸收谷重合，维持其它条件不变，通过光电探头通过多次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Poff,i+和Poff,i-。
基于以上数据，在长度为Li的空芯反谐振光纤中，气体吸收导致的光强变化为Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-),根据气体光谱吸收定律有Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-)=exp(-k×Ci×Li)，其中k为气体相关的常数，由此推算出长度为Li的空芯反谐振光纤纤芯的气体浓度为Ci=ln[(Pon,i+×Poff,i-)/(Pon,i-×Poff,i+)]/(k×Li)。
本发明的有益效果：
1、采用空芯反谐振光纤作为激光和气体作用介质，采用激光光谱技术实现气体浓度探测，具有精度高、探测极限小等优点。
2、没有采用基于化学物质作为气体探测的中介，避免了漂白效应和环境温度干扰。
附图说明
图1是一种基于空芯反谐振光纤和单模光纤结合的准分布式光纤气体探测系统结构图；
图2是一种侧面开孔空芯反谐振光纤示意图；
图3a是图2中的A部分横截面结构图；
图3b是图2中的B部分横截面结构图；
图4是一段侧面开孔空芯反谐振光纤的光传输示意图。
具体实施方式
结合图例说明本发明的具体实施方式。
以实现甲烷气体探测为例，实现本发明的步骤包括：
步骤1：针对甲烷气体作为探测目标，选用一套半导体激光器1、一套激光驱动器2、一个声光调制器3、一套声光调制驱动器4、一个电路处理单元5、一个光放大器6、一个光纤环形器7、一个光电探头8、3段单模光纤、2段空芯反谐振光纤，见图1。
所述的一套半导体激光器1为带有光纤输出的窄线宽半导体激光器，其输出激光波长在甲烷气体的特征吸收峰1653.7nm附近，输出激光线宽小于2MHz，在半导体激光器1工作温度或工作电流改变情况下能够实现激光波长在气体吸收峰和吸收谷切换。
所述的一个声光调制器3工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长1653.7nm。
所述的一个电路处理单元5集成高速采集、信号发生、锁相放大、数据处理及输出等电路功能。
所述的一个光放大器6工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长1653.7nm的半导体光放大器。
所述的一个光纤环形器7工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长1653.7nm，激光从光纤环形器7的第一端口输入则从第二端口输出，激光从光纤环形器7的第二端口输入则从第三端口输出。
所述的一个光电探头8工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长1653.7nm。
所述的3段单模光纤工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长1653.7nm。
所述的2段空芯反谐振光纤工作波段覆盖半导体激光器1的激光波长，其芯层为空气，约束包层为能够确保反谐振机制的6个横截面为圆环或圆环嵌套的微管，外包层和芯层有空气连通区域，约束包层和外包层介质为石英玻璃，空芯反谐振光纤横截面如图3a所示；所述的2段空芯反谐振光纤长度分别为L1=10m、L2=15m；所述的2段空芯反谐振光纤沿着长度方向有周期性的侧面开孔，如图2所示，其开孔方法是将一段空芯反谐振光纤放置在激光加工系统中，根据设定的程序对空芯反谐振光纤侧面进行周期性的开孔加工，加工后空芯反谐振光纤芯层和外界空气连通，加工后的侧面开孔空芯反谐振光纤12的横截面结构如图3b所示。
步骤2：将半导体激光器1的输入端与激光驱动器2导线连接；将半导体激光器1的输出端和声光调制器3的输入端光纤连接；
将声光调制器3的输出端与光放大器6的输入端光纤连接；将声光调制器3的输入端与声光调制驱动器4的输出端导线连接；将声光调制驱动器4的输入端与电路处理单元5导线连接；
将光放大器6的输出端与光纤环形器7的第一端口光纤连接；将光纤环形器7的第三端口与光电探测器8光纤连接；将光电探测器8与电路处理单元5导线连接；
2段单模光纤和2段空芯反谐振光纤按照单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成两个传感单元9和10，其中以2段空芯反谐振光纤为传感点9-2和10-2，整体构成传感光纤，最后再焊接一段单模光纤11作为末尾；将光纤环形器7的第二端口与由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤连接。
步骤3：将由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤放置需要气体探测的环境中，2段空芯反谐振光纤9-2和10-2作为两个传感点。在空芯反谐振光纤周围的气体将通过空芯反谐振光纤9-2和10-2侧面孔进入光纤芯层。将空芯反谐振光纤9-2和10-2做适当的防灰尘处理。
步骤4：开启电路处理单元5和激光驱动器2，首先由电路处理单元5控制激光驱动器2驱动半导体激光器1，使得输出激光波长和气体吸收峰1653.7nm重合，同时由电路处理单元5控制声光调制驱动器4驱动声光调制器3，把半导体激光器1输出的连续光调制成脉冲光，脉宽10纳秒，脉冲激光通过光放大器6放大能量，然后通过光纤环形器7注入到由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤，再利用光电探头8通过1000次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Pon,i+和Pon,i-，见图4；
其次由电路处理单元控制激光驱动器2驱动半导体激光器1，使得输出激光波长偏移气体吸收峰，和最近的吸收谷重合，维持其它条件不变，通过光电探头8通过1000次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Poff,i+和Poff,i-；
