能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源，輸出控制模塊，光放大器，氣室，光電探測器以及信號處理模塊，寬譜光源的輸出端與控制模塊的輸入端連接，控制模塊的輸出端與光放大器連接的輸入端連接，光放大器的輸出端連接到氣室輸入端上，氣室輸出端與光電探測器的輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊輸入端連接。本發(fā)明通過采用輸出控制模塊來選擇波長，并可根據(jù)需要改變探測光源的波長，可以測量多種不同的氣體濃度，使用波長選擇控制還能減少光電探測器的使用數(shù)量，從而降低成本；再通過光放大器對特征譜線的強(qiáng)度有放大增強(qiáng)，從而提高信噪比，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)諧，提高了探測光的抗干擾能力和靈敏度。
【專利說明】能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖氣體傳感器的檢測原理是根據(jù)光在待測物理參數(shù)作用的情況下，待測參數(shù)可能引起的光強(qiáng)、波長、頻率、相位等參數(shù)的變化，從這些可能變化的光參數(shù)中提取被測參數(shù)的信息。其一般形式為利用光纖本身的特性或外加敏感元件，將被測信號的變化調(diào)制成光參數(shù)的變化。因此光纖傳感器中根據(jù)光纖所起的作用可分為功能型光纖傳感器和非功能型光纖傳感器。非功能性的光纖氣體傳感器中的基本結(jié)構(gòu)是:將光源發(fā)射的光作為載波，氣室做為敏感元件，光強(qiáng)變化作為信號被加到光載波上，光纖作為傳輸媒介，再通過光電探測器提出信號，結(jié)合光譜知識分析待測氣體的濃度等信息。目前非功能性光纖氣體傳感器存在一些由于其結(jié)構(gòu)特征所帶來的不足，主要表現(xiàn)在:光源光譜范圍大，信號弱，在噪聲環(huán)境下難于提取信號，測量目標(biāo)單一，一個傳感器只能測量一種目標(biāo)氣體的相關(guān)物理參數(shù)。為了解決光纖傳感器系統(tǒng)存在的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)采用了 一些新的結(jié)構(gòu)和方法，但這些現(xiàn)有技術(shù)均存在以下缺點:
1)采用窄線寬光源(如=DFB激光器)實現(xiàn)目標(biāo)氣體的非特征譜線對信號的干擾。但由于DFB的發(fā)射波長具有溫度敏感性，這種傳感器穩(wěn)定性控制困難；
2)采用F-P無源腔作為濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)窄線寬載波。但是由LED光譜線型是高斯性，當(dāng)特征譜線位于LED光譜邊緣時，強(qiáng)度極其微弱，在噪聲條件下難于提取信號，這使得只能使用LED中心波長附近的光譜，這種結(jié)構(gòu)一般只能測定一種目標(biāo)氣體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，它能實現(xiàn)多種氣體成分濃度測量，且能實現(xiàn)輸出波長可調(diào)，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性好，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源，輸出控制模塊，光放大器，氣室，光電探測器以及信號處理模塊，寬譜光源的輸出端與控制模塊的輸入端連接，控制模塊的輸出端與光放大器連接的輸入端連接，光放大器的輸出端連接到氣室輸入端上，氣室的輸出端與光電探測器輸入端連接，光電探測器的輸出端與信號處理模塊輸入端連接；輸出控制模塊的組成包括波分解復(fù)用器，開關(guān)陣列和波分復(fù)用器，波分解復(fù)用器的輸入端與寬譜光源的輸出端連接，波分解復(fù)用器輸出端與開關(guān)陣列的輸入端連接，開關(guān)陣列的輸出端與波分復(fù)用器的輸入端連接，波分復(fù)用器的輸出端與光放大器連接的輸入端連接。
[0005]所述的光源為發(fā)光二極管(LED)，發(fā)射光譜半最大全寬(FWHM)在50nm以上。
[0006]所述波分解復(fù)用器及波分復(fù)用器為熔融拉錐型、介質(zhì)模型、陣列波導(dǎo)型或光柵型結(jié)構(gòu)；開關(guān)陣列為兩個以上結(jié)構(gòu)相同的單列光控開關(guān)構(gòu)成，或一個兩列以上開關(guān)組；且開關(guān)陣列為磁控開關(guān)、光控開關(guān)或機(jī)械式開關(guān)。
[0007]所述的氣室可以是自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)，還可以是懷特腔結(jié)構(gòu)。
