CN208833660U - 一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，包括光源、环形器、耦合器A、偏振控制器A、偏振控制器B、耦合器B、气体吸收池、光纤延迟线、声光调制器、驱动器、电脑、自平衡探测器、数据采集卡。本实用新型提高了干涉信号可见度、确保了相邻的光脉冲序列在时域上被分开、有效消除了输出的干涉信号直流成分及系统背景噪声，提高了系统信噪比。采用快速傅里叶变换将干涉信号转变为时域信号，从而获得一系列衰荡脉冲序列。本实用新型结构简单可靠，具有良好的互易性，不易受振动等外界环境影响，大大提高了气体传感器的灵敏度和稳定性。

Description

一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤气体传感器，尤其涉及一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器；属于光电检测技术领域。

背景技术

在工业生产和日常生活中，不可避免地会产生一些易燃易爆、有毒有害的气体，不仅会严重威胁生产安全，也会对生态环境造成一定的破坏，危害人们的身体健康，必须对这些气体的浓度进行快速准确的检测，以便及时采取措施，避免发生灾害事故。

传统常用的催化燃烧式电子气体传感器测量精度偏低，无法彻底解决频繁校正的问题。基于色谱分析技术的气体传感器，例如气体色谱分析仪、束管系统等，具有较高的测量精度，但其通常需要从实际工作环境中先采集样本，然后送样到实验室内进行分析检测，工序繁琐，不能实时在线监测；基于光谱吸收的光纤气体传感器由于本质安全，易于组网和适用于远距离在线检测等优点，越来越受到普遍关注，在煤矿危害气体检测、管廊隧道火灾气体检测等应用中发挥了巨大作用。

直接光谱吸收式光纤气体传感器能够快速、便捷地实现远程在线气体浓度检测，但许多气体在近红外波段吸收系数非常微弱，易造成测量灵敏度普遍偏低。腔衰荡光谱吸收技术是最重要的高灵敏气体检测技术之一，它通过使光多次经过待测气体反复地被气体吸收，增加光与气体的有效作用，获得更高检测精度。根据不同的结构分类，可以将光纤衰荡腔分为三大类：光纤环形腔、光纤光栅腔和纤端涂覆腔。其中光纤环形衰荡腔的应用最为广泛，它由两个光纤耦合器和气体吸收池构成，这种结构简单稳定，易于实现，但光波耦合进入衰荡腔内时将会引入耦合损耗，即便选择分光比为99:1的耦合器，耦合损耗仍是衰荡腔固有损耗的重要部分，严重缩短了衰荡时间，引起输出衰荡序列快速衰退，使检测精度严重受限，目前光纤衰荡腔技术难以从根本上消除增益起伏和自发辐射效应的影响，腔内插入光源（1）放大后加剧了衰荡腔的不稳定性，致使了系统灵敏度升高但稳定性大大下降。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，以解决上述背景技术中提出工序繁琐、灵敏度低、稳定性差等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，包括光源、环形器、耦合器A、偏振控制器A、偏振控制器B、耦合器B、气体吸收池、光纤延迟线、声光调制器、驱动器、电脑、自平衡探测器、数据采集卡，其特征在于：所述环形器连接于光源，所述耦合器A连接于环形器，所述偏振控制器B连接于耦合器A，所述耦合器B上端连接于偏振控制器B，所述气体吸收池上端连接于耦合器B上端，所述偏振控制器A连接于耦合器A，所述声光调制器连接于偏振控制器A，所述光纤延迟线连接于声光调制器，所述耦合器B下端连接于光纤延迟线，所述气体吸收池下端连接于耦合器下端；所述自平衡探测器连接于环形器，所述自平衡探测器连接于耦合器A，所述数据采集卡连接于自平衡探测器，所述电脑连接于数据采集器，所述驱动器连接于电脑，所述声光调制器连接于驱动器。

优选地，所述光源通过温度控制和电流驱动调节激光器输出波长与待测气体的吸收线一致。

优选地，所述声光调制器无方向选择性，从任何一个端口输入的光波频移量都相同，且只与驱动器设置的参数有关，输入输出端口可双向互换的声光调制器。

优选地，所述耦合器A能够将光源发出的激光分成顺时针和逆时针两个方向传播，耦合器B能够将光信号再次分成两束传播。

优选地，所述自平衡探测器能够作差分探测实现光电转换。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提高了干涉信号可见度、确保了相邻的光脉冲序列在时域上被分开、有效消除了输出的干涉信号直流成分及系统背景噪声，提高了系统信噪比。采用快速傅里叶变换将干涉信号转变为时域信号，从而获得一系列衰荡脉冲序列。本实用新型结构简单可靠，具有良好的互易性，不易受振动等外界环境影响，大大提高了气体传感器的灵敏度和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型多衰荡干涉型全光纤气体传感器结构示意图；

