一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自從18世紀(jì)60年代工業(yè)革命以來，煤炭、石油、化工等行業(yè)產(chǎn)能需求不斷擴(kuò)大，在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供動力的同時(shí)，其所釋放泄漏的有毒有害氣體也給人民的生產(chǎn)生活帶來了巨大的隱患，因此，實(shí)現(xiàn)對有毒有害氣體的安全監(jiān)控已經(jīng)成為當(dāng)今環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)亟待解決的重要問題之一，而準(zhǔn)確靈敏、快速的氣體傳感器的研發(fā)又是解決這一問題的重要前提之一。
[0003]到目前為止，各類氣體傳感器都發(fā)展迅速，其中，基于光譜吸收型的光纖氣體傳感器以其抗干擾性強(qiáng)、本質(zhì)安全、易于組網(wǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)備受市場青睞，該技術(shù)通過檢測氣體吸收光強(qiáng)損耗來推算待測氣體濃度，其技術(shù)難點(diǎn)在于吸收損耗非常微弱而且處在同波長強(qiáng)背景的掩蓋下，因此如何實(shí)現(xiàn)對微弱信號的提取與放大進(jìn)而提升傳感器靈敏度與測量精度一直是光纖氣體傳感技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。
[0004]目前提升傳感器靈敏度與測量精度的方法主要有優(yōu)化電路解調(diào)方式和優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)兩類。對于前者，科研人員提出的方案包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TunableD1de Laser Absorpt1n Spectroscopy，TDLAS)技術(shù)中的自平衡檢測、波長調(diào)制光譜光聲光譜中的諧波檢測以及譜相關(guān)檢測等，本質(zhì)就是通過抑制背景噪聲與背景基線提高信噪比，增加檢測靈敏度與測量精度，但光干涉、探測器靈敏度等因素仍然限制了其靈敏度與測量精度的提升空間；對于后者，科研人員先后提出了增加氣體吸收長度方案、光腔衰蕩光譜(Cavity Ring-Down Spectroscopy，CRDS)技術(shù)和光纖環(huán)形衰蕩光譜(Fiber-loopRing-down Spectroscopy，F(xiàn)LRDS)技術(shù)，F(xiàn)LRDS技術(shù)盡管克服了以往技術(shù)的種種缺點(diǎn)，但仍然面臨著自身特有的短板包括波長偏移以及摻鉺光纖放大器增益飽和特性等引入的檢測誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)及方法，本發(fā)明融合TDLAS與FLRDS技術(shù)優(yōu)勢，兼顧光學(xué)結(jié)構(gòu)與電路解調(diào)手段，避免了FLRDS系統(tǒng)由于慘t耳光纖放大器(Erbium-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對于系數(shù)測試精度的影響。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括光源發(fā)生器，所述光源發(fā)生器發(fā)出光源，光源被分成兩路光信號，分別形成兩個(gè)環(huán)路；
[0008]第一環(huán)路將一路光信號繼續(xù)分成兩路次光信號，一路次光信號經(jīng)過放大、過濾和延遲后返回至次光信號產(chǎn)生處，構(gòu)成光纖環(huán)形腔，另一路次光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0009]第二環(huán)路與第一環(huán)路結(jié)構(gòu)對稱，在第二環(huán)路的光纖環(huán)形腔中增設(shè)有氣室；
[0010]第一環(huán)路與第二環(huán)路的電信號送入自平衡檢測電路，然后再依次經(jīng)過濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入信號處理單元進(jìn)行信號處理。
[0011]具體的，所述第一環(huán)路為一路光信號經(jīng)過隔離器后依次連接第一耦合器和第二耦合器，所述第二耦合器將光信號分成兩路，一路依次經(jīng)過光纖放大器、光纖濾波器和光纖延遲線后，返回到第一耦合器的輸入端構(gòu)成光纖環(huán)形腔，另一路信號傳送至光電探測轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號，電信號再經(jīng)過二級放大電路進(jìn)行放大。
[0012]進(jìn)一步的，所述第二環(huán)路為一路光信號經(jīng)過隔離器再先后經(jīng)過兩個(gè)耦合器，光信號再次被后一個(gè)耦合器分成兩路，次一路光信號依次經(jīng)過摻餌光纖放大器、氣室、光纖濾波器、光纖延遲線又回到前一個(gè)耦合器的輸入端構(gòu)成光纖環(huán)形腔，次另一路信號傳送至光電探測轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電信號，電信號再經(jīng)過二級放大電路進(jìn)行放大。
[0013]優(yōu)選的，所述光源發(fā)生器為DFB激光器。
[0014]優(yōu)選的，所述光源發(fā)生器連接有電流驅(qū)動電路和溫控電路，利用溫控電路與電流驅(qū)動電路對光源發(fā)生器進(jìn)行電流驅(qū)動及溫度驅(qū)動，使光源發(fā)生器發(fā)出穩(wěn)定的系統(tǒng)需求掃描脈沖信號。
[0015]優(yōu)選的，所述光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
[0016]優(yōu)選的，所述信號處理單元為FPGA，所述自平衡檢測電路輸出端與濾波電路的輸入端相連，濾波電路的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端與FPGA的輸入端相連。
[0017]優(yōu)選的，所述光電探測轉(zhuǎn)換電路為PIN光電探測轉(zhuǎn)換電路，具體包括放大器，放大器的正輸入端接地，負(fù)輸入端依次通過光電探測器和電阻R分別與從光纖一分二親合器、光纖一分二親合器輸出的其中一路光路相連，放大器的負(fù)輸入端與輸出端之間還并聯(lián)有RC并聯(lián)電路。
