CN203630031U

CN203630031U - 一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统

Info

Publication number: CN203630031U
Application number: CN201320811147.XU
Authority: CN
Inventors: 常恒泰; 常军; 刘永宁; 王福鹏; 刘晓慧
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2023-12-10

Abstract

一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，属光纤传感检测技术领域，包括分布反馈半导体激光器、光开关等，分布反馈半导体激光器接正向使用1*2光开关的输入端；正向使用1*2光开关的一路经气室和逆向使用1*2光开关的一输出端相接，另一路输出端经单模光纤和逆向使用1*2光开关的另一输出端相接；逆向使用1*2光开关的输入端接到光电探测器，光电探测器连接数据采集卡，数据采集卡和计算机相接；激光器驱动模块和温度控制模块分别连接分布反馈半导体激光器；两个光开关的控制端分别与计算机相连。本实用新型在使用时可消除器件和激光器内部残余待测气体对检测结果的影响，能提高检测准确度和精度；系统结构简单，成本低，操作方便。

Description

一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种可消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，属于光纤传感气体检测技术领域。

技术背景

在很多场合中，微量气体浓度的精确监测十分重要。例如电气设备中六氟化硫气体，微量的水气就会降低电气设备的绝缘特性，并腐蚀设备，造成严重危害，所以对其微量水分的测试尤为重要。目前，基于比尔-朗伯定理的光纤气体传感器因其结构紧凑、测量精度高、抗电磁干扰等优点，在微量气体检测中得到越来越广泛的应用。

值得注意的是，在微量气体检测中，待测气体的含量非常低，由该气体引起的红外光吸收会非常微弱，因此可探测到的有用信号本身也就非常微弱。在红外探测光经过的光路中，除了装有待测样品的气室外，如若其他器件内部残存一定量的待测气体，则这部分气体会对检测结果造成严重干扰。通常，光纤气体传感系统采用分布反馈半导体激光器作为红外光源，PIN光电二极管作为探测器。资料显示，分布反馈半导体激光器内部LD芯片与输出尾纤之间存在约2毫米的间隙，PIN光电探测器中光纤输出端面与光敏材料之间存在约1毫米的间隔。一般的商用分布反馈半导体激光器和光电探测器基本是在干燥的大气环境下封装而成，但其气密性不佳，在应用过程中若长时间暴露在大气中，外界空气就会渗入到激光器和光电探测器内部，在分布反馈半导体激光器和光电探测器内部分别形成一个有效吸收光程约为2毫米和1毫米的空气气隙。如果待测气体是空气中含量较高的气体成分（如水蒸气、二氧化碳、氧气等），这两个气隙就相当于两个装有待测气体的小气室，严重影响测量结果。以微水检测为例，夏季湿度较大时大气中水蒸气的含量约为20000ppm（体积分数比），根据比尔-朗伯定理，此浓度下1毫米的气隙对红外光的吸收相当于10厘米的气室内200ppm水蒸气引起的吸收。该情况下光电器件内部1毫米气隙吸收带来的影响，其信号量级与气室内200ppm水蒸气对应的信号强度基本相同，对于痕量气体检测可见其影响之大。

专利号为201320093238.4、发明人为王强等、发明名称为“以光纤气体传感器器件内部水为参考的痕量水气检测装置”的实用新型，介绍了一种以光电探测器、激光器及准直器内部残余水蒸气为参考检测痕量气体浓度的装置，在检测准直器内部水蒸气信号强度时，将信号光路和参考路里激光器内部和光电探测器内部的水蒸气干扰信号看做共模干扰，采用双光路差分的方法从理论上来看能将水蒸气干扰信号消除，但是，两个光路中的光电探测器毕竟不是完全相同，因此其内部含有待测气体的浓度也不尽相同，实现完全匹配难度较大，所以该方法虽然能很好的消除掉绝大部分干扰，但还是不能做到完全消除。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本实用新型提出了一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，旨在提供一种简单有效的装置以实现微量气体的精确测量。

本实用新型的技术方案是按以下方式实现的：

一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，包括激光器驱动模块、温度控制模块、分布反馈半导体激光器、正向使用1*2光开关、逆向使用1*2光开关、气室、单模光纤、光电探测器、数据采集卡及计算机，其特征在于分布反馈半导体激光器的输出尾纤接正向使用1*2光开关的输入端；正向使用1*2光开关的一路输出端连接气室的一端，气室的另一端接逆向使用1*2光开关的一个输出端；正向使用1*2光开关的另一路输出端接单模光纤，单模光纤的另一端连接逆向使用1*2光开关的另一个输出端；逆向使用1*2光开关的输入端连接到光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端和计算机相连接；激光器驱动模块和温度控制模块分别连接分布反馈半导体激光器；正、逆向使用1*2光开关的控制端分别与计算机相连接。

所述的分布反馈半导体激光器的具体工作波长和待测气体的吸收峰的波长相适配。

所述的光电探测器为InGaAs PIN光电二极管。

所述的正向使用1*2光开关与逆向使用1*2光开关均为普通机械式光开关。

一种上述气体检测系统的工作方法，步骤如下：

1）设定合适的温度控制参数和分布反馈半导体激光器电流驱动参数使分布反馈半导体激光器的输出波长周期性扫描过待测气体的吸收峰；分布反馈半导体激光器驱动电流波形为锯齿波或三角波；