图2为本实用新型干涉衰荡腔结构示意图；

附图说明中：1-光源、2-环形器、3-耦合器A、4-偏振控制器A、5-偏振控制器B、6-耦合器B、7-气体吸收池、8-光纤延迟线、9-声光调制器、10-驱动器、11-电脑、12-自平衡探测器、13-数据采集卡。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作；术语“连接”理解为通过“电连接”、“光纤连接”或“光电连接”，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1-2，本实用新型提供一种技术方案：一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，包括光源1、环形器2、耦合器A3、偏振控制器A4、偏振控制器B5、耦合器B6、气体吸收池7、光纤延迟线8、声光调制器9、驱动器10、电脑11、自平衡探测器12、数据采集卡13，其特征在于：环形器2连接于光源1，耦合器A3连接于环形器2，偏振控制器B5连接于耦合器A3，耦合器B6上端连接于偏振控制器B5，气体吸收池7上端连接于耦合器B6上端，偏振控制器A4连接于耦合器A3，声光调制器9连接于偏振控制器A4，光纤延迟线8连接于声光调制器9，耦合器B6下端连接于光纤延迟线8，气体吸收池7下端连接于耦合器下端；自平衡探测器12连接于环形器2，所述自平衡探测器12连接于耦合器A3，数据采集卡13连接于自平衡探测器12，电脑11连接于数据采集器，驱动器10连接于电脑11，声光调制器9连接于驱动器10。光源1通过温度控制和电流驱动调节激光器输出波长与待测气体的吸收线一致，如分布反馈式半导体激光器。声光调制器9无方向选择性，从任何一个端口输入的光波频移量都相同，且只与驱动器10设置的参数有关，输入输出端口可互换（双向）的声光调制器9。耦合器A3能够将光源1发出的激光分成顺时针和逆时针两个方向传播，耦合器B6能够将光信号再次分成两束传播。自平衡探测器12能够作差分探测实现光电转换。

工作原理：

光源1发出的激光频率为，经耦合器A3被分成顺时针和逆时针两个传播方向，它们到达耦合器B6时均被再次分成两束，其中一束返回到耦合器A3，另外一束进入衰荡环，部分激光在衰荡环中绕行一周后再分别从耦合器B6部分泄露出去，泄露光信号将到达耦合器A3，另外一部分光信号再由耦合器B6进入衰荡腔继续绕行。光束在复合腔中的具体传输路径分别为：

顺时针方向入射光波：，

逆时针方向入射光波：，

其中是衰荡腔中光纤的长度，L是气体吸收池7的光程，是光束在衰荡环中的绕行圈数()，、和分别光纤长度。对于两个方向的入射光波，不论光波在衰荡环中绕行几次，均只经过声光调制器9一次，仅频移先后时间不同，假设光波经过声光调制器9的频移量为，则到达耦合器A3时光波频率均变为。当值相同时，返回到耦合器A3的两束光波经过的光程完全相同，而方向恰好相反，它们会发生干涉产生一个恒定的相位差。

其相位差为： (1)

其中是光在真空中的速度，为普通单模光纤的折射率，，为待测气体的折射率。

干涉光信号分别由耦合器A3的端口E和环形器2的端口C输出，两者的差分是关于相位差的余弦函数：

(2)

其中余弦函数的频率，是在衰荡环中绕行次后光信号强度。

通过对上式进行快速傅里叶变换，可解出在振荡频率处的光强度，该光强是随时间衰减的时域衰荡信号，第一个峰值位于处，其余的峰值依次间隔时间（是光在衰荡腔中绕行一周的时间），进而得到一系列衰荡曲线。

定义光强度衰减为时所用的时间即衰荡时间为，没有气体吸收时，衰荡时间为，可得待测气体的浓度为： (3)

其中是气体吸收池7的光程，是待测气体的吸收系数。

由上式推出气体浓度变化： (4)

由(4)式可得，气体浓度的最小检测限与衰荡时间测量的相对精度成正比，与脉冲在腔内的环行次数成反比。

利用多次衰荡干涉图样获得每个脉冲的峰值可提高每个脉冲峰值的测算精度，降低由曲线拟合导致的的计算误差，提高衰荡时间相对测量精度，从而提高气体的测量精度。对于固定的气体吸收系数(固定)和气体吸收长度(固定)，减小衰荡腔固有损耗，增加脉冲环行次数（次），相比单次通过气室，测量精度可提高倍。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，包括光源（1）、环形器（2）、耦合器A（3）、偏振控制器A（4）、偏振控制器B（5）、耦合器B（6）、气体吸收池（7）、光纤延迟线（8）、声光调制器（9）、驱动器（10）、电脑（11）、自平衡探测器（12）、数据采集卡（13），其特征在于：所述环形器（2）连接于光源（1），所述耦合器A（3）连接于环形器（2），所述偏振控制器B（5）连接于耦合器A（3），所述耦合器B（6）上端连接于偏振控制器B（5），所述气体吸收池（7）上端连接于耦合器B（6）上端，所述偏振控制器A（4）连接于耦合器A（3），所述声光调制器（9）连接于偏振控制器A（4），所述光纤延迟线（8）连接于声光调制器（9），所述耦合器B（6）下端连接于光纤延迟线（8），所述气体吸收池（7）下端连接于耦合器下端；所述自平衡探测器（12）连接于环形器（2），所述自平衡探测器（12）连接于耦合器A（3），所述数据采集卡（13）连接于自平衡探测器（12），所述电脑（11）连接于数据采集器，所述驱动器（10）连接于电脑（11），所述声光调制器（9）连接于驱动器（10）。

2.根据权利要求1所述一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，其特征在于：所述光源（1）通过温度控制和电流驱动调节激光器输出波长与待测气体的吸收线一致。

3.根据权利要求1所述一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，其特征在于：所述声光调制器（9）无方向选择性，从任何一个端口输入的光波频移量都相同，且只与驱动器（10）设置的参数有关，输入输出端口可双向互换的声光调制器。

4.根据权利要求1所述一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，其特征在于：所述耦合器A（3）能够将光源（1）发出的激光分成顺时针和逆时针两个方向传播，耦合器B（6）能够将光信号再次分成两束传播。

5.根据权利要求1所述一种多衰荡干涉型全光纤气体传感器，其特征在于：所述自平衡探测器（12）能够作差分探测实现光电转换。