專利名稱：一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電領(lǐng)域，尤其是一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電子氣體傳感器系統(tǒng)能夠?qū)⒏鞣N氣體的濃度及其變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏髁?，其技術(shù)比較成熟，也有著廣泛的應(yīng)用。但是，在需要進行遠距離傳感信號傳輸和控制的傳感測量或安全報警等系統(tǒng)中，電子氣體傳感器的傳輸系統(tǒng)往往容易受到電磁等外界環(huán)境的干擾， 同時，傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)也難以構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。隨著各類激光器技術(shù)的發(fā)展，大大促進了激光氣體傳感系統(tǒng)的快速發(fā)展，激光氣體傳感器具有速度快和測試精確等特點，而且，光纖光學、光纖通訊和許多在光纖通訊中的技術(shù)，特別是象高密度光波分復用技術(shù)，開始應(yīng)用于各類傳感系統(tǒng)。激光氣體傳感系統(tǒng)的主要優(yōu)點是能抗電磁干擾和潮濕、耐腐蝕，重量輕等，并且，易于形成傳感網(wǎng)絡(luò)和進行遠距離傳感信號的傳輸。激光氣體傳感系統(tǒng)存在的缺點是激光氣體傳感器和信號處理系統(tǒng)比較貴，對有些氣體濃度的測試精度較低或很難制作相應(yīng)激光氣體傳感器去測試，因此，現(xiàn)有的激光氣體傳感器及系統(tǒng)的傳感應(yīng)用領(lǐng)域遠遠沒有傳統(tǒng)的電子傳感系統(tǒng)廣泛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗干擾能力強、適合遠距離且易于形成傳感網(wǎng)絡(luò)的可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)。本發(fā)明解決現(xiàn)有的技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，包括一個可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、一個光纖光波分復用分離器、一個光電接收系統(tǒng)和一個傳感信號分析處理系統(tǒng)；所述的可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出端口連接到光纖光波分復用分離器的輸入端口 ；所述的光纖光波分復用分離器的輸出端口連接到光電接收系統(tǒng)的輸入端口 ；所述的光電接收系統(tǒng)的輸出端口連接到傳感信號分析處理系統(tǒng)。而且，所述的可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、光纖光波分復用分離器和光電接收系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口均為帶單模光纖尾纖接口，并通過單模光纖的電弧融化焊接或光纖連接器連接。而且，所述的可擴展電光傳感網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個可擴展激光氣體傳感器。而且，所述的可擴展激光氣體傳感器包括一個DFB激光器、一個氣體取樣室和一個光纖光波分復用合成器，所述的DFB激光器的輸出中心波長與所需要傳感測試的氣體的光的吸收波長相同，其輸出端口通過準直透鏡耦合輸出透過氣體取樣室進入光纖光波分復用合成器，并從光纖光波分復用合成器的輸出端口輸出。而且，所述的光纖光波分復用合成器由一個多層介質(zhì)膜光濾波片、一個準直透鏡、 一個玻璃管、一個帶單模光纖尾纖的輸出端口和一個帶單模光纖尾纖的輸入端口連接構(gòu)成，透過多層介質(zhì)膜光濾波片的準直光束被聚焦耦合到輸出端口的單模光纖，從擴展端口的單模光纖輸入的光束被準直透鏡準直并被多層介質(zhì)膜光濾波片的反射后，經(jīng)準直透鏡聚焦并耦合到輸出端口的單模光纖上。而且,所述的DFB激光器輸出光功率大于I毫瓦，其輸出為窄帶光譜，其FWHM的光譜范圍小于100MHz。而且，所述的氣體取樣室由金屬材料、玻璃材料或塑料材料制成。而且，所述的多層介質(zhì)膜光濾波片是一種窄帶濾波器，或是一種光波導；所述的準直透鏡是一種漸變折射率的光學透鏡或是一種模壓的C型透鏡。而且，所述的光纖光波分復用分離器為可擴展光纖光波分復用分離器，該可擴展光纖光波分復用分離器包括一個輸入端口和多個輸出端口，其輸出端口數(shù)與可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量相同。而且，所述的光纖光波分復用分離器的透射中心波長和所要傳感測試的氣體吸收中心波長相同；所述的光纖光波分復用分離器的透射頻譜帶寬小于相鄰兩個傳感器的中心波長的間距；所述的光電接收系統(tǒng)的光波長響應(yīng)范圍與可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)中所使用的激光器波長范圍相同。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是本發(fā)明設(shè)計合理，將光纖通訊中常用的激光氣體傳感器和光纖光波分復用技術(shù) (WDM)結(jié)合在一起，系統(tǒng)中的每個傳感器采用獨立的DFB激光器作為光源，并將多個不同波長的傳感信號通過光纖光波分復用分離器進行分離，使得每個傳感頻道的信號能夠得到實時處理，具有易于擴展、應(yīng)用廣泛、成本低、易于安裝及生產(chǎn)等特點，滿足了遠距離、大范圍及對多種氣體的實時監(jiān)測的應(yīng)用需要。