[0008]工作原理:光源為LED，輻射寬譜光，通過光纖輸入波長控制模塊，根據(jù)目標(biāo)氣體，由波長控制模塊選擇特定波長的光輸出，輸出光變?yōu)檎€寬光源，將其經(jīng)過光放大器放大后，被輸入氣室，當(dāng)探測光通過氣室后，光譜中的對應(yīng)待測物特征譜線的位置發(fā)生吸收，表現(xiàn)為光強(qiáng)發(fā)生了變化，該光強(qiáng)變化經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、諧波分析等標(biāo)準(zhǔn)的信號分析過程，最后得到待測氣體的濃度。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用輸出控制模塊來選擇波長，并可根據(jù)需要改變探測光源的波長，可以測量多種不同的氣體濃度，使用波長選擇控制還能減少光電探測器的使用數(shù)量，從而降低成本；再通過光放大器對特征譜線的強(qiáng)度有放大增強(qiáng)，從而提高信噪t匕，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)諧，提高了探測光的抗干擾能力和靈敏度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)測量多種氣體成分的復(fù)用功能，使用效果好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖1為本發(fā)明的工作原理結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]附圖3為本發(fā)明的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的實施例1:能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，寬譜光源I的輸出端與控制模塊2的輸入端連接，輸出控制模塊2由波分解復(fù)用器7、開關(guān)陣列8、波分復(fù)用器9和用于連接的光纖構(gòu)成，開關(guān)陣列由η個單列開關(guān)構(gòu)成，解復(fù)用器7的輸入端是輸出控制模塊2的輸入端，解復(fù)用器7有η個輸出端，通過光纖分別與η個開關(guān)的輸入端連接，η個開關(guān)的輸出端分別與波分復(fù)用器9的η個輸入端連接，通過開關(guān)控制某一波長的光進(jìn)入波分復(fù)用器9,波分復(fù)用器9的輸出端與光放大器3的輸入端連接,光信號被放大，光放大器3的輸出端連接到氣室4輸入端上,氣室4由兩段光纖10、16, —對自聚焦透鏡12、15，以及一只開有兩個氣孔13、14的玻璃圓柱筒11構(gòu)成；光纖10作為氣室4輸入端與自聚焦透鏡12連接，結(jié)點位于自聚焦透鏡12的右方焦點12F，通過透鏡12的光變?yōu)橐唤M平行光，穿越氣室過程中被氣體部分吸收，平行光到達(dá)左端后由自聚焦透鏡15匯聚于焦點15F,并進(jìn)入光纖16做為氣室4輸出端；氣室4的輸出端與光電探測器5的輸入端連接，光電探測器5的輸出端與信號處理模塊6輸入端連接；當(dāng)探測光通過氣室后，光譜中的對應(yīng)待測物特征譜線的位置發(fā)生吸收，表現(xiàn)為光強(qiáng)發(fā)生了變化，該光強(qiáng)變化經(jīng)過光電探測器5轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、諧波分析等標(biāo)準(zhǔn)的信號分析過程，最后得到待測氣體的濃度；開關(guān)陣列8可以改變探測光源的波長，進(jìn)而可以測量多種不同的氣體濃度。
[0013]本發(fā)明的實施例2:能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所不，包括寬譜光源I，輸出控制模塊2,光放大器3,氣室4,光電探測器5以及信號處理模塊6，寬譜光源I的輸出端與控制模塊2的輸入端連接，控制模塊2的輸出端與光放大器3連接的輸入端連接，輸出控制模塊2由波分解復(fù)用器7、開關(guān)陣列8、波分復(fù)用器9和用于連接的光纖構(gòu)成，開關(guān)陣列由η個單列開關(guān)構(gòu)成，解復(fù)用器7的輸入端是輸出控制模塊2的輸入端，解復(fù)用器7有η個輸出端，通過光纖分別與η個開關(guān)的輸入端連接，η個開關(guān)的輸出端分別與波分復(fù)用器9的η個輸入端連接，通過開關(guān)控制某一波長的光進(jìn)入波分復(fù)用器9，波分復(fù)用器9的輸出端與光放大器3的輸入端連接,光信號被放大,光放大器3的輸出端連接到氣室4輸入端上，氣室4由兩段光纖17、18，兩個凹面鏡22、23、一只開有兩個氣孔20、21的玻璃圓柱筒19構(gòu)成；光纖17 —端作為氣室的輸入端,另一端與凹面鏡鏡準(zhǔn)直器24的輸入端連接，輸出端的光在在凹面鏡22、23的反射作用下多次往返穿過氣室最后進(jìn)入準(zhǔn)直器25，準(zhǔn)直器25的另一端與光纖18連接作為氣室4的輸出，氣室4輸出端連接光電探測器5的輸入端連接，光電探測器5的輸出端與信號處理模塊6輸入端連接；波分解復(fù)用器7及波分復(fù)用器9均為波導(dǎo)陣列型(解)波分復(fù)用結(jié)構(gòu)，開關(guān)陣列8為一個η列的磁控開關(guān)組8bI…8bn。
