CN1952646A - 一种光纤气体浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

一种光纤气体浓度测量仪，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(4)、气体吸收池(5)、光电探测器(6、7)和信号采集处理系统(8)，其特征在于还有光隔离器(2)、可调谐法珀滤波器(3)，其连接关系如下：宽带光源(1)接光隔离器(2)的输入端口，光隔离器(2)的输出通过可调谐法珀滤波器(3)滤波接光纤耦合器(4)的输入端口，光纤耦合器(4)的一路输出接气体吸收池(5)，气体吸收池(5)的输出和光纤耦合器(4)的另一路输出分别经光电探测器(6、7)接信号采集处理系统(8)。本发明采用可调谐法珀滤波器(3)滤波获得窄带光，进行了两次差分处理，具有结构简单、成本较低、使用安全和消除干扰的优点。

Description

一种光纤气体浓度测量仪

技术领域：

本发明涉及光纤传感技术领域，具体属于一种利用可调谐法珀滤波器滤波的进行了两次差分处理的光纤气体浓度测量仪。

背景技术：

瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，对矿井空气中的瓦斯含量进行连续准确及时的监测是现代煤矿安全生产的重要保证。因此开发一种安全可靠、高灵敏度的气体传感系统用于瓦斯的监测具有重大的社会意义和经济意义。

气体浓度的测量，按原理可以分为：光学式、热催化反应式、热导式、半导体式、酶和生物式、电化学直接氧化式等。光学式气体传感器具有许多其他传感器无法比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、防燃防爆、不易中毒、且可用光纤传输实现长距离遥测等，特别适合于环境恶劣的矿井下瓦斯的监测。根据检测原理光学式气体传感器还可分为吸收光谱式、折射率式、喇曼光谱式和荧光光谱式。频率调制光谱法和差分吸收光谱法是用于光纤甲烷浓度在线监测的两种主要方法。差分吸收光谱法能够有效地消除由散射、气体波动和光路损耗带来的系统误差，获得较高的灵敏度，从而得到广泛的应用。差分吸收光谱法是用两个波长(λ₁和λ₂)相隔很近(但吸收系数有很大差别)的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，λ₁和λ₂分别是待测气体的吸收波长和无吸收波长，则气体浓度c可以从λ₁和λ₂光的输入输出光强的变化量求出，这种方式就称为差分吸收光谱法。

差分吸收光谱法需要对宽带光源滤波以提取中心波长为λ₁和λ₂的信号光和参考光。在现有技术中，使用中心波长为λ₁和λ₂的滤波器可以获得信号光和参考光，但是这种方法对滤波器中心波长的位置精度和稳定性提出了较高的要求。同时，λ₁和λ₂预先选定，不利于排除其它气体在该波长处的吸收干扰；直接使用λ₁和λ₂光的输入输出光强求取气体浓度，仍然受到光源光谱曲线不平坦和随时间波动的影响。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可靠的光纤气体浓度测量仪，达到结构简单、成本较低、使用安全方便和消除干扰。

本发明采用的技术方案如下：

宽带光源通过可调谐法珀滤波器滤波获得窄带光。由一对单芯准直器或一只双芯准直器和反射镜构成气体吸收池。进行两次差分处理：光纤耦合器将窄带光分成两路，分别进入测量光路和参考光路，利用测量光路和参考光路的光强比值进行测量，消除光源波动的影响；扫描可调谐法珀滤波器获得信号光波长和参考光波长光强，进行差分吸收光谱法测量。

宽带光源接光隔离器的输入端口，光隔离器的输出经可调谐法珀滤波器滤波获得波长扫描窄带光，窄带光经光纤耦合器分成两路，其中一路光进入测量光路，经长距离光纤传输进入气体吸收池，获得测量信息，进入返回光纤。另一路光通过参考光路。两路光经光电探测器转换为电信号，进入信号采集处理系统。

由气体介质的吸收特性可知，当光波通过气体介质时，部分光被吸收，部分光被散射，余下的部分按原传播方向继续前进。由比尔(Beer)定律，透射光强I₁满足关系式

I₁＝K₁I₀₁exp[-(αcl+βl+γl+δ)]    (1)

其中，I₀₁为测量光路入射光强，K₁为测量光路的总效率，α为一定波长下单位浓度、单位长度介质的吸收系数，β为瑞利散射系数，γ为米氏散射系数，δ为气体密度波动造成的吸收系数，l为待测气体与光相互作用的长度，c为待测气体浓度。

参考光路的光强I₂为

I₂＝K₂I₀₂    (2)

其中，K₂为参考光路的总效率，I₀₂为参考光路的入射光强。

由测量光路和参考光路结构和器件的相同可以得到K₁、K₂服从相同的变化规律，它们的比值应为常数，记为M。将(1)、(2)式相除得测量光路和参考光路的光强比值，记为g

g＝Mbexp[-(αcl+βl+γl+δ)]    (3)

