一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從18世紀(jì)60年代工業(yè)革命以來(lái)，煤炭、石油、化工等行業(yè)產(chǎn)能需求不斷擴(kuò)大，在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動(dòng)力的同時(shí)，其所釋放泄漏的有毒有害氣體也給人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)了巨大的隱患，因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)有毒有害氣體的安全監(jiān)控已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題之一，而準(zhǔn)確靈敏、快速的氣體傳感器的研發(fā)又是解決這一問(wèn)題的重要前提之一。
[0003]到目前為止，各類氣體傳感器都發(fā)展迅速，其中，基于光譜吸收型的光纖氣體傳感器以其抗干擾性強(qiáng)、本質(zhì)安全、易于組網(wǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)備受市場(chǎng)青睞，該技術(shù)通過(guò)檢測(cè)氣體吸收光強(qiáng)損耗來(lái)推算待測(cè)氣體濃度，其技術(shù)難點(diǎn)在于吸收損耗非常微弱而且處在同波長(zhǎng)強(qiáng)背景的掩蓋下，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的提取與放大進(jìn)而提升傳感器靈敏度與測(cè)量精度一直是光纖氣體傳感技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
[0004]目前提升傳感器靈敏度與測(cè)量精度的方法主要有優(yōu)化電路解調(diào)方式和優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)兩類。對(duì)于前者，科研人員提出的方案包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TunableD1de Laser Absorpt1n Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)中的自平衡檢測(cè)、波長(zhǎng)調(diào)制光譜光聲光譜中的諧波檢測(cè)以及譜相關(guān)檢測(cè)等，本質(zhì)就是通過(guò)抑制背景噪聲與背景基線提高信噪比，增加檢測(cè)靈敏度與測(cè)量精度，但光干涉、探測(cè)器靈敏度等因素仍然限制了其靈敏度與測(cè)量精度的提升空間；對(duì)于后者，科研人員先后提出了增加氣體吸收長(zhǎng)度方案、光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)技術(shù)和光纖環(huán)形衰蕩光譜(Fiber-loopRing-down Spectroscopy，F(xiàn)LRDS)技術(shù)，F(xiàn)LRDS技術(shù)盡管克服了以往技術(shù)的種種缺點(diǎn)，但仍然面臨著自身特有的短板包括波長(zhǎng)偏移以及摻鉺光纖放大器增益飽和特性等引入的檢測(cè)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)及方法，本發(fā)明融合TDLAS與FLRDS技術(shù)優(yōu)勢(shì)，兼顧光學(xué)結(jié)構(gòu)與電路解調(diào)手段，避免了FLRDS系統(tǒng)由于慘t耳光纖放大器(Erbium-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對(duì)于系數(shù)測(cè)試精度的影響。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括光源發(fā)生器，所述光源發(fā)生器發(fā)出光源，光源被分成兩路光信號(hào)，分別形成兩個(gè)環(huán)路；
[0008]第一環(huán)路將一路光信號(hào)繼續(xù)分成兩路次光信號(hào)，一路次光信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾和延遲后返回至次光信號(hào)產(chǎn)生處，構(gòu)成光纖環(huán)形腔，另一路次光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；
[0009]第二環(huán)路與第一環(huán)路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，在第二環(huán)路的光纖環(huán)形腔中增設(shè)有氣室；
[0010]第一環(huán)路與第二環(huán)路的電信號(hào)送入自平衡檢測(cè)電路，然后再依次經(jīng)過(guò)濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入信號(hào)處理單元進(jìn)行信號(hào)處理。
