基于空芯光纖光熱效應(yīng)的氣體檢測(cè)方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于空巧光纖光熱效應(yīng)的氣體濃度 探測(cè)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有對(duì)于氣體濃度檢測(cè)方法中，最主要的是基于光吸收的光譜檢測(cè)技術(shù)。該方法 中最簡(jiǎn)單的是采用直接吸收光譜法值A(chǔ)巧，根據(jù)朗伯比爾定律，特定波長(zhǎng)的光通過待測(cè)氣體 時(shí)一部分光能量被待測(cè)氣體吸收，從而使得透射光功率降低，來分析被測(cè)氣體濃度。該方法 雖然簡(jiǎn)單有效，但是在實(shí)際檢測(cè)的過程中受到光吸收長(zhǎng)度（氣室長(zhǎng)度）和各種噪聲的干擾， 造成檢測(cè)的結(jié)果中常常因?yàn)楦蓴_因素導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)，使得該方法靈敏度較低。
[0003] 另外一種常用的方法就是可調(diào)二極管激光吸收光譜法（TDLA巧，其利用激光波長(zhǎng) 掃過氣體吸收線時(shí)的吸收強(qiáng)度變化來檢測(cè)目標(biāo)氣體濃度，結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制（AM)和波長(zhǎng)調(diào)制 (WM)等技術(shù)，該方法可通過調(diào)制激光的強(qiáng)度/波長(zhǎng)有效地降低激光器噪聲和其他背景噪聲 的影響，從而實(shí)現(xiàn)較高的氣體測(cè)量靈敏度。但是該方法依然受到吸收長(zhǎng)度的限制，各種增加 吸收長(zhǎng)度的方法使得系統(tǒng)變得復(fù)雜、龐大和對(duì)光路精密性要求的提高。
[0004] 空巧光纖可W將光學(xué)模式和氣體同時(shí)束縛在纖巧中，而其具有長(zhǎng)距離傳輸、損耗 小、輕便等優(yōu)點(diǎn)，在光纖中傳輸?shù)幕９鈭?chǎng)與氣體相互作用，其吸收光譜或激光功率衰減與 氣體濃度成比例關(guān)系，從而可W確定氣體濃度的大小。應(yīng)用光纖作為氣室，很容易實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng) 的吸收長(zhǎng)度，可W提高檢測(cè)靈敏度；光纖可W彎曲至很小的直徑，可實(shí)現(xiàn)較小的氣室。因此， 近來越來越傾向于應(yīng)用空巧光纖來進(jìn)行氣體濃度的檢測(cè)。然而，目前的空巧光纖除了支持 基模外還支持一些高階模式，光纖模式之間的干設(shè)噪聲影響測(cè)量的靈敏度。
[0005] 另外一種基于光譜吸收的氣體探測(cè)方法就是光熱/光聲（PTS/PA巧方法。區(qū)別 于上述直接吸收測(cè)量方法，光熱/光聲法間接測(cè)量氣體吸收光后產(chǎn)生的溫度變化或聲波變 化，從而得出氣體的濃度信息。相對(duì)于直接吸收法，該方法產(chǎn)生的信號(hào)直接正比于吸收的大 小，不受背景光噪聲的影響。檢測(cè)中應(yīng)用高功率激光器和高靈敏度聲波或溫度探測(cè)器結(jié)合， 可實(shí)現(xiàn)極高的氣體濃度探測(cè)極限（ppb甚至ppt)。但是使用該方法測(cè)量需要與電探測(cè)器結(jié) 合，且只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，無法滿足在測(cè)量過程中的各種多點(diǎn)和遠(yuǎn)程測(cè)量的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實(shí)施的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度、 大動(dòng)態(tài)范圍的一種基于空巧光纖光熱效應(yīng)的氣體探測(cè)方法及系統(tǒng)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案如下：
[000引一種基于空巧光纖光熱效應(yīng)的氣體檢測(cè)方法，包括如下步驟：
[0009] 將待測(cè)氣體填充至空巧光纖的纖巧內(nèi)；
[0010] 將探測(cè)激光和周期性調(diào)制后的累浦激光輸入空巧光纖中；
[0011] 待測(cè)氣體吸收累浦激光后產(chǎn)生光熱激發(fā)效應(yīng)導(dǎo)致探測(cè)激光相位的周期性調(diào)制；
[0012] 解調(diào)探測(cè)激光的相位調(diào)制信息，得到待測(cè)氣體濃度；
[0013] 其中，所述周期性調(diào)制為累浦激光的波長(zhǎng)及/或強(qiáng)度的調(diào)制。
[0014] 本發(fā)明的檢測(cè)方法測(cè)量步驟采用累浦激光激發(fā)光熱效應(yīng)產(chǎn)生相位調(diào)制，應(yīng)用探測(cè) 激光進(jìn)行相位探測(cè)。當(dāng)氣體與特定波長(zhǎng)光束發(fā)生相互作用時(shí)，部分光能量被吸收，氣體被激 發(fā)到高能級(jí)態(tài)，進(jìn)而通過分子碰撞等非福射過程回到基態(tài)并產(chǎn)生局域熱沉積，從而引起介 質(zhì)溫度的變化；周期性的光吸收產(chǎn)生周期性的溫度變化，從而周期性的改變了探測(cè)光在光 纖中傳播的有效折射率W及光纖長(zhǎng)度，進(jìn)而周期性的改變了探測(cè)光的相位。該相位變化可 W通過馬赫-澤德，法布里-巧羅，薩格納克或其他光干設(shè)儀解調(diào)，其輸出和氣體濃度成正 比的電信號(hào)，即可獲得待測(cè)氣體濃度結(jié)果。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步還提出一種基于空巧光纖，進(jìn)行分布式氣體濃度檢測(cè)的方法，包括 如下步驟：