基于以上数据，在长度为Li的空芯反谐振光纤中，气体吸收导致的光强变化为Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-),根据气体光谱吸收定律有Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-)=exp(-k×Ci×Li)，其中k为甲烷气体相关的常数。最后推算出长度为L1=10m、L2=15m的空芯反谐振光纤纤芯的气体浓度分别为C1=2.6ppm和C2=10.2ppm；系统响应时间优于1秒，精度达到0.1ppm。
综上，本发明提出了一种基于空芯反谐振光纤和单模光纤结合的准分布式光纤气体探测方法，采用单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤，以侧面开孔的空芯反谐振光纤作为激光和气体作用的介质，以激光光谱技术直接探测气体，具有响应时间短、精度高、探测极限水平高等优点，在煤矿气体安全监测、管廊气体探测、污染气体探测等领域具有重要的应用价值。
Claims (9)
1.一种新型的准分布式光纤气体探测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1：选用一套半导体激光器、一套激光驱动器、一个声光调制器、一套声光调制驱动器、一个电路处理单元、一个光放大器、一个光纤环形器、一个光电探头、多段单模光纤、多段空芯反谐振光纤，所述的多段空芯反谐振光纤沿着长度方向有周期性的侧面开孔；
步骤2：将半导体激光器的输入端与激光驱动器导线连接；将半导体激光器的输出端和声光调制器的输入端光纤连接；
将声光调制器的输出端与光放大器的输入端光纤连接；将声光调制器的输入端与声光调制驱动器的输出端导线连接；将声光调制驱动器的输入端与电路处理单元导线连接；
将光放大器的输出端与光纤环形器的第一端口光纤连接；将光纤环形器的第三端口与光电探测器光纤连接；将光电探测器与电路处理单元导线连接；
多段单模光纤和多段空芯反谐振光纤按照单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成传感光纤，最后再焊接一段单模光纤作为末尾，其中一段空芯反谐振光纤就作为一个气体传感点位；将光纤环形器的第二端口与由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤连接；
步骤3：将由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤放置需要气体探测的环境中，确保各段空芯反谐振光纤和气体探测点一一对应；在空芯反谐振光纤周围的气体将通过空芯反谐振光纤侧面孔进入光纤芯层；
步骤4：开启电路处理单元和激光驱动器，由电路处理单元控制激光驱动器驱动半导体激光器，使得输出激光波长和气体吸收峰重合，同时由电路处理单元控制声光调制驱动器驱动声光调制器，把半导体激光器输出的连续光调制成脉冲光，脉冲激光通过光放大器放大能量，然后通过光纤环形器注入到由单模光纤——空芯反谐振光纤交替焊接组成的传感光纤，再利用光电探头通过多次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Pon,i+和Pon,i-；
其次由电路处理单元控制激光驱动器驱动半导体激光器，使得输出激光波长偏移气体吸收峰，和最近的吸收谷重合，维持其它条件不变，通过光电探头通过多次测量平均后获得每段长度为Li的空芯反谐振光纤前后光纤焊接点的反射光的强度信号为Poff,i+和Poff,i-；
基于以上数据，在长度为Li的空芯反谐振光纤中，气体吸收导致的光强变化为Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-),根据气体光谱吸收定律有Pon,i-×Poff,i+/(Pon,i+×Poff,i-)=exp(-k×Ci×Li)，其中k为气体相关的常数，由此推算出长度为Li的空芯反谐振光纤纤芯的气体浓度为Ci=ln[(Pon,i+×Poff,i-)/(Pon,i-×Poff,i+)]/(k×Li)。
2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一套半导体激光器为带有光纤输出的窄线宽半导体激光器，其输出激光波长在待测气体的特征吸收峰附近，输出激光线宽小于3MHz，在电流驱动情况下能够在气体吸收峰附近波长扫描。
3.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一个声光调制器工作波段覆盖半导体激光器的激光波长。
4.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一个电路处理单元集成高速采集、信号发生、锁相放大、数据处理及输出电路功能。
5.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一个光放大器工作波段覆盖半导体激光器的激光波长。
6.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一个光纤环形器工作波段覆盖半导体激光器的激光波长，激光从光纤环形器的第一端口输入则从第二端口输出，激光从光纤环形器的第二端口输入则从第三端口输出。
7.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的一个光电探头工作波段覆盖半导体激光器的激光波长。
8.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的多段单模光纤工作波段覆盖半导体激光器的激光波长。
9.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：
所述的多段空芯反谐振光纤工作波段覆盖半导体激光器的激光波长，其芯层为空气，约束包层为能够确保反谐振机制的多个横截面为圆环或圆环嵌套的微管，外包层和芯层有空气连通区域。
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