[0011]具體的，所述第一環(huán)路為一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離器后依次連接第一耦合器和第二耦合器，所述第二耦合器將光信號(hào)分成兩路，一路依次經(jīng)過(guò)光纖放大器、光纖濾波器和光纖延遲線后，返回到第一耦合器的輸入端構(gòu)成光纖環(huán)形腔，另一路信號(hào)傳送至光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路進(jìn)行放大。
[0012]進(jìn)一步的，所述第二環(huán)路為一路光信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離器再先后經(jīng)過(guò)兩個(gè)耦合器，光信號(hào)再次被后一個(gè)耦合器分成兩路，次一路光信號(hào)依次經(jīng)過(guò)摻餌光纖放大器、氣室、光纖濾波器、光纖延遲線又回到前一個(gè)耦合器的輸入端構(gòu)成光纖環(huán)形腔，次另一路信號(hào)傳送至光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路進(jìn)行放大。
[0013]優(yōu)選的，所述光源發(fā)生器為DFB激光器。
[0014]優(yōu)選的，所述光源發(fā)生器連接有電流驅(qū)動(dòng)電路和溫控電路，利用溫控電路與電流驅(qū)動(dòng)電路對(duì)光源發(fā)生器進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)及溫度驅(qū)動(dòng)，使光源發(fā)生器發(fā)出穩(wěn)定的系統(tǒng)需求掃描脈沖信號(hào)。
[0015]優(yōu)選的，所述光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
[0016]優(yōu)選的，所述信號(hào)處理單元為FPGA，所述自平衡檢測(cè)電路輸出端與濾波電路的輸入端相連，濾波電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與FPGA的輸入端相連。
[0017]優(yōu)選的，所述光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路為PIN光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路，具體包括放大器，放大器的正輸入端接地，負(fù)輸入端依次通過(guò)光電探測(cè)器和電阻R分別與從光纖一分二親合器、光纖一分二親合器輸出的其中一路光路相連，放大器的負(fù)輸入端與輸出端之間還并聯(lián)有RC并聯(lián)電路。
[0018]優(yōu)選的，所述二級(jí)放大電路包括運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的正輸入端通過(guò)電阻Rl接地，負(fù)輸入端通過(guò)電阻R2分別接連光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路、光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路的輸出端;運(yùn)算放大器的輸出端連接自平衡檢測(cè)電路的輸入端;在運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間并聯(lián)有一個(gè)支路，該支路上串聯(lián)有電阻R3和變阻器。
[0019]所述第一環(huán)路和第二環(huán)路中的光纖延遲線長(zhǎng)度不同，即所述第一環(huán)路和第二環(huán)路中的次光信號(hào)的延遲時(shí)間不同。
[0020]—種基于上述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0021 ] (I)連接系統(tǒng)，調(diào)試光路與電路使其正常工作，使待測(cè)氣體沖入氣室；
[0022](2)對(duì)光源發(fā)生器進(jìn)行恒溫控制，發(fā)出相應(yīng)的掃描脈沖信號(hào)；
[0023](3)調(diào)節(jié)并固定對(duì)光信號(hào)的放大倍數(shù)，使信號(hào)波形和基線符合設(shè)定要求；
[0024](4)通過(guò)調(diào)整光信號(hào)的延遲時(shí)間保證參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)的時(shí)序?qū)ΨQ性，檢測(cè)得到氣體濃度。
[0025]優(yōu)選的，所述步驟(2)中，將溫控電路中電橋電阻設(shè)定為一固定值后不變以實(shí)現(xiàn)對(duì)光源發(fā)生器的恒溫控制:由于光源發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電流變化會(huì)導(dǎo)致光源發(fā)生器的輸出波長(zhǎng)的變化，所以調(diào)節(jié)電流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生特定驅(qū)動(dòng)電流，使光源發(fā)生器發(fā)出穩(wěn)定的符合系統(tǒng)要求的掃描脈沖信號(hào)。