[0018]優(yōu)選的，所述二級放大電路包括運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的正輸入端通過電阻Rl接地，負(fù)輸入端通過電阻R2分別接連光電探測轉(zhuǎn)換電路、光電探測轉(zhuǎn)換電路的輸出端;運(yùn)算放大器的輸出端連接自平衡檢測電路的輸入端;在運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和輸出端之間并聯(lián)有一個(gè)支路，該支路上串聯(lián)有電阻R3和變阻器。
[0019]所述第一環(huán)路和第二環(huán)路中的光纖延遲線長度不同，即所述第一環(huán)路和第二環(huán)路中的次光信號的延遲時(shí)間不同。
[0020]—種基于上述系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0021 ] (I)連接系統(tǒng)，調(diào)試光路與電路使其正常工作，使待測氣體沖入氣室；
[0022](2)對光源發(fā)生器進(jìn)行恒溫控制，發(fā)出相應(yīng)的掃描脈沖信號；
[0023](3)調(diào)節(jié)并固定對光信號的放大倍數(shù)，使信號波形和基線符合設(shè)定要求；
[0024](4)通過調(diào)整光信號的延遲時(shí)間保證參考信號和探測信號的時(shí)序?qū)ΨQ性，檢測得到氣體濃度。
[0025]優(yōu)選的，所述步驟(2)中，將溫控電路中電橋電阻設(shè)定為一固定值后不變以實(shí)現(xiàn)對光源發(fā)生器的恒溫控制:由于光源發(fā)生器驅(qū)動電流變化會導(dǎo)致光源發(fā)生器的輸出波長的變化，所以調(diào)節(jié)電流驅(qū)動電路產(chǎn)生特定驅(qū)動電流，使光源發(fā)生器發(fā)出穩(wěn)定的符合系統(tǒng)要求的掃描脈沖信號。
[0026]所述步驟(2)中，脈沖信號的掃描范圍、脈沖間隔要符合要求，防止采集信號重疊。
[0027]系統(tǒng)中有兩個(gè)光纖環(huán)形腔，區(qū)別在于環(huán)形腔是否有氣室和光纖延遲線的長度。系統(tǒng)利用了自平衡檢測電路將已扣除背景基線的吸收信號在電路中進(jìn)一步放大。結(jié)合了TDLAS系統(tǒng)的雙路自平衡檢測技術(shù)分析吸收峰值與待測氣體濃度的關(guān)系，解調(diào)峰值代替曲線擬合。
[0028]本發(fā)明的有益效果為:
[0029](I)保持了FLRDS技術(shù)將光信號陷在光纖環(huán)路中多次經(jīng)過吸收池，來增加光路中的吸收信號，提升光纖氣體傳感器的靈敏度的優(yōu)勢；
[0030](2)改變以往系統(tǒng)的激光器驅(qū)動信號類型，引入波長掃描脈沖，可直觀的觀察到氣體吸收峰，通過定位吸收峰位置可分辨出光源波長的微小漂移量，并通過改變激光器注入電流進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，克服了 FLRDS系統(tǒng)由于激光光源波長漂移所造成的精度損失的問題。
[0031](3)利用自平衡檢測電路將已扣除背景基線的吸收信號在電路中進(jìn)一步放大，提升檢測靈敏度。
[0032](4)在光路結(jié)構(gòu)上將以往的單環(huán)路結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p環(huán)路結(jié)構(gòu)，兩環(huán)路區(qū)別在于是否有氣室和光纖延遲線的長度，從而使兩路信號具備了相同循環(huán)模式，并可以通過調(diào)整光纖延遲線長度保證參考信號和探測信號的時(shí)序?qū)ΨQ性，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的測量精度，這也是與FLRDS系統(tǒng)在光學(xué)結(jié)構(gòu)上最明顯的區(qū)別；
[0033](5)結(jié)合TDLAS系統(tǒng)的雙路自平衡檢測技術(shù)分析吸收峰值與待測氣體濃度的關(guān)系，解調(diào)峰值代替曲線擬合，降低了計(jì)算難度，避免了 FLRDS系統(tǒng)由于摻餌光纖放大器(Erbium-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對于系數(shù)測試精度的影響。
【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明的基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2是本發(fā)明的光電探測轉(zhuǎn)換電路電路圖；
[0036]圖3是本發(fā)明的二級放大電路的電路圖；
[0037]圖4是本發(fā)明的自平衡檢測電路的電路圖；
[0038]圖5是本發(fā)明的DFB激光器驅(qū)動電流掃描波形；
[0039](6)其中，1、DFB激光器;2、溫控電路;3、電流驅(qū)動電路;4、光纖一分二耦合器;5、隔離器;6、隔離器;7、光纖一分二親合器;8、光纖一分二親合器;9、光纖一分二親合器；10、光纖一分二耦合器;U、摻鉺光纖放大器(EDFA) ;12、摻鉺光纖放大器(EDFA) ;13、氣體吸收池；14、光纖濾波器；15、光纖濾波器;16、光纖延遲線；17、光纖延遲線；18、光電轉(zhuǎn)換電路；19、光電轉(zhuǎn)換電路;20、二級放大電路;21、二級放大電路;22、自平衡檢測電路;23、濾波電路;24、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;25、FPGA。
【具體實(shí)施方式】
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[0040]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0041](7)如圖1所示，基于雙光纖環(huán)形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括DFB激光器
1、溫控電路2、電流驅(qū)動電路3、光纖一分二耦合器4、隔離器5、隔離器6、光纖一分二耦合器
7、光纖一分二親合器8、光纖一分二親合器9、光纖一分二親合器10、摻鉺光纖放大器(EDFA)
I1、摻鉺光纖放大器(EDFA)。
[0042]12、氣體吸收池13、光纖濾波器14、光纖濾波器15、光纖延遲線16、光纖延遲線17、光電轉(zhuǎn)換電路18、光電