2）在一个扫描周期开始时，计算机控制两个光开关即正、逆向使用1*2光开关，使分布反馈半导体激光器的输出光通过串接气室的一路，激光经过装有待测气体的气室时，一部分光强被待测气体吸收，剩余激光作为信号光进入光电探测器，经光电探测器转换为电信号后进入数据采集卡，数据采集卡将采集到的电信号数据送入计算机当中；

3）在下一个扫描周期开始时，计算机控制两个光开关即正、逆向使用1*2光开关，使激光器的输出光直接通过普通单模光纤而进入无气室的一路，作为参考光直接被导入光电探测器，同样经光电探测器转换为电信号后由数据采集卡进行采集，采集到的数据由计算机接收、存储处理；

4）将步骤2）、3）两组数据送入计算机当中进行减法处理，提取出只与气室内气体含量

有关的信号，根据比尔-朗伯定理反演推算出待测气体的浓度，其推算公式如下：

其中，C为待测气体体积分数比，i_信号为得到的与气室内气体含量有关的信号电压值，a为光电转换系数，I₀为激光入射气室的平均光功率，α为待测气体吸收系数，L为气室有效吸收光程；

5）重复步骤2）、3）、4）的检测过程，能够实现对待测气体实时连续的浓度的检测。

本实用新型的突出之处在于，包含气室内待测气体浓度信息的信号光和不包含气室内待测气体浓度信息的参考光都由同一个光电探测器接收，如此，光电探测器的影响可以通过对两路信号的差分处理被完全消除，而整个系统是通过控制1*2光开关两个输出端分时通断来实现的。

本实用新型有以下优点：从理论上可以完全消除系统中光电器件内部和激光器内部残余待测气体对检测结果的影响，提高了系统的检测准确度和精度；系统结构简单，成本低，操作方便。

附图说明：

图1是本实用新型系统的结构示意图。

其中：1、激光器驱动模块，2、温度控制模块，3、分布反馈半导体激光器，4、正向使用1*2光开关，5、气室，6、单模光纤，7、逆向使用1*2光开关，8、光电探测器，9、数据采集卡，10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本实用新型实施例1如图1所示：一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，包括激光器驱动模块1、温度控制模块2、分布反馈半导体激光器3、正向使用1*2光开关4、逆向使用1*2光开关7、气室5、单模光纤6、光电探测器8、数据采集卡9及计算机10，其特征在于分布反馈半导体激光器3的输出尾纤接正向使用1*2光开关4的输入端；正向使用1*2光开关4的一路输出端连接气室5的一端，气室5的另一端接逆向使用1*2光开关7的一个输出端；正向使用1*2光开关4的另一路输出端接单模光纤6，单模光纤6的另一端连接逆向使用1*2光开关7的另一个输出端；逆向使用1*2光开关7的输入端连接到光电探测器8的输入端，光电探测器8的输出端连接数据采集卡9的输入端，数据采集卡9的输出端和计算机10相连接；激光器驱动模块1和温度控制模块2分别连接分布反馈半导体激光器3；正、逆向使用1*2光开关4和7的控制端分别与计算机相连接。激光器驱动模块1输出锯齿波信号电流，驱动分布反馈半导体激光器3的输出波长周期性地扫描过水蒸气1368.579nm处的吸收峰；温度控制模块2连接分布反馈半导体激光器3，其参数与激光器驱动电路参数相适配以确保分布反馈半导体激光器3的输出波长扫描过气体吸收峰；

所述的分布反馈半导体激光器3其中心波长为1370nm，对应于水蒸气的吸收峰。

所述的光电探测器8为InGaAs PIN光电二极管。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述分布反馈半导体激光器的中心波长为2000nm，对应二氧化碳气体吸收峰。

实施例3：

和实施例1相同，只是所述分布反馈半导体激光器的中心波长为760nm，对应氧气吸收峰。

Claims

1.一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，包括激光器驱动模块、温度控制模块、分布反馈半导体激光器、正向使用1*2光开关、逆向使用1*2光开关、气室、单模光纤、光电探测器、数据采集卡及计算机，其特征在于分布反馈半导体激光器的输出尾纤接正向使用1*2光开关的输入端；正向使用1*2光开关的一路输出端连接气室的一端，气室的另一端接逆向使用1*2光开关的一个输出端；正向使用1*2光开关的另一路输出端接单模光纤，单模光纤的另一端连接逆向使用1*2光开关的另一个输出端；逆向使用1*2光开关的输入端连接到光电探测器的输入端，光电探测器的输出端连接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端和计算机相连接；激光器驱动模块和温度控制模块分别连接分布反馈半导体激光器；正、逆向使用1*2光开关的控制端分别与计算机相连接。

2.如权利要求1所述的一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，其特征在于所述的分布反馈半导体激光器的具体工作波长和待测气体的吸收峰的波长相适配。

3.如权利要求1所述的一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，其特征在于所述的光电探测器为InGaAs PIN光电二极管。

4.如权利要求1所述的一种消除光电器件内部残余待测气体影响的气体检测系统，其特征在于所述的正向使用1*2光开关与逆向使用1*2光开关均为普通机械式光开关。