[发明专利]一种基于双光纤环形腔的波长扫描光谱气体检测系统及方法在审

专利信息
申请号: 201610217331.X 申请日: 2016-04-08
公开(公告)号: CN105699329A 公开(公告)日: 2016-06-22
发明(设计)人: 朱存光;王朋朋;王光伟;郑志丽;王仁德;陶雪辰 申请(专利权)人: 济南大学
主分类号: G01N21/39 分类号: G01N21/39;G01N21/01
代理公司: 济南圣达知识产权代理有限公司 37221 代理人: 张勇
地址: 250022 山东*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 光纤 环形 波长 扫描 光谱 气体 检测 系统 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种基于双光纤环形腔的波长扫描光谱气体检测系统及方法。

背景技术

自从18世纪60年代工业革命以来,煤炭、石油、化工等行业产能需求不断扩大,在为 经济发展提供动力的同时,其所释放泄漏的有毒有害气体也给人民的生产生活带来了巨大的 隐患,因此,实现对有毒有害气体的安全监控已经成为当今环境保护领域和工业生产行业亟 待解决的重要问题之一,而准确灵敏、快速的气体传感器的研发又是解决这一问题的重要前 提之一。

到目前为止,各类气体传感器都发展迅速,其中,基于光谱吸收型的光纤气体传感器以 其抗干扰性强、本质安全、易于组网等众多优点备受市场青睐,该技术通过检测气体吸收光 强损耗来推算待测气体浓度,其技术难点在于吸收损耗非常微弱而且处在同波长强背景的掩 盖下,因此如何实现对微弱信号的提取与放大进而提升传感器灵敏度与测量精度一直是光纤 气体传感技术的一个重要研究方向。

目前提升传感器灵敏度与测量精度的方法主要有优化电路解调方式和优化光学结构两类。 对于前者,科研人员提出的方案包括可调谐半导体激光吸收光谱(TunableDiodeLaser AbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术中的自平衡检测、波长调制光谱光声光谱中的谐波检 测以及谱相关检测等,本质就是通过抑制背景噪声与背景基线提高信噪比,增加检测灵敏度 与测量精度,但光干涉、探测器灵敏度等因素仍然限制了其灵敏度与测量精度的提升空间; 对于后者,科研人员先后提出了增加气体吸收长度方案、光腔衰荡光谱(CavityRing-Down Spectroscopy,CRDS)技术和光纤环形衰荡光谱(Fiber-loopRing-downSpectroscopy,FLRDS) 技术,FLRDS技术尽管克服了以往技术的种种缺点,但仍然面临着自身特有的短板包括波长 偏移以及掺铒光纤放大器增益饱和特性等引入的检测误差。

发明内容

本发明为了解决上述问题,提出了一种基于双光纤环形腔的波长扫描光谱气体检测系统 及方法,本发明融合TDLAS与FLRDS技术优势,兼顾光学结构与电路解调手段,避免了FLRDS 系统由于掺饵光纤放大器(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifier,EDFA)增益饱和所造成的 对于系数测试精度的影响。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种基于双光纤环形腔的波长扫描光谱气体检测系统,包括光源发生器,所述光源发生 器发出光源,光源被分成两路光信号,分别形成两个环路;

第一环路将一路光信号继续分成两路次光信号,一路次光信号经过放大、过滤和延迟后 返回至次光信号产生处,构成光纤环形腔,另一路次光信号转换为电信号;

第二环路与第一环路结构对称,在第二环路的光纤环形腔中增设有气室;

第一环路与第二环路的电信号送入自平衡检测电路,然后再依次经过滤波、模数转换后 送入信号处理单元进行信号处理。

具体的,所述第一环路为一路光信号经过隔离器后依次连接第一耦合器和第二耦合器, 所述第二耦合器将光信号分成两路,一路依次经过光纤放大器、光纤滤波器和光纤延迟线后, 返回到第一耦合器的输入端构成光纤环形腔,另一路信号传送至光电探测转换电路转换为电 信号,电信号再经过二级放大电路进行放大。

进一步的,所述第二环路为一路光信号经过隔离器再先后经过两个耦合器,光信号再次 被后一个耦合器分成两路,次一路光信号依次经过掺饵光纤放大器、气室、光纤滤波器、光 纤延迟线又回到前一个耦合器的输入端构成光纤环形腔,次另一路信号传送至光电探测转换 电路转换为电信号,电信号再经过二级放大电路进行放大。

优选的,所述光源发生器为DFB激光器。

优选的,所述光源发生器连接有电流驱动电路和温控电路,利用温控电路与电流驱动电 路对光源发生器进行电流驱动及温度驱动,使光源发生器发出稳定的系统需求扫描脉冲信号。

优选的,所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。

优选的,所述信号处理单元为FPGA,所述自平衡检测电路输出端与滤波电路的输入端相 连,滤波电路的输出端与模数转换电路的输入端相连,模数转换电路的输出端与FPGA的输入 端相连。

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