[0026]所述步驟(2)中，脈沖信號(hào)的掃描范圍、脈沖間隔要符合要求，防止采集信號(hào)重疊。
[0027]系統(tǒng)中有兩個(gè)光纖環(huán)形腔，區(qū)別在于環(huán)形腔是否有氣室和光纖延遲線的長(zhǎng)度。系統(tǒng)利用了自平衡檢測(cè)電路將已扣除背景基線的吸收信號(hào)在電路中進(jìn)一步放大。結(jié)合了TDLAS系統(tǒng)的雙路自平衡檢測(cè)技術(shù)分析吸收峰值與待測(cè)氣體濃度的關(guān)系，解調(diào)峰值代替曲線擬合。
[0028]本發(fā)明的有益效果為:
[0029](I)保持了FLRDS技術(shù)將光信號(hào)陷在光纖環(huán)路中多次經(jīng)過(guò)吸收池，來(lái)增加光路中的吸收信號(hào)，提升光纖氣體傳感器的靈敏度的優(yōu)勢(shì)；
[0030](2)改變以往系統(tǒng)的激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型，引入波長(zhǎng)掃描脈沖，可直觀的觀察到氣體吸收峰，通過(guò)定位吸收峰位置可分辨出光源波長(zhǎng)的微小漂移量，并通過(guò)改變激光器注入電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，克服了 FLRDS系統(tǒng)由于激光光源波長(zhǎng)漂移所造成的精度損失的問(wèn)題。
[0031](3)利用自平衡檢測(cè)電路將已扣除背景基線的吸收信號(hào)在電路中進(jìn)一步放大，提升檢測(cè)靈敏度。
[0032](4)在光路結(jié)構(gòu)上將以往的單環(huán)路結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p環(huán)路結(jié)構(gòu)，兩環(huán)路區(qū)別在于是否有氣室和光纖延遲線的長(zhǎng)度，從而使兩路信號(hào)具備了相同循環(huán)模式，并可以通過(guò)調(diào)整光纖延遲線長(zhǎng)度保證參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)的時(shí)序?qū)ΨQ性，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，這也是與FLRDS系統(tǒng)在光學(xué)結(jié)構(gòu)上最明顯的區(qū)別；
[0033](5)結(jié)合TDLAS系統(tǒng)的雙路自平衡檢測(cè)技術(shù)分析吸收峰值與待測(cè)氣體濃度的關(guān)系，解調(diào)峰值代替曲線擬合，降低了計(jì)算難度，避免了 FLRDS系統(tǒng)由于摻餌光纖放大器(Erbium-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對(duì)于系數(shù)測(cè)試精度的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1是本發(fā)明的基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明的光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路電路圖；
[0036]圖3是本發(fā)明的二級(jí)放大電路的電路圖；
[0037]圖4是本發(fā)明的自平衡檢測(cè)電路的電路圖；
[0038]圖5是本發(fā)明的DFB激光器驅(qū)動(dòng)電流掃描波形；
[0039](6)其中，1、DFB激光器;2、溫控電路;3、電流驅(qū)動(dòng)電路;4、光纖一分二耦合器;5、隔離器;6、隔離器;7、光纖一分二親合器;8、光纖一分二親合器;9、光纖一分二親合器；10、光纖一分二耦合器;U、摻鉺光纖放大器(EDFA) ;12、摻鉺光纖放大器(EDFA) ;13、氣體吸收池；14、光纖濾波器；15、光纖濾波器;16、光纖延遲線；17、光纖延遲線；18、光電轉(zhuǎn)換電路；19、光電轉(zhuǎn)換電路;20、二級(jí)放大電路;21、二級(jí)放大電路;22、自平衡檢測(cè)電路;23、濾波電路;24、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;25、FPGA。
【具體實(shí)施方式】
:
[0040]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0041](7)如圖1所示，基于雙光纖環(huán)形腔的波長(zhǎng)掃描光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括DFB激光器
1、溫控電路2、電流驅(qū)動(dòng)電路3、光纖一分二耦合器4、隔離器5、隔離器6、光纖一分二耦合器
7、光纖一分二親合器8、光纖一分二親合器9、光纖一分二親合器10、摻鉺光纖放大器(EDFA)
I1、摻鉺光纖放大器(EDFA)。
[0042]12、氣體吸收池13、光纖濾波器14、光纖濾波器15、光纖延遲線16、光纖延遲線17、光電轉(zhuǎn)換電路18、光電