一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統的制作方法

一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，光源經過耦合器分成兩路光信號，分別形成兩個環路，第一環路為第一光信號經過隔離器后依次連接第一耦合器和第二耦合器，第二耦合器將光信號分成兩路，一路依次經過光纖放大器、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成光纖環形腔，另一路信號傳送至光電探測轉換電路轉換為電信號，電信號再經過二級放大電路進行放大；第二環路與第一環路結構對稱，在光纖放大器、光纖濾波器之間增設有氣室；第兩個環路的電信號進入同一個自平衡檢測電路。改變以往系統的激光器驅動信號類型，引入波長掃描脈沖，可直觀的觀察到氣體吸收峰，分辨出光源波長的微小漂移量。
【專利說明】
一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統。【背景技術】
[0002]自從18世紀60年代工業革命以來，煤炭、石油、化工等行業產能需求不斷擴大，在為經濟發展提供動力的同時，其所釋放泄漏的有毒有害氣體也給人民的生產生活帶來了巨大的隱患，因此，實現對有毒有害氣體的安全監控已經成為當今環境保護領域和工業生產行業亟待解決的重要問題之一，而準確靈敏、快速的氣體傳感器的研發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、本質安全、易于組網等眾多優點備受市場青睞，該技術通過檢測氣體吸收光強損耗來推算待測氣體濃度，其技術難點在于吸收損耗非常微弱而且處在同波長強背景的掩蓋下，因此如何實現對微弱信號的提取與放大進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的一個重要研究方向。
[0004]目前提升傳感器靈敏度與測量精度的方法主要有優化電路解調方式和優化光學結構兩類。對于前者，科研人員提出的方案包括可調諧半導體激光吸收光譜(Tunable D1de Laser Absorpt1n Spectroscopy，TDLAS)技術中的自平衡檢測、波長調制光譜光聲光譜中的諧波檢測以及譜相關檢測等，本質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)技術和光纖環形衰蕩光譜(Fiber-1 oopRing-down Spectroscopy，FLRDS)技術，FLRDS技術盡管克服了以往技術的種種缺點，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。【實用新型內容】
[0005]本實用新型為了解決上述問題，提出了一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，本實用新型融合TDLAS與FLRDS技術優勢，兼顧光學結構與電路解調手段，避免了FLRDS系統由于慘t耳光纖放大器(Erbium-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對于系數測試精度的影響。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0007]—種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，包括光源發生器，所述光源發生器發出光源，光源被分成兩路光信號，分別形成兩個環路；
[0008]第一環路將一路光信號繼續分成兩路次光信號，一路次光信號經過放大、過濾和延遲后返回至次光信號產生處，構成光纖環形腔，另一路次光信號轉換為電信號；
[0009]第二環路與第一環路結構對稱，在第二環路的光纖環形腔中增設有氣室；
[0010]第一環路與第二環路的電信號送入自平衡檢測電路，然后再依次經過濾波、模數轉換后送入信號處理單元進行信號處理。
[0011]具體的，所述第一環路為一路光信號經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成光纖環形腔，另一路信號傳送至光電探測轉換電路轉換為電信號，電信號再經過二級放大電路進行放大。
[0012]進一步的，所述第二環路為一路光信號經過隔離器再先后經過兩個耦合器，光信號再次被后一個耦合器分成兩路，次一路光信號依次經過摻餌光纖放大器、氣室、光纖濾波器、光纖延遲線又回到前一個耦合器的輸入端構成光纖環形腔，次另一路信號傳送至光電探測轉換電路轉換為電信號，電信號再經過二級放大電路進行放大。
[0013]優選的，所述光源發生器為DFB激光器。
[0014]優選的，所述光源發生器連接有電流驅動電路和溫控電路，利用溫控電路與電流驅動電路對光源發生器進行電流驅動及溫度驅動，使光源發生器發出穩定的系統需求掃描脈沖信號。
[0015]優選的，所述光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
[0016]優選的，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轉換電路的輸入端相連，模數轉換電路的輸出端與 FPGA的輸入端相連。[〇〇17]優選的，所述光電探測轉換電路為PIN光電探測轉換電路，具體包括放大器，放大器的正輸入端接地，負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，放大器的負輸入端與輸出端之間還并聯有RC并聯電路。
[0018]優選的，所述二級放大電路包括運算放大器，運算放大器的正輸入端通過電阻R1 接地，負輸入端通過電阻R2分別接連光電探測轉換電路、光電探測轉換電路的輸出端;運算放大器的輸出端連接自平衡檢測電路的輸入端;在運算放大器的負輸入端和輸出端之間并聯有一個支路，該支路上串聯有電阻R3和變阻器。
