專利名稱：基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測混合氣體的傳感系統(tǒng)。特別是涉及一種可實(shí)現(xiàn)對多種有害氣體的識別，并能實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的測試，且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同位置的氣體同時實(shí)施監(jiān)測的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖傳感器具有高靈敏度、抗電磁干擾、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用航天、軍事和民用等領(lǐng)域。光纖光柵傳感器不僅可以用來檢測應(yīng)力、應(yīng)變、位移、扭矩和溫度，還可用來檢測氣體。
氣體識別及濃度測試技術(shù)在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可應(yīng)用于煤礦中對作業(yè)環(huán)境特別是危險(xiǎn)氣體進(jìn)行監(jiān)測；對大氣中各污染有害氣體進(jìn)行識別檢測；對容器中參加反應(yīng)的各化學(xué)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。通常以光纖作為基元的氣體檢測方法可分為常規(guī)光纖氣體檢測和光纖光柵氣體檢測兩種。
目前，以光纖作為基元的氣體檢測的技術(shù)主要集中在某種氣體的識別或特定氣體的濃度測試，尚無有對多種有害氣體進(jìn)行識別的氣體檢測裝置或系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種可實(shí)現(xiàn)對多種有害氣體的識別，并能實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的測試，且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同位置的氣體同時實(shí)施監(jiān)測的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源、光波分復(fù)用器、增益介質(zhì)、F-P可調(diào)諧光濾波器、光探測器、反射光柵和參考光柵，還設(shè)置有檢測氣室，其中，泵浦光源、光波分復(fù)用器、增益介質(zhì)、光隔離器、F-P可調(diào)諧光濾波器通過光纖依次相連；F-P可調(diào)諧光濾波器還通過光纖連接光環(huán)行器；光環(huán)行器又通過光纖分別連接第一光耦合器、第二光耦合器；第一光耦合器分兩路輸出，其中的一路通過光纖與參考光柵相連，另一路通過光纖與檢測氣室的一端相連，檢測氣室的另一端連接反射光柵；第二光耦合器分兩路輸出，其中的一路通過光纖與光波分復(fù)用器的輸入端相連，另一路通過光纖與光探測器相連，光探測器又通過光纖連接數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊又通過光纖連接F-P可調(diào)諧光濾波器。
所述的檢測氣室的兩端通過C透鏡與光纖相連。
所述的檢測氣室設(shè)置有一個。
所述的檢測氣室設(shè)置有一個以上，而所述的反射光柵的數(shù)量與檢測氣室的數(shù)量相同，并一一對應(yīng)連接；在各檢測氣室與第一光耦合器之間還設(shè)置有可以有選擇的將所選檢測氣室與第一光耦合器連接的光開關(guān)。
所述的泵浦光源驅(qū)動產(chǎn)生光信號的波長為1550nm。
所述的增益介質(zhì)可采用摻鉺光纖、鉺鐿共摻光纖、摻鉺載氫光纖中的一種。
所述的參考光柵選擇普通的光纖Bragg光柵，3dB帶寬為100pm。
所述的反射光柵選擇寬譜啁啾光柵，3dB帶寬大于等于30nm。
本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，可用于混合氣體的識別及濃度測試，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種有害氣體的識別。而且，分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同位置的氣體同時實(shí)施監(jiān)測。本發(fā)明可廣泛的應(yīng)用于煤礦、大氣及化工等行業(yè)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。
其中1泵浦光源 2光波分復(fù)用器3增益介質(zhì) 4光隔離器5F-P可調(diào)諧光濾波器6光環(huán)行器7第一光耦合器 8光探測器9數(shù)據(jù)采集模塊 10第二光耦合器11參考光柵12光開關(guān)13檢測氣室14反射光柵15光纖16計(jì)算機(jī)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)做出詳細(xì)說明。