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I是一個DFB激光器的不意2是DFB激光器的輸出光譜示意3-1是一個光纖光波分復用合成器的示意3-2是一個簡化的光纖光波分復用合成器的不意4是一個光纖光波分復用合成器的光波長透過率示意圖； 5是兩個相鄰頻道入射光波的示意6是一個可擴展的激光氣體傳感器的示意7是一個可擴展的光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的示意8是一個簡化的可擴展的光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的示意9是一個四頻道光纖波分復用分離器的示意圖 10是一個可擴展的實時光纖氣體傳感系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述。圖I給出了一個帶單模光纖尾纖的DFB激光器2的示意圖。DFB激光器2的輸出通過準直透鏡輸出準直激光束4。DFB激光器的輸出頻譜覆蓋面很大。廣泛應(yīng)用于光纖通訊等領(lǐng)域的這類DFB激光器的輸出光波長可以在光纖通訊C波段(約為1520-1570納米的波長范圍)或L波段(約為1570-1610納米)的波長范圍,輸出光功率可達幾瓦。其輸出光波長還可以是1310納米，1480納米等。本發(fā)明中，DFB激光器2輸出波長的選擇取決于所要傳感和測試的氣體的中心吸收波長。DFB激光器2的輸出光譜，如圖2所示，DFB激光器2的輸出光譜非常窄，光頻率的FWHM可做到小于I兆赫。圖3-1給出了一個光纖光波分復用合成器15的示意圖，該光纖光波分復用合成器 15是由一個帶通光濾波器7、一個光束準直透鏡8、一個帶單模光纖尾纖的輸出端口 12、一個帶單模光纖尾纖的輸入端口 14和一個玻璃管10組成。玻璃細管10用來固定輸入端口 14和輸出端口的兩根光纖，帶通光濾波器7和光束準直透鏡8以及玻璃細管10組裝在一起。圖3-2是簡化的光纖光波分復用合成器15的示意圖。一般在工業(yè)上，用某種對所需透射波長透明的膠粘合在一起，也可以采用光路上無膠的組裝技術(shù)。光纖光波分復用合成器15的工作原理如下一束中心波長為λ i的準直激光束以垂直或接近垂直的角度入射進入光濾波器7，透過濾波器7后，經(jīng)透鏡8聚焦后進入輸出端口 12的單模光纖后輸出。一束中心波長為λ j的激光束由端口 14的經(jīng)透鏡8準直后，被光濾波器7反射，再經(jīng)透鏡8聚焦后進入輸出端口 12的單模光纖后輸出。因此，輸出端口 12中有兩束中心波長分別為λ 和的光波。要實現(xiàn)上述功能，關(guān)鍵需要兩束光的中心波長λ i和λ j必須有一定的波長間距Λ λ (參見圖5)。為了防止λ i和λ j兩束光在經(jīng)光纖光波分復用合成器15時造成相互影響，Δ λ要大于透射光頻譜16的透射帶寬。而光的中心波長和要根據(jù)所要傳感測試的氣體的中心吸收波長而定。通常，光纖光波分復用合成器15不會改變輸入光的頻譜，但光功率會有一定的損耗，一般應(yīng)低于O. 5dB。利用光纖光波分復用合成器15可以方便地將多頻道光信號耦合到單根光纖中。采用DFB激光器的輸出作為傳感器的光源和光纖光波分復用合成器可以方便地構(gòu)建光纖傳感網(wǎng)絡(luò)及實現(xiàn)遠距離的傳感需求。圖4給出了光纖光波分復用合成器15的透射光頻譜16示意圖。在該圖中，中心透射波長為λ 。透射光頻譜16的帶寬的選擇取決于各類不同的應(yīng)用。如在光纖通訊中常用的有200GHz、IOOGHz和50GHz的密集光纖光波分復用合成器(DWDM)，兩個頻道的光頻率間隔Af分別為200GHzUOOGHz和50GHz，或光波長間隔Λ λ (如圖5所示)分別約為1.6 納米、O. 8納米和O. 4納米。上述三種規(guī)格的器件的透射帶寬分別為大約0. 4納米，O. 2納米和O. I納米。對于透射帶寬的要求也取決于所采用的DFB激光器輸出光的波長穩(wěn)定性和光頻道的交叉影響。本發(fā)明中，傳感器是基于氣體對光的吸收，因此，DFB激光器輸出光的波長的精確度和穩(wěn)定性直接影響傳感精度。對光纖光波分復用合成器15的透射光頻譜和中心透射波長的選擇也根據(jù)不同的應(yīng)用要求。本發(fā)明中，透射光頻譜16的中心波長主要是針對需要傳感的氣體的吸收中心波長而定，而透射帶寬主要是考慮在構(gòu)建光纖傳感網(wǎng)絡(luò)時和相鄰傳感器的透射頻譜的相互影響。下面對本發(fā)明的各個組成部分分別進行說明圖6給出了一個可擴展的激光氣體傳感器23的示意圖。