一種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng)及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體檢測領域,尤其涉及一種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng)及其方法。
【背景技術】
[0002]早在上個世紀20年代,人類就開始了對氣體檢測設備和方法的研究,時至今日,可監(jiān)測的氣體從早期的C0和CH ;發(fā)展為涵蓋CH等爆炸性氣體、H2S等有害氣體、02、H20、CO等環(huán)境氣體、CO等工程氣體以及揮發(fā)的酒精和煙氣等的綜合性監(jiān)測設備。各類氣體傳感器也相繼而生,現(xiàn)有氣體傳感器主有半導體型氣體傳感器、電化學型氣體傳感器、固體電解質氣體傳感器、接觸燃燒型氣體傳感器、高分子型氣體傳感器以及光纖型氣體傳感器等等
[0003]近三十年來,伴隨著光纖和光通信技術的高速發(fā)展,光纖傳感器逐漸成為研究的主流。為測量低濃度樣品,科研人員提出增加吸收長度的方案,但同時也帶來了吸收池體積龐大,多次反射結構導致穩(wěn)定性差,腔體及鏡片生產和準直困準等各方面問題。
[0004]1984年,腔衰蕩光譜技術(CRDs)的概念由Anderson等人在前人基礎上正式提出。其方案采用激光光源,及由兩只高反射率鏡片組成光學諧振腔,在諧振腔內充入待測物質(某濃度的氣體等),隨后將脈沖光信號藕合進入諧振腔內,每次均有少量的光信號透過高反射率鏡片出射并被后面的接收單元收集,通過測量耦合出光學諧振腔內的光信號的衰減速率,即可得知該光學腔的損耗值,進而達到得知諧振腔內的氣體濃度的目的。
[0005]雖然基于空間光學的腔衰蕩光譜技術有著極高檢測靈敏度等優(yōu)點,但該類系統(tǒng)尚存在幾個本質缺陷:例如①腔體加工精度、高反射率涂覆要求苛刻,且端鏡準直程度要求很高,結構穩(wěn)定性差;②端鏡與光纖間禍合困難效率低,易受干擾。
【發(fā)明內容】
[0006]為了解決現(xiàn)有技術的缺點,本發(fā)明提供一種抗電磁干擾、適宜危險環(huán)境、結構穩(wěn)定性強以及測量范圍廣的基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng)及其方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用以下技術方案:
[0008]—種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng),包括:
[0009]微處理器,所述微處理器與電流驅動電路相連,所述電流驅動電路與DFB激光器相連;
[0010]所述DFB激光器輸出的激光信號傳送至光纖二分二耦合器的一輸入端,并由所述光纖二分二耦合器分成兩路光信號;其中,一路光信號傳送至氣室,經氣室吸收后輸出的光信號再反饋至光纖二分二耦合器的另一輸入端,形成光纖環(huán)形腔;
[0011]另一路光信號傳送至光電探測轉換電路進行轉換為電信號,所述光電探測轉換電路輸出的電信號依次經過信號調理電路和數(shù)據采集電路處理后,傳送至PC機并計算待測氣體吸收損耗量,最后根據待測氣體濃度與待測氣體吸收損耗量的關系來獲取待測氣體的濃度。
[0012]所述信號調理電路包括放大電路,所述放大電路的輸入端與光電探測轉換電路的輸出端相連,放大電路的輸出端與濾波電路的輸入端相連,濾波電路的輸出端與數(shù)據采集電路的輸入端相連。
[0013]—種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng),包括:
[0014]微處理器,所述微處理器與電流驅動電路相連,所述電流驅動電路與DFB激光器相連;
[0015]所述DFB激光器輸出的激光信號傳送至光纖二分二耦合器的一輸入端,并由所述光纖二分二耦合器分成兩路光信號;其中,一路光信號傳送至氣室,經氣室吸收后輸出的光信號再反饋至光纖二分二耦合器的另一輸入端,形成光纖環(huán)形腔;