其中b为光纤耦合器的分光比。

g为λ的函数，扫描可调谐法珀滤波器获得一系列g值，写成g(λ)。提取信号光波长λ₁和参考光波长λ₂的值，由于扫描范围足够小，λ₁和λ₂相隔很近，由气体波动和散射对两束光产生的影响相同，则待测气体的浓度c可以表示为

$c=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]l}\ln \frac{g\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{g\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(4\right)$

其中α(λ₁)和α(λ₂)分别为待测气体在λ₁和λ₂处的吸收系数。

本发明提出的光纤气体浓度测量仪有如下优点：

1、采用可调谐法珀滤波器对宽带光源滤波产生差分吸收测量所需的波长扫描窄带光，信号光和参考光来自同一可调谐法珀滤波器滤波，消除了器件参数带来的误差。

2、用测量光路和参考光路的光强比值，而不是用信号光光强直接作为计算数据，有效的消除了光源波动和光源光谱曲线不平坦的影响。

3、通过扫描可调谐法珀滤波器提取信号光波长和参考光波长，降低了对滤波元件中心波长精度和稳定性的要求。

附图说明：

图1是本发明提出的光纤气体浓度测量仪的具体实施方式示意图。

图2是气体吸收池的一种结构。

图3是气体吸收池的另一种结构。

具体实施方式：

图1是本发明提出的光纤气体浓度测量仪的具体实施方式的光路结构示意图。由图可知，本实施方式由宽带光源1、光隔离器2、可调谐法珀滤波器3、光纤耦合器4、气体吸收池5、光电探测器6、7、信号采集处理系统8组成。

宽带光源1接光隔离器2的输入端口，光隔离器2的输出通过可调谐法珀滤波器3滤波接光纤耦合器4的输入端口，光纤耦合器4的一路输出接气体吸收池5，气体吸收池5的输出和光纤耦合器4的另一路输出分别经光电探测器6、7接信号采集处理系统8。

宽带光源1发出的宽带光源通过光隔离器2，经可调谐法珀滤波器3滤波获得波长扫描窄带光，窄带光经光纤耦合器4分成两路，光纤耦合器4的一路输出光进入测量光路，经长距离光纤传输进入气体吸收池5，获得测量信息，进入返回光纤，经光电探测器6转换为电信号，进入信号采集处理系统8。光纤耦合器4的另一路输出光通过参考光路，经光电探测器7转换为电信号，进入信号采集处理系统8。扫描可调谐法珀滤波器3，获得波长为λ₁和λ₂时测量光路和参考光路的光强比值g(λ₁)和g(λ₂)，进行差分运算处理获得被测甲烷气体浓度

$c=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]l}\ln \frac{g\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{g\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(4\right)$

其中α(λ₁)和α(λ₂)分别为气体在λ₁和λ₂处的吸收系数，g(λ₁)和g(λ₂)分别为窄带光波长为λ₁和λ₂时测量光路和参考光路的光强比值，l为待测气体与光相互作用的长度，c为待测气体浓度。

本发明提出了气体吸收池5可以采用的两种结构。

本发明提出的气体吸收池5的第一种结构，如图2所示。一对单芯准直器9、11分别接输入光纤和返回光纤，单芯准直器9、11相互对准，形成光与气体作用空间10。

本发明提出的气体吸收池5的另一种结构，如图3所示。一只双芯准直器12的两芯分别接输入光纤和返回光纤，双芯准直器12和反射镜14相互对直，形成光与气体作用空间13。

Claims (5)

1、一种光纤气体浓度测量仪，包括宽带光源(1)、光纤耦合器(4)、气体吸收池(5)、光电探测器(6、7)和信号采集处理系统(8)，其特征在于还有光隔离器(2)、可调谐法珀滤波器(3)，其连接关系如下：宽带光源(1)接光隔离器(2)的输入端口，光隔离器(2)的输出通过可调谐法珀滤波器(3)滤波接光纤耦合器(4)的输入端口，光纤耦合器(4)的一路输出接气体吸收池(5)，气体吸收池(5)的输出和光纤耦合器(4)的另一路输出分别经光电探测器(6、7)接信号采集处理系统(8)。

2、根据权利要求1所述的光纤气体浓度测量仪，其特征在于所述的可调谐法珀滤波器(3)是获得窄带光的滤波元件。

3、根据权利要求1所述的光纤气体浓度测量仪，其特征在于进行了两次差分处理，第一次光纤耦合器(4)将窄带光分成两路，分别进入测量光路和参考光路，第二次扫描可调谐法珀滤波器(3)获得信号光波长和参考光波长。

4、根据权利要求1所述的光纤气体浓度测量仪，其特征在于所述的气体吸收池(5)可以由一对单芯准直器(9、11)构成。

5、根据权利要求1所述的光纤气体浓度测量仪，其特征在于所述的气体吸收池(5)可以由一只双芯准直器(12)和反射镜(14)构成。

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