[0016] 將待測(cè)氣體填充至空巧光纖的纖巧內(nèi)；
[0017] 將累浦激光禪合入空巧光纖中對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行光熱激發(fā)；
[0018] 對(duì)累浦激光的波長(zhǎng)及/或強(qiáng)度進(jìn)行周期性調(diào)制；
[0019] 如上所述，周期性調(diào)制的累浦激光對(duì)探測(cè)激光的相位產(chǎn)生周期性調(diào)制，探測(cè)光沿 著光纖長(zhǎng)度的相位調(diào)制大小反映著沿著光纖長(zhǎng)度分布的氣體濃度。本發(fā)明利用一種基于外 差檢測(cè)的cp-OTDR技術(shù)測(cè)量探測(cè)光沿著光纖長(zhǎng)度分布的相位調(diào)制大小。其結(jié)合了傳統(tǒng)的 光時(shí)域反射技術(shù)和相干外差檢測(cè)技術(shù)測(cè)量光沿著光纖長(zhǎng)度分布的相位調(diào)制大小。將探測(cè) 激光分為兩部分，一部分探測(cè)光經(jīng)過聲光調(diào)制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)并且產(chǎn)生頻移，其入射到待 測(cè)空巧光纖里會(huì)發(fā)生后向散射，沿著光纖長(zhǎng)度分布的后向散射光與另一部分探測(cè)光相干檢 巧。，通過拍頻產(chǎn)生的信號(hào)反映著沿著光纖長(zhǎng)度分布的相位變化，進(jìn)而得到沿著光纖長(zhǎng)度分 布的氣體濃度信息。其分布測(cè)量的空間分辨率由聲光調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖寬度決定，而濃度 的測(cè)量下限則由相干檢測(cè)的相位靈敏度決定。
[0020] 本發(fā)明還提出一種實(shí)現(xiàn)上述光熱氣體濃度檢測(cè)方法的系統(tǒng)，包括：光源組件、光纖 激發(fā)探測(cè)組件、用于對(duì)光纖激發(fā)探測(cè)組件輸出的干設(shè)光進(jìn)行解調(diào)的信號(hào)檢測(cè)組件；其中，
[0021] 所述光源組件包括激光發(fā)射裝置，該激光發(fā)射裝置具有發(fā)射累浦激光的累浦發(fā)射 端和發(fā)射探測(cè)激光的探測(cè)發(fā)射端；
[0022] 所述光纖激發(fā)探測(cè)組件包括第一禪合器、第二禪合器、第=禪合器、空巧光纖、參 考光纖、光濾波器；其中，
[0023] 所述第一禪合器的光輸入端與累浦發(fā)射端連接、禪合輸出端經(jīng)空巧光纖至連接第 =禪合器的光輸入端；
[0024] 所述第二禪合器的光輸入端與探測(cè)發(fā)射端連接、禪合輸出端分為兩路；其中第一 路經(jīng)參考光纖與第=禪合器的輸入端連接，第二路連接至第一禪合器的輸入端；
[0025] 所述第=禪合器的禪合輸出端與光濾波器的輸入端連接；所述光濾波器的輸出端 與信號(hào)檢測(cè)組件的輸入端連接。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)針對(duì)上述檢測(cè)方法步驟，大大提高測(cè)量過程中的累浦光的光 功率密度，從而使光熱光聲信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高；還可W有效地降低干擾因素造成的 影響，而且對(duì)近紅外吸收波段的氣體具有普適性。
【附圖說明】
[0027] 下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：
[002引圖1為本發(fā)明實(shí)施例空巧光子帶隙光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例基于空巧光纖進(jìn)行分布式氣體檢測(cè)的示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例光熱氣體檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖；
[0031] 圖4為圖3中反饋控制單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖5為圖3中傳感光纖與光路銜接的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0034] 本發(fā)明實(shí)例采用一種用光熱效應(yīng)檢測(cè)替代現(xiàn)有直接吸收導(dǎo)致的損耗來進(jìn)行氣體 檢測(cè)。參見圖1-3。本發(fā)明中采用的空巧光纖的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該空巧光纖1呈管狀，包 括環(huán)形包層2和位于環(huán)形包層2內(nèi)的纖巧3 ;其中，纖巧3包括沿光纖軸向貫穿空巧光子帶 隙光纖1的孔巧部3a，W及分布于孔巧部3a周圍的若干軸向方向貫穿空巧光子帶隙光纖1 的微孔部3b ;上述環(huán)形包層2和微孔部3b本身材質(zhì)選用石英。
[0035] 上述空巧光纖1中孔巧部3a的直徑為5-20 ym，并且微孔部3b根據(jù)檢測(cè)的需求， 其分布環(huán)繞于孔巧部3a周圍，也可W呈環(huán)形形狀分布，且其環(huán)形外徑為10 y m級(jí)；測(cè)量過程 中纖巧3用于填充待測(cè)氣體；環(huán)形包層2至少保證整體空巧光纖1的強(qiáng)度和初性，整體光纖 直徑約為120 ym。該空巧光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使特定波長(zhǎng)的光束禪合進(jìn)入空巧光纖1，并由光 子帶隙特性束縛在低折射率纖巧中傳播，因此絕大部分的光能量位于孔巧部3a和微孔部 3b中。相比其他消逝場(chǎng)禪合的光纖類型，該空巧光子帶隙光纖能夠提供極