專利名稱：基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
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現(xiàn)對多種有害氣體的識別，并能實現(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施監(jiān)測的基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)。
背景技術：
光纖傳感器具有高靈敏度、抗電磁干擾、重量輕的優(yōu)點，目前已廣泛應用航天、軍事和民用等領域。光纖光柵傳感器不僅可以用來檢測應力、應變、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在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用價值，可應用于煤礦中對作業(yè)環(huán)境特別是危險氣體進行監(jiān)測；對大氣中各污染有害氣體進行識別檢測；對容器中參加反應的各化學氣體濃度進行實時監(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)明所要解決的技術問題是，提供一種可實現(xiàn)對多種有害氣體的識別，并能實現(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施監(jiān)測的基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)。
本發(fā)明所采用的技術方案是一種基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源、光波分復用器、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，還設置有檢測氣室，其中，泵浦光源、光波分復用器、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。
所述的檢測氣室設置有一個。
所述的檢測氣室設置有一個以上，而所述的反射光柵的數(shù)量與檢測氣室的數(shù)量相同，并一一對應連接；在各檢測氣室與第一光耦合器之間還設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。
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)實現(xiàn)了對不同位置的氣體同時實施監(jiān)測。本發(fā)明可廣泛的應用于煤礦、大氣及化工等行業(yè)。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)構成示意圖。
其中1泵浦光源 2光波分復用器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13檢測氣室14反射光柵15光纖16計算機具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)做出詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源1、光波分復用器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，還設置有檢測氣室13，其中，泵浦光源1、光波分復用器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可設置有一個，或設置有一個以上。當設置有一個以上時，所述的反射光柵14的設置數(shù)量與檢測氣室13的數(shù)量相同，并一一對應連接；在各檢測氣室13與第一光耦合器7之間還設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12。
上述系統(tǒng)中F-P可調(diào)諧光濾波器與反射光柵構成了內(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，采集相應的光譜曲線，可實現(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的數(shù)據(jù)采集模塊完成，基于計算機總線的數(shù)據(jù)采集與控制模塊實現(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用器驅(qū)動。
在系統(tǒng)中引入光開關可擴展測試范圍，利用光開關在多路之間進行切換可依次檢測各檢測氣室中的氣體種類，從而實現(xiàn)了準分布式的氣體檢測，在礦山等地區(qū)的混合氣體檢測方面具有很高的應用價值。
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，一路由光開關切換選擇透過相應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)形器進入光纖環(huán)路，由第二光耦合器再次分束，一部分進入數(shù)據(jù)采集模塊用于光譜采集，另一部分經(jīng)過光波分復用器并由增益介質(zhì)進行放大。當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。光開關通過對檢測光路的選擇確定檢測氣室的位置，實現(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)諧光濾波器應在1550nm波長附近約100nm范圍內(nèi)實現(xiàn)透射窗口調(diào)諧，透射窗口的3dB帶寬應不超過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)應保證較高的響應度，且輸出電壓應控制在-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)采集模塊應實現(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。
權利要求
1.一種基于內(nèi)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，包括有泵浦光源(1)、光波分復用器(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，還設置有檢測氣室(13)，其中，泵浦光源(1)、光波分復用器(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)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)設置有一個。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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，并一一對應連接；在各檢測氣室(13)與第一光耦合器(7)之間還設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(12)。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)權利要求1所述的基于內(nèi)腔光纖激光器的準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)腔光纖激光器的準分布式混合氣體傳感系統(tǒng)，是由泵浦光源、光波分復用器、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，可實現(xiàn)對多種有害氣體的識別。分布式系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同位置的氣體同時實施監(jiān)測?？蓮V泛的應用于煤礦、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