一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于二次諧波的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，屬光纖氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。系統(tǒng)采用覆蓋同種氣體多條吸收譜線或多種氣體吸收譜線的寬帶紅外光源，典型選擇有摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源（ASE光源）和發(fā)光二極管（LED）；利用光纖布拉格光柵波長選擇特性，將寬帶紅外光源按波長分為多個(gè)分別只覆蓋某一種氣體某一條吸收譜線的窄帶光源；結(jié)合氣體二次諧波檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對同種氣體或多種氣體的濃度的多通道多點(diǎn)位檢測。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)只用一個(gè)光源便可以同時(shí)檢測多通道多點(diǎn)位的氣體濃度，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
【專利說明】一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，屬光纖氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體濃度檢測是環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)制造、電力等領(lǐng)域一項(xiàng)不可或缺的工作。在眾多檢測技術(shù)中，基于紅外吸收光譜技術(shù)的檢測手段應(yīng)用十分廣泛，且隨著分布反饋(DFB)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器制作技術(shù)的不斷成熟及此類激光器的商業(yè)化推廣，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)更成為氣體檢測技術(shù)中最常用的技術(shù)之一。但是，常規(guī)商用DFB激光器的電流可調(diào)諧波長范圍只有約I納米，而氣體吸收譜線全線寬約為I納米，該情況下一個(gè)DFB激光器可調(diào)諧波長范圍只能覆蓋一條氣體吸收譜線，即一個(gè)DFB激光器只能作為某一種氣體探測器的光源。
[0003]中文核心期刊〈光通信技術(shù)>2009，第9期，47—49頁，作者為余鑫、王洪海、趙磊、李珍珍，題為“多通道多氣體光纖傳感技術(shù)的研究”的文章中提出一種利用具有不同工作波長的DFB半導(dǎo)體激光器作為光源、應(yīng)用光纖分路器分光實(shí)現(xiàn)多通道的可同時(shí)檢測甲烷和一氧化碳濃度的光纖傳感技術(shù)，具有高靈敏度、高精度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是，該系統(tǒng)需要采用多個(gè)具有不同工作波長的DFB激光器分別作為某一種氣體的光源，在多組分氣體檢測時(shí)采用多個(gè)DFB激光器會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性差，并且與部分氣體(如氮氧化物)吸收譜線對應(yīng)的DFB激光器價(jià)格昂貴甚至極難獲取，如此大大限制了可檢測氣體的種類。
[0004]寬帶紅外光源和基于光纖布拉格光柵的分光技術(shù)為解決上述問題提供了基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的寬帶紅外光源如摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源和發(fā)光二極管均具有良好的輸出特性、非常成熟的工藝和低廉的成本，在近紅外甚至中紅外可輸出較大功率、寬波長范圍的紅外光；而光纖布拉格光柵因其出色的波長選擇特性在溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等檢測領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在此期間，人們對布拉格光柵中心波長的控制進(jìn)行了長期不懈的研究，這為穩(wěn)定分光提供了支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有多點(diǎn)位氣體濃度檢測方法存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于寬帶紅外光源和光纖布拉格光柵的多通道多點(diǎn)位氣體濃度檢測系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，包括寬帶紅外光源、光開關(guān)、氣體傳感器陣列、終端設(shè)備，其特征在于寬帶紅外光源與光開關(guān)輸入端相連，光開關(guān)控制端與終端設(shè)備相連，光開關(guān)的各路輸出與氣體傳感器陣列相連接，氣體傳感器陣列輸出端連接到終端設(shè)備；