[0016]另一路光信號的傳輸方向上還設置若干個串聯(lián)連接的光纖環(huán)形腔,每個所述光纖環(huán)形腔的輸出光信號分別傳送至相應的光電探測轉換電路進行轉換為電信號,光電探測轉換電路輸出的電信號依次經過相應的信號調理電路和相應的數(shù)據采集電路處理后,傳送至相應的PC機并計算待測氣體吸收損耗量,再根據待測氣體濃度與待測氣體吸收損耗量的關系來獲取待測氣體的濃度,最終實現(xiàn)單通道多點氣體濃度檢測。
[0017]—種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng),包括:
[0018]微處理器,所述微處理器與電流驅動電路相連,所述電流驅動電路與若干個DFB激光器相連;
[0019]每個所述DFB激光器輸出的激光信號傳送至光纖二分二耦合器的一輸入端,并由所述光纖二分二耦合器分成兩路光信號;其中,一路光信號傳送至氣室,經氣室吸收后輸出的光信號再反饋至光纖二分二耦合器的另一輸入端,形成光纖環(huán)形腔;
[0020]另一路光信號傳送至光電探測轉換電路進行轉換為電信號,光電探測轉換電路輸出的電信號依次經過信號調理電路和數(shù)據采集電路處理后,傳送至PC機并計算待測氣體吸收損耗量,再根據待測氣體濃度與待測氣體吸收損耗量的關系來獲取待測氣體的濃度;
[0021]最終實現(xiàn)若干個光纖環(huán)形腔并聯(lián)連接形式的多通道氣體濃度檢測。
[0022]—種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng),包括:
[0023]微處理器,所述微處理器與電流驅動電路相連,所述電流驅動電路與若干個DFB激光器相連;
[0024]每個所述DFB激光器輸出的激光信號傳送至光纖二分二耦合器的一輸入端,并由所述光纖二分二耦合器分成兩路光信號;其中,一路光信號傳送至氣室,經氣室吸收后輸出的光信號再反饋至光纖二分二耦合器的另一輸入端,形成光纖環(huán)形腔;
[0025]另一路光信號的傳輸方向上還設置若干個串聯(lián)連接的光纖環(huán)形腔,每個所述光纖環(huán)形腔的輸出光信號分別傳送至相應的光電探測轉換電路進行轉換為電信號,光電探測轉換電路輸出的電信號依次經過相應的信號調理電路和相應的數(shù)據采集電路處理后,傳送至相應的PC機并計算待測氣體吸收損耗量,再根據待測氣體濃度與待測氣體吸收損耗量的關系來獲取待測氣體的濃度,最終實現(xiàn)多通道多點氣體濃度檢測。
[0026]—種基于雙波長光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測系統(tǒng)的檢測方法,包括:
[0027]步驟(1):連接氣體濃度檢測系統(tǒng)中的電路,形成單個光纖環(huán)形腔;
[0028]步驟(2):通過微處理器調節(jié)DFB激光器輸出激光信號的波長分別為待測氣體吸收波長以及除待測氣體吸收波長之外的其他波長;
[0029]步驟(3):將步驟⑵中的兩種波長的激光信號分別通過光纖環(huán)形腔衰蕩后得到光脈沖序列,并均經處理后傳送至PC機內進行求解待測氣體吸收損耗量;
[0030]步驟(4):根據待測氣體濃度與待測氣體吸收損耗量的關系,最終計算得出氣室內待測氣體的濃度。
[0031]所述步驟(3)中求解待測氣體吸收損耗量的過程,包括:
[0032]步驟(3.1):PC機將接收的數(shù)據采用指數(shù)函數(shù)y = a*exp (_b*t)進行擬合,得到兩組解分別為(&1,匕)和(a2,b2),其中y為PC機接收的數(shù)據數(shù)值,t為PC機接收數(shù)據的時間,a和b均為待求解參數(shù);
[0033]步驟(3.2):根據公式(1/V /T = 10*loge/ Γ 丨和(1/b 2) /T = 10*loge/ Γ 2,分別求解出系統(tǒng)固有總損耗r\和系統(tǒng)總損耗r 2,其中τ為光脈沖在光纖環(huán)環(huán)繞一次的時間,為定值;e指的是自然指數(shù);
[0034]步驟(3.3):根據氣體吸收損耗a gas等于系統(tǒng)總損耗Γ 2與系統(tǒng)固有總損耗Γ啲差值,最后得到待測氣體的吸收損耗量。
[0035]—種基于雙波長