該激光氣體傳感器23包括一個DFB激光器2、一個氣體取樣室22 (假設(shè)氣體取樣室22中的待測氣體的中心吸收波長為λ i)和一個光纖光波分復用合成器15。由DFB激光器2輸出的準直光束4透過氣體取樣室22后,進入光纖光波分復用合成器15后由輸出端口 12輸出。輸入端口 14是一個擴展端口，用來連接到下一個傳感器。由于氣體的吸收，輸出端口 12輸出的光束要比光束4的光要減弱，減弱的程度主要取決于氣體的濃度。一般地，光束4的光功率被吸收的大小程度與氣體的濃度成正比。在激光氣體傳感器23中，還會存在一些其他光損耗，如耦合損耗和插入損耗等。這些光損耗需要通過傳感器的校準來補償，以提高傳感器的傳感精確度。如果改變上述具有單光波長頻道的氣體傳感器23輸出光的中心光頻率，即可形成一個新的激光氣體傳感器，可與激光傳感器23構(gòu)成具有兩個和兩個以上傳感器的激光傳感網(wǎng)絡(luò)。下面以一個四個傳感器的傳感網(wǎng)絡(luò)作進一步說明。圖7給出了一個可擴展的具有四個傳感器的光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)51的示意圖。該光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)51包括四個輸出中心波長為Ai，Aj, Ak和λ I的DFB激光器2、24、 34和44,分別對應(yīng)四個氣體取樣室22、26、36和46中四種不同氣體的吸收波長；四個光纖光波分復用合成器15、28、38和48分別具有透射中心波長為λ i、λ j\ Xk和λ ，光纖光波分復用合成器15的端口 14和光纖光波分復用合成器28的端口 30相連接；光纖光波分復用合成器28的端口 32和光纖光波分復用合成器38的端口 40相連接；光纖光波分復用合成器38的端口 42和光纖光波分復用合成器48的端口 49相連接。通過構(gòu)建這樣的傳感網(wǎng)絡(luò)，在輸出端口 12處包括了中心光波長為Xi、Xj、Xk和λ I四個來自不同傳感器的信號。上述各端口由于都是單模光纖，一般可通過電弧光焊接或通過光纖連接器連接。上述兩種連接方法的連接光損耗一般約為O. IdB.光纖光波分復用合成器15、28、38和48的透射帶寬要小于相鄰兩個激光中心波長的間隔。圖中，端口 12和50分別是光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)51的輸出端口和擴展端口。需要注意的是λ j、Ak和λ I的光由于多次反射,光功率的損耗要比λ i的光功率損耗大。所以，四個頻道入射光的光功率的在傳感網(wǎng)絡(luò)51中的光功率損耗從小到大依次為λ i、λ j、Xk和λ I。這是制約可擴展的總的傳感頻道數(shù)的主要因素之一。為了便于說明，可以將圖7的可擴展的四頻道可擴展光纖傳感網(wǎng)絡(luò)51的簡化成一個框圖，如圖8所示。為了使得可擴展光纖傳感網(wǎng)絡(luò)51能實現(xiàn)實時的傳感監(jiān)控，需要一個四頻道的光纖波分復用分離器將中心光波長為λ i、λ j、Xk和λ I的四個光傳感信號分開處理。圖9給出了一個四頻道光纖波分復用分離器54的示意圖。該光纖波分復用分離器54包括一個輸入端口 52、四個輸出端口 56、58、60和62。該光纖波分復用分離器54的工作原理如下四個中心波長為λ i、λ j、Xk和λ I的光波輸入到輸入端口 52后,透過光纖波分復用分離器54后,上述四個光信號λ i、λ j\ Xk和λ I分別在輸出端口 56、58、60 和62輸出。標準的在光纖通訊中常用的光纖波分復用分離器有200GHz，IOOGHz和50GHz 的高密度光纖波分復用分離器。由于本發(fā)明涉及氣體傳感，氣體的中心吸收波長決定了所需要的光纖光波分復用合成器15和光纖波分復用分離器54中的各個光頻道的中心波長。 這是本發(fā)明中所用的光纖波分復用分離器和光纖光波分復用合成器和標準的在光纖通訊中常用的這類器件不同的地方。構(gòu)建光纖波分復用分離器54的技術(shù)有多層介質(zhì)膜和光波導等技術(shù)。下面對本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成進行說明圖10給出了一個可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)67的示意圖。該可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)67包括可擴展氣體傳感網(wǎng)絡(luò)51、光纖波分復用分離器54、光電接收系統(tǒng)64及其傳感信號分析處理系統(tǒng)66組成。端口 50是系統(tǒng)67的擴展端口?？蓴U展氣體傳感網(wǎng)絡(luò)51的輸出端口 12連接到光纖波分復用分離器54的輸入端口 52，由光纖波分復用分離器 54的輸出端口輸出的光信號通過耦合連接到光電接收系統(tǒng)64。傳感信號分析處理系統(tǒng)66 可以根據(jù)可擴展氣體傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量作調(diào)整，使得每個傳感器的光信號能夠得到單獨處理。這樣可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)67可以實現(xiàn)實時傳感并能在不改變已有傳感網(wǎng)絡(luò)的情況下，進行一個或多個傳感器的擴展或減少。