[0008]所述氣體傳感器陣列包括多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)和多個(gè)用于歸一化的光電探測器，每個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)包括三端口光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵、壓電陶瓷片、信號發(fā)生器、光纖型氣室、光電探測器、鎖相放大器，其中光開關(guān)的一路輸出端與第一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，三端口光纖環(huán)形器第一輸出端連光纖布拉格光柵；光纖布拉格光柵貼在壓電陶瓷片上，壓電陶瓷片與信號發(fā)生器相連；三端口光纖環(huán)形器第二輸出端與光纖型氣室相連，光纖型氣室輸出端連接到光電探測器的光輸入端；光電探測器電信號輸出端連接到鎖相放大器的信號輸入端，鎖相放大器參考輸入端與信號發(fā)生器相連，鎖相放大器輸出端連接到終端設(shè)備；光纖布拉格光柵輸出端與下一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，這樣多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)串接成一個(gè)氣體傳感器系列，該氣體傳感器系列最末端一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的光纖布拉格光柵輸出端連接到一個(gè)用于歸一化的光電探測器的光輸入端，此光電探測器的輸出端連接到終端設(shè)備；光開關(guān)的多路輸出端分別與多個(gè)氣體傳感器系列相連接后并行組成氣體傳感器陣列，其中的光纖布拉格光柵作為波長選擇器件為多通道多點(diǎn)位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供不同波長的窄帶光源；
[0009]所述的寬帶紅外光源為摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源或發(fā)光二極管。
[0010]所述的終端設(shè)備是計(jì)算機(jī)。
[0011 ] 所述的光電探測器是銦鎵砷光電探測器。
[0012]所述的信號發(fā)生器為中國UN1-T公司型號為UTG9005A的數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器。
[0013]所述的鎖相放大器為美國SIGNAL RECOVERY公司型號為7230的鎖相放大器。
[0014]本發(fā)明中，終端設(shè)備以掃描的方式控制光開關(guān)各路通斷，形成多通道傳感；每一個(gè)通道，利用多個(gè)具有不同中心波長的光纖布拉格光柵的波長選擇特性將寬帶紅外光源按波長分為多個(gè)分別只覆蓋某一種氣體的某一條吸收譜線的窄帶光源，形成的窄帶光源作為多個(gè)點(diǎn)位氣體檢測的光源；利用二次諧波檢測技術(shù)檢測每一個(gè)點(diǎn)位氣體濃度，具體實(shí)現(xiàn)過程為:信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為f的電信號，該電信號加載壓電陶瓷片控制端，壓電陶瓷片以f頻率周期性伸縮，進(jìn)而帶動(dòng)光纖布拉格光柵周期性伸縮，使光纖布拉格光柵的工作波長在其原中心波長基礎(chǔ)上以f頻率周期變化，實(shí)現(xiàn)對光柵反射光的調(diào)制；光纖布拉格光柵反射的被調(diào)制的窄帶紅外光經(jīng)光纖環(huán)形器傳輸至裝有待測氣體的氣室，該紅外光經(jīng)氣體吸收后傳輸至光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化；光電探測器輸出電信號到鎖相放大器信號輸入端，另由信號發(fā)生器提供頻率為f的參考信號給鎖相放大器，經(jīng)鎖相檢波過程將光電探測器輸出的頻率為2f的有用信號提取出來傳輸給終端設(shè)備。
[0015]由于多數(shù)氣體的紅外吸收譜線不單一，且在某一段波長范圍內(nèi)存在多條吸收譜線，所以以上所述每個(gè)通道中多個(gè)點(diǎn)位的待測氣體可為同一種氣體，也可為不同種氣體；根據(jù)需要，所述的紅外寬帶光源可為摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源或發(fā)光二極管等。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0017]二次諧波檢測技術(shù)檢測靈敏度高，應(yīng)用范圍廣泛；本發(fā)明中所使用的寬帶光源、壓電陶瓷片控制技術(shù)以及光纖布拉格光柵調(diào)制技術(shù)均十分成熟，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度低，且成本低；一個(gè)光源便可以實(shí)現(xiàn)對多通道、多點(diǎn)位、多氣體濃度同時(shí)檢測，系統(tǒng)構(gòu)建簡單，在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)等各領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明基于寬帶光源的多通道多點(diǎn)位氣體濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意框圖。[0019]其中:1、寬帶紅外光源，2、光開關(guān)，3、終端設(shè)備，a、b、c等為各通道氣體傳感器陣列。
[0020]圖2是本發(fā)明氣體傳感器陣列中的一路氣體傳感器系列結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0021]其中:1、I1、111等為各點(diǎn)位氣體傳感子系統(tǒng)，4、三端口光纖環(huán)形器，5、光纖布拉格光柵，6、壓電陶瓷片,7、信號發(fā)生器,8、光纖型氣室，9、光電探測器，10、鎖相放大器,11、光電探測器。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]如圖1-2所示，一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，包括寬帶紅外光源1、光開關(guān)2、氣體傳感器陣列、終端設(shè)備3，其特征在于寬帶紅外光源I與光開關(guān)2輸入端相連，光開關(guān)2控制端與終端設(shè)備3相連，光開關(guān)2的各路輸出與氣體傳感器陣列相連接，氣體傳感器陣列輸出端連接到終端設(shè)備3 ；