[0019]所述第一環路和第二環路中的光纖延遲線長度不同，即所述第一環路和第二環路中的次光信號的延遲時間不同。
[0020]—種基于上述系統的檢測方法，包括以下步驟:[0021 ](1)連接系統，調試光路與電路使其正常工作，使待測氣體沖入氣室；
[0022](2)對光源發生器進行恒溫控制，發出相應的掃描脈沖信號；
[0023](3)調節并固定對光信號的放大倍數，使信號波形和基線符合設定要求；[〇〇24](4)通過調整光信號的延遲時間保證參考信號和探測信號的時序對稱性，檢測得到氣體濃度。
[0025]優選的，所述步驟(2)中，將溫控電路中電橋電阻設定為一固定值后不變以實現對光源發生器的恒溫控制:由于光源發生器驅動電流變化會導致光源發生器的輸出波長的變化，所以調節電流驅動電路產生特定驅動電流，使光源發生器發出穩定的符合系統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]系統中有兩個光纖環形腔，區別在于環形腔是否有氣室和光纖延遲線的長度。系統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一步放大。結合了 TDLAS系統的雙路自平衡檢測技術分析吸收峰值與待測氣體濃度的關系，解調峰值代替曲線擬合。[〇〇28]本實用新型的有益效果為:[〇〇29](1)保持了FLRDS技術將光信號陷在光纖環路中多次經過吸收池，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勢；
[0030](2)改變以往系統的激光器驅動信號類型，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行反饋調節，克服了 FLRDS系統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一步放大，提升檢測靈敏度。
[0032](4)在光路結構上將以往的單環路結構變為雙環路結構，兩環路區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模式，并可以通過調整光纖延遲線長度保證參考信號和探測信號的時序對稱性，進一步提高了系統的測量精度，這也是與FLRDS系統在光學結構上最明顯的區別；
[0033](5)結合TDLAS系統的雙路自平衡檢測技術分析吸收峰值與待測氣體濃度的關系， 解調峰值代替曲線擬合，降低了計算難度，避免了 FLRDS系統由于摻餌光纖放大器化^^?-dopedOpticalFiber Amplifier，EDFA)增益飽和所造成的對于系數測試精度的影響。【附圖說明】
[0034]圖1是本實用新型的基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統的結構示意圖；
[0035]圖2是本實用新型的光電探測轉換電路電路圖；
[0036]圖3是本實用新型的二級放大電路的電路圖；
[0037]圖4是本實用新型的自平衡檢測電路的電路圖；[〇〇38]圖5是本實用新型的DFB激光器驅動電流掃描波形；[〇〇39](6)其中，1、DFB激光器;2、溫控電路;3、電流驅動電路;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;11、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、光電轉換電路；19、光電轉換電路;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、 模數轉換電路;25、FPGA。【具體實施方式】:
[0040]下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
[0041](7)如圖1所示，基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，包括DFB激光器1、溫控電路2、電流驅動電路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、光電轉換電路18、光電轉換電路19、二級放大電路20、二級放大電路21、自平衡檢測電路22、 濾波電路23、模數轉換電路24、FPGA 25。[〇〇43] 溫控電路2與DFB激光器1相連，電流驅動電路3也與DFB激光器1相連，利用溫控電路2與電流驅動電路3對DFB激光器1進行電流驅動及溫度驅動，使DFB激光器1發出穩定的系統需求掃描脈沖信號。
[0044]然后DFB激光器1連接光纖一分二耦合器4分成兩路光束并分別經過隔離器5和隔離器6迫使信號單向傳輸，一路光依次經過光纖一分二親合器7和光纖一分二親合器9,該路光信號又被光纖一分二耦合器9分成兩路信號，次一路光信號經過EDFA 11進行信號功率放大，放大后的信號送入氣體吸收池13進行光信號與待測氣體的反應，反應后的光信號經過光纖濾波器14濾波再經過光纖延遲線16回到光纖一分二耦合器7的輸入端，次另一路信號直接進入光電轉換電路18將光信號轉化為電信號并經過二級放大電路20進行信號放大；
[0045]另一路信號依次經過光纖一分二耦合器8和光纖一分二耦合器10,該路光信號又被光纖一分二耦合器10分成兩路信號，次一路光信號經過H)FA 12進行信號功率放大，放大后的信號經過光纖濾波器15濾波再經過光纖延遲線17回到光纖一分二耦合器8的輸入端， 次另一路信號直接進入光電轉換電路19將光信號轉化為電信號并經過二級放大電路21進行信號放大。
[0046] 二級放大電路20和二級放大電路21的輸出端與自平衡檢測電路22輸入端相連進行信號的解調，解調后的信號依次經過濾波電路23濾波、模數轉換電路24轉換，處理后的信號直接送入FPGA 25得到氣體濃度值。
[0047]所述自平衡檢測電路22輸出端與濾波電路23的輸入端相連，濾波電路23的輸出端與模數轉換電路24的輸入端相連，模數轉換電路24的輸出端與FPGA 25的輸入端相連。 [〇〇48] 所述的電流驅動電路3由微處理器的DA與集成運放LM358芯片連接而成；
