[发明专利]一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤气体传感系统结构，特别涉及一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构。

背景技术

光纤气体-传感器的研究工作自上世纪80年代开始至今已经取得了很大的发展，但受光源价格的制约，单点光纤气体传感器的价格仍然居高不下，如此高的成本严重限制了它与传统电化类传感器的竞争。以甲烷气体传感器为例，光纤式甲烷传感器具有化学性质稳定适合于测量易燃易爆气体、同时测量精度远高于电化类传感器等优点，但是在目前国内的工矿企业当中还没有得到应用，正是价格成本束缚了实用化的步伐。如何利用光纤巨大的带宽和易于成网的特性进行多点光纤气体传感，减少光源或者信号处理设备，进而降低成本是光纤气体传感器实用化发展的重要一步。在光纤气体传感器复用技术的研究上，目前主要的结构有两种：空分复用（如图1所示）和时分复用（如图2所示）。而对于大型传感器阵列来说，通常会利用多种复用方式组合的方法扩充阵元数目，找到一种新的复用方式对于阵元数目的扩充具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是为了解决现有光纤气体传感器复用方法缺乏的问题，从而提供了一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构。

一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构，包括信号源驱动模块、光源、光纤耦合模块、引导光纤、气室网络、光接收模块及信号提取与检测模块。

基于上述的一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构主要包括：

信号源驱动模块主要功能在于产生三种信号，其中包括三角波信号、两路相互正交的正弦波信号。产生后的电信号，通过加法器进行合成，其中三角波信号分别和一路正弦波信号叠加合成，形成两路的合成信号用以分别驱动调制两路光源产生两路光信号；

两路光信号通过光源一侧的耦合器分离形成四路光信号通过引导光纤传导交叉分别进入气室网络中的四个气室；

进入气室的四路光信号，在气室中受气体吸收作用的影响会发生相应的变化；

通过气室网络后的四路光信号再次通过耦合器合成为两路光信号分别进入两个光接收模块，通过光接收模块转换为两路电信号；

通过光接收模块转化后的两路电信号进入信号检测部分分离提取，利用信号的正交特性从中提取出四路信号，其分别代表四个气室中的气体浓度信息；

数据处理单元完成对四个气室中气体浓度信息的分析显示与处理。

附图说明

图1是现有的基于空分复用的光纤气体传感系统结构示意图；

图2是现有的基于时分复用的光纤气体传感系统结构示意图；

图3是本发明一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明：

图1为现有的基于空分复用的光纤气体传感系统结构，其主要是利用光开关依次接通各个气室，将光依次送入各个气室，光路切换时间较长，系统不能够做到实时响应。

图2为现有的基于时分复用的光纤气体传感系统结构，其主要是利用电光调制器形成光脉冲，利用传输线路上的光纤延迟线，控制光脉冲到达各个气室的时间，检测部分完成时分的解复用，系统中光源所发出的光要均匀分给各个气室，受光源总功率及检测灵敏度的的限制，此类方法形成的传感器阵列阵元数目受限。

图3为本发明所提出的一种基于正交频分复用的光纤气体传感系统结构，该系统包括信号源驱动模块301、光源302、光纤耦合模块303、引导光纤304、气室网络305、光接收模块306及信号提取与检测模块307。

信号源驱动模块301所需的三角波信号与两路正交的正弦波信号，利用函数发生器实现。

利用运算放大器形成加法器，将三角波信号与两路正交的正弦波信号分别叠加，形成调制信号用以驱动光源302形成受调制的光信号。

经过调制后的两路光信号进入光源一侧的光纤耦合模块303。光纤耦合模块303为2个1×2光纤耦合器，通过耦合器后分为四路光信号。

四路光信号交叉通过引导光纤304传输进入气室网络305。

经过气室后的光信号，在气体的光谱吸收作用影响下会产生变化，由可调谐半导体激光吸收光谱理论，可以通过提取其中的谐波信号测量气体浓度。

经过气室后的四路光信号，由靠近光接收306一侧的光纤耦合模块303将光信号耦合为两路，两路光信号送入光接收306。

通过在靠近光源302一侧的光纤耦合模块303的交叉进入四路气室网络，可以看到在光接收306一侧所合成的两路光信号当中每一路都还有两个气室的浓度信息，但其中的两路正弦波信号具有正交特性。