[0025]所述氣體傳感器陣列包括多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)和多個(gè)用于歸一化的光電探測器，每個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)包括三端口光纖環(huán)形器4、光纖布拉格光柵5、壓電陶瓷片6、信號發(fā)生器7、光纖型氣室8、光電探測器9、鎖相放大器10，其中光開關(guān)2的一路輸出端與第一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器4輸入端相連,三端口光纖環(huán)形器4第一輸出端連光纖布拉格光柵5 ;光纖布拉格光柵5貼在壓電陶瓷片6上,壓電陶瓷片6與信號發(fā)生器7相連；三端口光纖環(huán)形器4第二輸出端與光纖型氣室8相連,光纖型氣室8輸出端連接到光電探測器9的光輸入端；光電探測器9電信號輸出端連接到鎖相放大器10的信號輸入端，鎖相放大器10參考輸入端與信號發(fā)生器7相連，鎖相放大器10輸出端連接到終端設(shè)備3 ；光纖布拉格光柵5輸出端與下一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器4輸入端相連,這樣多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)串接成一個(gè)氣體傳感器系列，該氣體傳感器系列最末端一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的光纖布拉格光柵輸出端連接到一個(gè)用于歸一化的光電探測器11的光輸入端，此光電探測器11的輸出端連接到終端設(shè)備3 ;光開關(guān)2的多路輸出端分別與多個(gè)氣體傳感器系列相連接后并行組成氣體傳感器陣列，其中的光纖布拉格光柵作為波長選擇器件為多通道多點(diǎn)位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供不同波長的窄帶光源；
[0026]所述的寬帶紅外光源I為摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源。
[0027]所述的終端設(shè)備3是計(jì)算機(jī)。
[0028]所述的光電探測器9是銦鎵砷光電探測器。
[0029]所述的信號發(fā)生器7為中國UN1-T公司型號為UTG9005A的數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器。
[0030]所述的鎖相放大器10為美國SIGNAL RECOVERY公司型號為7230的鎖相放大器。
[0031]實(shí)施例2:
[0032]和實(shí)施例1相同，只是所述的寬帶紅外光源I為發(fā)光二極管。
【權(quán)利要求】
1.一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，包括寬帶紅外光源、光開關(guān)、氣體傳感器陣列、終端設(shè)備，其特征在于寬帶紅外光源與光開關(guān)輸入端相連，光開關(guān)控制端與終端設(shè)備相連，光開關(guān)的各路輸出與氣體傳感器陣列相連接，氣體傳感器陣列輸出端連接到終端設(shè)備；所述氣體傳感器陣列包括多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)和多個(gè)用于歸一化的光電探測器，每個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)包括三端口光纖環(huán)形器、光纖布拉格光柵、壓電陶瓷片、信號發(fā)生器、光纖型氣室、光電探測器、鎖相放大器，其中光開關(guān)的一路輸出端與第一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，三端口光纖環(huán)形器第一輸出端連光纖布拉格光柵；光纖布拉格光柵貼在壓電陶瓷片上，壓電陶瓷片與信號發(fā)生器相連；三端口光纖環(huán)形器第二輸出端與光纖型氣室相連，光纖型氣室輸出端連接到光電探測器的光輸入端；光電探測器電信號輸出端連接到鎖相放大器的信號輸入端，鎖相放大器參考輸入端與信號發(fā)生器相連，鎖相放大器輸出端連接到終端設(shè)備；光纖布拉格光柵輸出端與下一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的三端口光纖環(huán)形器輸入端相連，這樣多個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)串接成一個(gè)氣體傳感器系列，該氣體傳感器系列最末端一個(gè)氣體傳感子系統(tǒng)中的光纖布拉格光柵輸出端連接到一個(gè)用于歸一化的光電探測器的光輸入端，此光電探測器的輸出端連接到終端設(shè)備；光開關(guān)的多路輸出端分別與多個(gè)氣體傳感器系列相連接后并行組成氣體傳感器陣列，其中的光纖布拉格光柵作為波長選擇器件為多通道多點(diǎn)位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供不同波長的窄帶光源。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的寬帶紅外光源為摻鉺光纖放大自發(fā)輻射光源或發(fā)光二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的終端設(shè)備是計(jì)算機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于二次諧波檢測技術(shù)的多通道多點(diǎn)位氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測器是銦鎵砷光電探測器。
【文檔編號】G01N21/35GK103439289SQ201310392920
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】劉永寧, 常恒泰, 常軍 申請人:劉永寧