如圖1所示，本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源1、光波分復(fù)用器2、增益介質(zhì)(EDF)3、光隔離器4、F-P可調(diào)諧光濾波器5、光探測器8、反射光柵14和參考光柵11，還設(shè)置有檢測氣室13，其中，泵浦光源1、光波分復(fù)用器2、增益介質(zhì)3、光隔離器4、F-P可調(diào)諧光濾波器5通過光纖15依次相連，所述的增益介質(zhì)3可采用摻鉺光纖或鉺鐿共摻光纖或摻鉺載氫光纖中的一種；F-P可調(diào)諧光濾波器5還通過光纖15連接光環(huán)行器6；光環(huán)行器6又通過光纖15分別連接第一光耦合器7、第二光耦合器10；第一光耦合器7分兩路輸出，其中的一路通過光纖15與參考光柵11相連，另一路通過光纖15與檢測氣室13的一端相連，檢測氣室13的另一端連接反射光柵14，所述的檢測氣室13的兩端通過C透鏡(C-lens)與光纖15相連，使得檢測氣室13中待測氣體與光信號之間進(jìn)行充分的作用(吸收)；第二光耦合器10分兩路輸出，其中的一路通過光纖15與光波分復(fù)用器2的輸入端相連，另一路通過光纖15與光探測器8相連，光探測器8又通過光纖15連接數(shù)據(jù)采集模塊9，數(shù)據(jù)采集模塊9又通過光纖15連接F-P可調(diào)諧光濾波器5。所述泵浦光源1驅(qū)動產(chǎn)生光信號的波長為1550nm。
上述的參考光柵11選擇普通的光纖Bragg光柵，3dB帶寬約為100pm。所述的反射光柵14選擇寬譜啁啾光柵，其頂部增益平坦，3dB帶寬不小于30nm。
上述的檢測氣室13可設(shè)置有一個，或設(shè)置有一個以上。當(dāng)設(shè)置有一個以上時，所述的反射光柵14的設(shè)置數(shù)量與檢測氣室13的數(shù)量相同，并一一對應(yīng)連接；在各檢測氣室13與第一光耦合器7之間還設(shè)置有可以有選擇的將所選檢測氣室13與第一光耦合器7連接的光開關(guān)12。
上述系統(tǒng)中F-P可調(diào)諧光濾波器與反射光柵構(gòu)成了內(nèi)腔激光器的兩個反射鏡。作為波長選擇反射鏡的光柵覆蓋多種氣體的吸收譜線。在EDF的增益帶寬內(nèi)調(diào)諧F-P可調(diào)諧光濾波器的透射窗口位置，采集相應(yīng)的光譜曲線，可實(shí)現(xiàn)不同種類氣體的同時檢測。這樣，利用一個F-P可調(diào)諧光濾波器及反射光柵即可實(shí)現(xiàn)混合氣體的同時檢測。
光信號的檢測由基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊完成，基于計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集與控制模塊實(shí)現(xiàn)對F-P可調(diào)諧光濾波器的控制以及光功率信號的采集。EDF由泵浦光源通過光波分復(fù)用器驅(qū)動。
在系統(tǒng)中引入光開關(guān)可擴(kuò)展測試范圍，利用光開關(guān)在多路之間進(jìn)行切換可依次檢測各檢測氣室中的氣體種類，從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分布式的氣體檢測，在礦山等地區(qū)的混合氣體檢測方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
本系統(tǒng)的工作原理是泵浦光源驅(qū)動產(chǎn)生的波長1550nm光信號經(jīng)過EDF放大后，通過光隔離器進(jìn)入F-P可調(diào)諧光濾波器，由后者出射的光信號經(jīng)過光環(huán)形器后由第一光耦合器分束，一路由光開關(guān)切換選擇透過相應(yīng)檢測氣室并入射到反射光柵，另一路連接一個參考光柵用于標(biāo)定F-P可調(diào)諧光濾波器透射譜的位置，反射光柵和參考光柵反射的光信號經(jīng)由光環(huán)形器進(jìn)入光纖環(huán)路，由第二光耦合器再次分束，一部分進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊用于光譜采集，另一部分經(jīng)過光波分復(fù)用器并由增益介質(zhì)進(jìn)行放大。當(dāng)F-P可調(diào)諧光濾波器透射譜位置確定后，光纖環(huán)路中傳播的即為透過F-P可調(diào)諧光濾波器的窄帶光信號。連續(xù)調(diào)節(jié)F-P可調(diào)諧光濾波器透射窗口位置，即可得到包含檢測氣室、反射光柵等光譜曲線的檢測光信號。光開關(guān)通過對檢測光路的選擇確定檢測氣室的位置，實(shí)現(xiàn)了氣體種類的空間選擇性檢測。
表1幾種主要有害氣體的吸收譜線


吸收譜線位于1550nm附近的主要有害氣體如表1所示。根據(jù)吸收譜線的位置可以解調(diào)出混合氣體包含的氣體種類；根據(jù)通過檢測氣室前后的光信號變化即可計(jì)算出檢測氣室中氣體的濃度。
本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)中所述的泵浦光源可采用波長為514.5nm、665nm、807nm、980nm或者1480nm的泵浦光源輸出泵浦光，益選用980nm或者1480nm波長的泵浦光源，其中980nm的泵浦光源增益系數(shù)最高。
所述的F-P可調(diào)諧光濾波器采用電壓驅(qū)動的Micro Optics公司生產(chǎn)的FFP-TF及FFP-TF2系列窄帶可調(diào)諧光濾波器模塊，或者Santec公司生產(chǎn)的OTF系列臺式可調(diào)諧光濾波器。F-P可調(diào)諧光濾波器應(yīng)在1550nm波長附近約100nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透射窗口調(diào)諧，透射窗口的3dB帶寬應(yīng)不超過20pm。