需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于包括一個可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、一個光纖光波分復用分離器、一個光電接收系統(tǒng)和一個傳感信號分析處理系統(tǒng)；所述的可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出端口連接到光纖光波分復用分離器的輸入端口 ；所述的光纖光波分復用分離器的輸出端口連接到光電接收系統(tǒng)的輸入端口 ；所述的光電接收系統(tǒng)的輸出端口連接到傳感信號分析處理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、光纖光波分復用分離器和光電接收系統(tǒng)的輸入端口和輸出端口均為帶單模光纖尾纖接口，并通過單模光纖的電弧融化焊接或光纖連接器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的可擴展電光傳感網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個可擴展激光氣體傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的可擴展激光氣體傳感器包括一個DFB激光器、一個氣體取樣室和一個光纖光波分復用合成器，所述的DFB激光器的輸出中心波長與所需要傳感測試的氣體的光的吸收波長相同，其輸出端口通過準直透鏡耦合輸出透過氣體取樣室進入光纖光波分復用合成器，并從光纖光波分復用合成器的輸出端口輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的光纖光波分復用合成器由一個多層介質(zhì)膜光濾波片、一個準直透鏡、一個玻璃管、一個帶單模光纖尾纖的輸出端口和一個帶單模光纖尾纖的輸入端口連接構(gòu)成，透過多層介質(zhì)膜光濾波片的準直光束被聚焦耦合到輸出端口的單模光纖，從擴展端口的單模光纖輸入的光束被準直透鏡準直并被多層介質(zhì)膜光濾波片的反射后，經(jīng)準直透鏡聚焦并耦合到輸出端口的單模光纖上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的DFB 激光器輸出光功率大于I毫瓦，其輸出為窄帶光譜，其FWHM的光譜范圍小于100MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的氣體取樣室由金屬材料、玻璃材料或塑料材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng),其特征在于所述的多層介質(zhì)膜光濾波片是一種帶通光濾波器，或是一種光波導；所述的準直透鏡是一種漸變折射率的光學透鏡或是一種模壓的C型透鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖光波分復用分離器為可擴展光纖光波分復用分離器，該可擴展光纖光波分復用分離器包括一個輸入端口和多個輸出端口，其輸出端口數(shù)與可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)量相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖光波分復用分離器的透射中心波長和所要傳感測試的氣體吸收中心波長相同；所述的光纖光波分復用分離器的透射頻譜帶寬小于相鄰兩個傳感器的中心波長的間距；所述的光電接收系統(tǒng)的光波長響應(yīng)范圍與可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)中所使用的激光器波長范圍相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可擴展實時光纖氣體傳感系統(tǒng)，其技術(shù)特點是包括一個可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)、一個光纖光波分復用分離器、一個光電接收系統(tǒng)和一個傳感信號分析處理系統(tǒng)；所述的可擴展光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的輸出端口連接到光纖光波分復用分離器的輸入端口；所述的光纖光波分復用分離器的輸出端口連接到光電接收系統(tǒng)的輸入端口；所述的光電接收系統(tǒng)的輸出端口連接到傳感信號分析處理系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計合理，具有易于擴展、應(yīng)用廣泛、成本低、易于安裝及生產(chǎn)等特點，滿足了遠距離、大范圍及對多種氣體的實時監(jiān)測的應(yīng)用需要。
文檔編號G01N21/31GK102590120SQ20121005986
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者高培良 申請人:天津奇譜光電技術(shù)有限公司