一種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]早在上個(gè)世紀(jì)20年代，人類就開始了對(duì)氣體檢測(cè)設(shè)備和方法的研究，時(shí)至今日，可監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)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(dǎo)體型氣體傳感器、電化學(xué)型氣體傳感器、固體電解質(zhì)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(lái)，伴隨著光纖和光通信技術(shù)的高速發(fā)展，光纖傳感器逐漸成為研究的主流。為測(cè)量低濃度樣品，科研人員提出增加吸收長(zhǎng)度的方案，但同時(shí)也帶來(lái)了吸收池體積龐大，多次反射結(jié)構(gòu)導(dǎo)致穩(wěn)定性差，腔體及鏡片生產(chǎn)和準(zhǔn)直困準(zhǔn)等各方面問(wèn)題。
[0004]1984年，腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDs)的概念由Anderson等人在前人基礎(chǔ)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(xué)諧振腔，在諧振腔內(nèi)充入待測(cè)物質(zhì)(某濃度的氣體等)，隨后將脈沖光信號(hào)藕合進(jìn)入諧振腔內(nèi)，每次均有少量的光信號(hào)透過(guò)高反射率鏡片出射并被后面的接收單元收集，通過(guò)測(cè)量耦合出光學(xué)諧振腔內(nèi)的光信號(hào)的衰減速率，即可得知該光學(xué)腔的損耗值，進(jìn)而達(dá)到得知諧振腔內(nèi)的氣體濃度的目的。
[0005]雖然基于空間光學(xué)的腔衰蕩光譜技術(shù)有著極高檢測(cè)靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，但該類系統(tǒng)尚存在幾個(gè)本質(zhì)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(zhǔn)直程度要求很高，結(jié)構(gòu)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(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種抗電磁干擾、適宜危險(xiǎn)環(huán)境、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)以及測(cè)量范圍廣的基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)及其方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0009]微處理器，所述微處理器與電流驅(qū)動(dòng)電路相連，所述電流驅(qū)動(dòng)電路與DFB激光器相連；
[0010]所述DFB激光器輸出的激光信號(hào)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(hào)；其中，一路光信號(hào)傳送至氣室，經(jīng)氣室吸收后輸出的光信號(hào)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(hào)傳送至光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號(hào)依次經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路處理后，傳送至PC機(jī)并計(jì)算待測(cè)氣體吸收損耗量，最后根據(jù)待測(cè)氣體濃度與待測(cè)氣體吸收損耗量的關(guān)系來(lái)獲取待測(cè)氣體的濃度。
[0012]所述信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路，所述放大電路的輸入端與光電探測(cè)轉(zhuǎn)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(jù)采集電路的輸入端相連。
[0013]—種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0014]微處理器，所述微處理器與電流驅(qū)動(dòng)電路相連，所述電流驅(qū)動(dòng)電路與DFB激光器相連；
[0015]所述DFB激光器輸出的激光信號(hào)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(hào)；其中，一路光信號(hào)傳送至氣室，經(jīng)氣室吸收后輸出的光信號(hào)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(hào)的傳輸方向上還設(shè)置若干個(gè)串聯(lián)連接的光纖環(huán)形腔，每個(gè)所述光纖環(huán)形腔的輸出光信號(hào)分別傳送至相應(yīng)的光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號(hào)依次經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電路處理后，傳送至相應(yīng)的PC機(jī)并計(jì)算待測(cè)氣體吸收損耗量，再根據(jù)待測(cè)氣體濃度與待測(cè)氣體吸收損耗量的關(guān)系來(lái)獲取待測(cè)氣體的濃度，最終實(shí)現(xiàn)單通道多點(diǎn)氣體濃度檢測(cè)。
[0017]—種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0018]微處理器，所述微處理器與電流驅(qū)動(dòng)電路相連，所述電流驅(qū)動(dòng)電路與若干個(gè)DFB激光器相連；
[0019]每個(gè)所述DFB激光器輸出的激光信號(hào)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(hào)；其中，一路光信號(hào)傳送至氣室，經(jīng)氣室吸收后輸出的光信號(hào)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(hào)傳送至光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號(hào)依次經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路處理后，傳送至PC機(jī)并計(jì)算待測(cè)氣體吸收損耗量，再根據(jù)待測(cè)氣體濃度與待測(cè)氣體吸收損耗量的關(guān)系來(lái)獲取待測(cè)氣體的濃度；
[0021]最終實(shí)現(xiàn)若干個(gè)光纖環(huán)形腔并聯(lián)連接形式的多通道氣體濃度檢測(cè)。
[0022]—種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0023]微處理器，所述微處理器與電流驅(qū)動(dòng)電路相連，所述電流驅(qū)動(dòng)電路與若干個(gè)DFB激光器相連；
[0024]每個(gè)所述DFB激光器輸出的激光信號(hào)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(hào)；其中，一路光信號(hào)傳送至氣室，經(jīng)氣室吸收后輸出的光信號(hào)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(hào)的傳輸方向上還設(shè)置若干個(gè)串聯(lián)連接的光纖環(huán)形腔，每個(gè)所述光纖環(huán)形腔的輸出光信號(hào)分別傳送至相應(yīng)的光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電探測(cè)轉(zhuǎn)換電路輸出的電信號(hào)依次經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集電路處理后，傳送至相應(yīng)的PC機(jī)并計(jì)算待測(cè)氣體吸收損耗量，再根據(jù)待測(cè)氣體濃度與待測(cè)氣體吸收損耗量的關(guān)系來(lái)獲取待測(cè)氣體的濃度，最終實(shí)現(xiàn)多通道多點(diǎn)氣體濃度檢測(cè)。
[0026]—種基于雙波長(zhǎng)光纖環(huán)形腔的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括:
[0027]步驟(1):連接氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)中的電路，形成單個(gè)光纖環(huán)形腔；
[0028]步驟(2):通過(guò)微處理器調(diào)節(jié)DFB激光器輸出激光信號(hào)的波長(zhǎng)分別為待測(cè)氣體吸收波長(zhǎng)以及除待測(cè)氣體吸收波長(zhǎng)之外的其他波長(zhǎng)；
[0029]步驟(3):將步驟⑵中的兩種波長(zhǎng)的激光信號(hào)分別通過(guò)光纖環(huán)形腔衰蕩后得到光脈沖序列，并均經(jīng)處理后傳送至PC機(jī)內(nèi)進(jìn)行求解待測(cè)氣體吸收損耗量；
[0030]步驟(4):根據(jù)待測(cè)氣體濃度與待測(cè)氣體吸收損耗量的關(guān)系，最終計(jì)算得出氣室內(nèi)待測(cè)氣體的濃度。
[0031]所述步驟(3)中求解待測(cè)氣體吸收損耗量的過(guò)程，包括:
[0032]步驟(3.1):PC機(jī)將接收的數(shù)據(jù)采用指數(shù)函數(shù)y = a*exp (_b*t)進(jìn)行擬合，得到兩組解分別為(&1，匕)和(a2，b2)，其中y為PC機(jī)接收的數(shù)據(jù)數(shù)值，t為PC機(jī)接收數(shù)據(jù)的時(shí)間，a和b均為待求解參數(shù)；
[0033]步驟(3.2):根據(jù)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(shí)間，為定值；e指的是自然指數(shù)；
[0034]步驟(3.3):根據(jù)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(cè)氣體的吸收損耗量。
[0035]—種基于雙波長(zhǎng)