光探測器采用電壓輸出的低噪聲砷化鎵銦光電二極管，如EOS公司生產(chǎn)的IGA-TE系列，Thorlabs公司生產(chǎn)的DET系列、PDA系列，以及日本浜松公司生產(chǎn)的G系列等。探測器在1550nm-1600nm波長范圍內(nèi)應(yīng)保證較高的響應(yīng)度，且輸出電壓應(yīng)控制在-10-10V范圍內(nèi)。
數(shù)據(jù)采集模塊可采用基于虛擬儀器技術(shù)的多功能數(shù)據(jù)采集卡，如NI公司的M系列、S系列、R系列及E系列數(shù)據(jù)采集卡，凌華公司的DAQ系列數(shù)據(jù)采集卡等。數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)-10-10V范圍內(nèi)的模擬電壓輸入、輸出，其轉(zhuǎn)換的分辨率不少于14位。
其他光無源器件均為普通商用的光傳感及光通信器件。
權(quán)利要求
1.一種基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源(1)、光波分復(fù)用器(2)、增益介質(zhì)(3)、光隔離器(4)、F-P可調(diào)諧光濾波器(5)、光探測器(8)、反射光柵(14)和參考光柵(11)，其特征在于，還設(shè)置有檢測氣室(13)，其中，泵浦光源(1)、光波分復(fù)用器(2)、增益介質(zhì)(3)、光隔離器(4)、F-P可調(diào)諧光濾波器(5)通過光纖(15)依次相連；F-P可調(diào)諧光濾波器(5)還通過光纖(15)連接光環(huán)行器(6)；光環(huán)行器(6)又通過光纖(15)分別連接第一光耦合器(7)、第二光耦合器(10)；第一光耦合器(7)分兩路輸出，其中的一路通過光纖(15)與參考光柵(11)相連，另一路通過光纖(15)與檢測氣室(13)的一端相連，檢測氣室(13)的另一端連接反射光柵(14)；第二光耦合器(10)分兩路輸出，其中的一路通過光纖(15)與光波分復(fù)用器(2)的輸入端相連，另一路通過光纖(15)與光探測器(8)相連，光探測器(8)又通過光纖(15)連接數(shù)據(jù)采集模塊(9)，數(shù)據(jù)采集模塊(9)又通過光纖(15)連接F-P可調(diào)諧光濾波器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測氣室(13)的兩端通過C透鏡與光纖(15)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測氣室(13)設(shè)置有一個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測氣室(13)設(shè)置有一個以上，而所述的反射光柵(14)的數(shù)量與檢測氣室(13)的數(shù)量相同，并一一對應(yīng)連接；在各檢測氣室(13)與第一光耦合器(7)之間還設(shè)置有可以有選擇的將所選檢測氣室與第一光耦合器(7)連接的光開關(guān)(12)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的泵浦光源(1)驅(qū)動產(chǎn)生光信號的波長為1550nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的增益介質(zhì)(3)可采用摻鉺光纖、鉺鐿共摻光纖、摻鉺載氫光纖中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的參考光柵(11)選擇普通的光纖Bragg光柵，3dB帶寬為100pm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述的反射光柵(14)選擇寬譜啁啾光柵，3dB帶寬大于等于30nm。
全文摘要
一種基于內(nèi)腔光纖激光器的準(zhǔn)分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，是由泵浦光源、光波分復(fù)用器、摻鉺光纖、光隔離器、F－P可調(diào)諧光濾波器通過光纖依次相連；F－P可調(diào)諧光濾波器還連接光環(huán)行器；光環(huán)行器又分別連接第一光耦合器、第二光耦合器；第一光耦合器的一路與參考光柵相連，另一路與檢測氣室的一端相連，檢測氣室的另一端連接反射光柵；第二光耦合器的一路與光波分復(fù)用器的輸入端相連，另一路與光探測器相連，光探測器又通過光纖連接數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊又通過光纖連接F－P可調(diào)諧光濾波器。本發(fā)明可用于混合氣體的識別及濃度測試，可實(shí)現(xiàn)對多種有害氣體的識別。分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同位置的氣體同時實(shí)施監(jiān)測?？蓮V泛的應(yīng)用于煤礦、大氣及化工等行業(yè)。
文檔編號G01N21/17GK101059433SQ200710057550
公開日2007年10月24日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月5日
發(fā)明者井文才, 賈大功, 張紅霞, 張以謨, 劉琨 申請人:天津大學(xué)