[0049]蝶型封裝分布式反饋(Distributed Feedback，DFB)激光器，波長為1532±2nm。
[0050]如圖2所示，本實施例中采用的光電探測轉換電路18、光電探測轉換電路19都是 PIN光電探測轉換電路。該PIN光電探測轉換電路包括0PA2604放大器，該放大器的正輸入端接地，負輸入端依次通過光電探測器D4和電阻R38分別與從光纖一分二親合器9、光纖一分二親合器10輸出的其中一路光路相連，0PA2604放大器的負輸入端與輸出端之間還并聯有 RC并聯電路。
[0051] 如圖3所示，本實施例中的二級放大電路20、二級放大電路21都是由運算放大器 0PA2604及其周圍電路組成;在圖3中，運算放大器0PA2604的正輸入端通過電阻R42接地，負輸入端通過電阻R40分別接連光電探測轉換電路18、光電探測轉換電路19的輸出端;運算放大器0PA2604的輸出端連接自平衡檢測電路22的輸入端;在運算放大器0PA2604的負輸入端和輸出端之間并聯有一個支路，該支路上串聯有電阻R41和變阻器VR2。[〇〇52]如圖4所示，本實施例中的自平衡檢測電路22是由運算放大器AD8221及其周圍電路組成;在圖4中，運算放大器AD8221的正輸入端通過電阻R6與二級放大電路21的輸出端相連，負輸入端通過電阻R5與二級放大電路20的輸出端相連，運算放大器AD8221的輸出端連接濾波電路23的輸入端；[〇〇53]利用上述檢測系統對氣室進行乙炔氣體檢測的過程，步驟如下:
[0054]1)將檢測系統連接好;接通各電路模塊的電源，調試光路與電路使其正常工作;待測氣體沖入氣室；[〇〇55]2)將溫控電路中電橋電阻設定為一固定值后不變以實現對DFB激光器的恒溫控制:由于DFB激光器驅動電流變化會導致DFB激光器的輸出波長的變化，所以調節電流驅動電路產生特定驅動電流，使DFB激光器發出穩定的符合系統要求的掃描脈沖信號，信號要求掃描范圍要廣，脈沖間隔要足夠大，防止采集信號重疊；[〇〇56]3)調節兩個環路的EDFA放大倍數，以輸出脈沖信號顯示最佳波形狀態為宜，然后固定m)FA放大倍數；
[0057]4)調節兩路信號二級放大倍數，將兩路信號基線放大至合適幅度。
[0058]5)調整好的信號送入FPGA便可得到氣體濃度。
[0059]為使測試結果精確，上述過程可重復多次。
[0060]6)待測氣體檢測完畢，關閉電源。
[0061]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征是:包括光源發生器， 所述光源發生器發出光源，光源被分成兩路光信號，分別形成兩個環路；第一環路將一路光信號繼續分成兩路次光信號，一路次光信號經過放大、過濾和延遲 后返回至次光信號產生處，構成光纖環形腔，另一路次光信號轉換為電信號；第二環路與第一環路結構對稱，在第二環路的光纖環形腔中增設有氣室；第一環路與第二環路的電信號送入自平衡檢測電路，然后再依次經過濾波、模數轉換 后送入信號處理單元進行信號處理。2.如權利要求1所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征 是:所述第一環路為一路光信號經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成光纖環形腔，另一路信號傳送至光電探測轉換電路轉換為電信 號，電信號再經過二級放大電路進行放大。3.如權利要求1所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征 是:所述第二環路為一路光信號經過隔離器再先后經過兩個耦合器，光信號再次被后一個 耦合器分成兩路，次一路光信號依次經過摻餌光纖放大器、氣室、光纖濾波器、光纖延遲線 又回到前一個耦合器的輸入端構成光纖環形腔，次另一路信號傳送至光電探測轉換電路轉 換為電信號，電信號再經過二級放大電路進行放大。4.如權利要求1所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征 是:所述光源發生器連接有電流驅動電路和溫控電路，利用溫控電路與電流驅動電路對光 源發生器進行電流驅動及溫度驅動，使光源發生器發出穩定的系統需求掃描脈沖信號。5.如權利要求1所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征 是:所述第一環路和第二環路中的次光信號的延遲時間不同。6.如權利要求1所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特征 是: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轉換電路的輸入端相連，模數轉換電路的輸出端與FPGA的輸入端相 連。7.如權利要求2或3所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特 征是:所述光電探測轉換電路為PIN光電探測轉換電路，具體包括放大器，放大器的正輸入 端接地，負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，放大器的負輸入端與輸出端之間還并聯有RC并聯電路。8.如權利要求2或3所述的一種基于雙光纖環形腔的波長掃描光譜氣體檢測系統，其特 征是:所述二級放大電路包括運算放大器，運算放大器的正輸入端通過電阻R1接地，負輸入 端通過電阻R2分別接連光電探測轉換電路、光電探測轉換電路的輸出端;運算放大器的輸 出端連接自平衡檢測電路的輸入端;在運算放大器的負輸入端和輸出端之間并聯有一個支 路，該支路上串聯有電阻R3和變阻器。
【文檔編號】G01N21/39GK205593919SQ201620292279
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】朱存光, 王朋朋, 王光偉, 鄭志麗, 王仁德, 陶雪辰
【申請人】濟南大學