[0014] 上述實施例中，寬譜光源I為發(fā)光二級管光源，出射光譜寬50nm以上，輻射光譜符合高斯分布或洛倫茲分布；寬譜光源I發(fā)射寬譜光，波分解復(fù)用器7通道間隔△ λ，能夠?qū)捵V光源按照波長間隔為△ λ分成η路窄譜光，根據(jù)目標(biāo)氣體的特征譜線，將開關(guān)陣列8對應(yīng)的開關(guān)設(shè)置為開通狀態(tài)，其它的開關(guān)設(shè)置為斷開狀態(tài)，控制該路光通過波分復(fù)用器9，再被光放大器3放大獲得窄譜寬高強(qiáng)度的理想探測光源，當(dāng)探測光通過氣室后，光譜中的對應(yīng)待測物特征譜線的位置發(fā)生吸收，表現(xiàn)為光強(qiáng)發(fā)生了變化，該光強(qiáng)變化經(jīng)過光電探測器5轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、諧波分析等標(biāo)準(zhǔn)的信號分析過程，最后得到待測氣體的濃度；開關(guān)陣列8可以改變探測光源的波長，進(jìn)而可以測量多種不同的氣體濃度。
[0015]波分解復(fù)用器及波分復(fù)用器根據(jù)需要可以選擇熔融拉錐型、或介質(zhì)模型、或陣列波導(dǎo)型、或光柵型結(jié)構(gòu)；開關(guān)陣列可以用結(jié)構(gòu)相同的單列光控開關(guān)構(gòu)成，也可以由多列開關(guān)組成；開關(guān)陣列可以是磁控開關(guān)、光控開關(guān)、或機(jī)械式開關(guān)。
[0016]寬譜光源1、光放大器3,氣室4、光電探測器5以及信號處理模塊6均可購自能實現(xiàn)上述功能的常規(guī)市售產(chǎn)品。
【權(quán)利要求】
1.一種能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，包括寬譜光源(1)，輸出控制模塊(2),光放大器(3),氣室(4),光電探測器(5)以及信號處理模塊(6),其特征在于:寬譜光源(I)的輸出端與控制模塊(2)的輸入端連接,控制模塊(2)的輸出端與光放大器(3)連接的輸入端連接，光放大器(3)的輸出端連接到氣室(4)輸入端上，氣室(4)的輸出端與光電探測器(5)的輸入端連接，光電探測器(5)的輸出端與信號處理模塊(6)輸入端連接；輸出控制模塊(2)的組成包括波分解復(fù)用器(7)，開關(guān)陣列(8)和波分復(fù)用器(9)，波分解復(fù)用器(7)的輸入端與寬譜光源(I)的輸出端連接，波分解復(fù)用器(7)輸出端與開關(guān)陣列(8)的輸入端連接，開關(guān)陣列(8)的輸出端與波分復(fù)用器(9)的輸入端連接，波分復(fù)用器(9)的輸出端與光放大器(3)連接的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，其特征在于:寬譜光源(I)為發(fā)光二極管，光譜半最大全寬在50nm以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，其特征在于:所述波分解復(fù)用器(7)及波分復(fù)用器(9)為熔融拉錐型、介質(zhì)模型、陣列波導(dǎo)型或光柵型結(jié)構(gòu)；開關(guān)陣列(8)為兩個以上結(jié)構(gòu)相同的單列光控開關(guān)構(gòu)成，或一個兩列以上開關(guān)組；且開關(guān)陣列(8)為磁控開關(guān)、光控開關(guān)或機(jī)械式開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，其特征在于:光放大器(3)為摻鉺光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能測量多種氣體成分的復(fù)用式光纖氣體傳感器，其特征在于:氣室(4)為自聚焦透鏡結(jié)構(gòu)或懷特腔結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01N21/31GK103954572SQ201410185683
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】白光富, 江陽, 胡林 申請人:貴州大學(xué)