一种可扩展实时光纤气体传感系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可扩展实时光纤气体传感系统，其技术特点是：包括一个可扩展光纤气体传感网络、一个光纤光波分复用分离器、一个光电接收系统和一个传感信号分析处理系统；所述的可扩展光纤气体传感网络的输出端口连接到光纤光波分复用分离器的输入端口；所述的光纤光波分复用分离器的输出端口连接到光电接收系统的输入端口；所述的光电接收系统的输出端口连接到传感信号分析处理系统。本发明专利技术设计合理，具有易于扩展、应用广泛、成本低、易于安装及生产等特点，满足了远距离、大范围及对多种气体的实时监测的应用需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电领域，尤其是一种可扩展实时光纤气体传感系统。
技术介绍
电子气体传感器系统能够将各种气体的浓度及其变化转变为电压或电流量，其技术比较成熟，也有着广泛的应用。但是，在需要进行远距离传感信号传输和控制的传感测量或安全报警等系统中，电子气体传感器的传输系统往往容易受到电磁等外界环境的干扰， 同时，传统的传感器系统也难以构成传感网络。随着各类激光器技术的发展，大大促进了激光气体传感系统的快速发展，激光气体传感器具有速度快和测试精确等特点，而且，光纤光学、光纤通讯和许多在光纤通讯中的技术，特别是象高密度光波分复用技术，开始应用于各类传感系统。激光气体传感系统的主要优点是能抗电磁干扰和潮湿、耐腐蚀，重量轻等，并且，易于形成传感网络和进行远距离传感信号的传输。激光气体传感系统存在的缺点是激光气体传感器和信号处理系统比较贵，对有些气体浓度的测试精度较低或很难制作相应激光气体传感器去测试，因此，现有的激光气体传感器及系统的传感应用领域远远没有传统的电子传感系统广泛。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、适合远距离且易于形成传感网络的可扩展实时光纤气体传感系统。本专利技术解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的一种可扩展实时光纤气体传感系统，包括一个可扩展光纤气体传感网络、一个光纤光波分复用分离器、一个光电接收系统和一个传感信号分析处理系统；所述的可扩展光纤气体传感网络的输出端口连接到光纤光波分复用分离器的输入端口 ；所述的光纤光波分复用分离器的输出端口连接到光电接收系统的输入端口 ；所述的光电接收系统的输出端口连接到传感信号分析处理系统。而且，所述的可扩展光纤气体传感网络、光纤光波分复用分离器和光电接收系统的输入端口和输出端口均为带单模光纤尾纤接口，并通过单模光纤的电弧融化焊接或光纤连接器连接。而且，所述的可扩展电光传感网络包括一个或多个可扩展激光气体传感器。而且，所述的可扩展激光气体传感器包括一个DFB激光器、一个气体取样室和一个光纤光波分复用合成器，所述的DFB激光器的输出中心波长与所需要传感测试的气体的光的吸收波长相同，其输出端口通过准直透镜耦合输出透过气体取样室进入光纤光波分复用合成器，并从光纤光波分复用合成器的输出端口输出。而且，所述的光纤光波分复用合成器由一个多层介质膜光滤波片、一个准直透镜、 一个玻璃管、一个带单模光纤尾纤的输出端口和一个带单模光纤尾纤的输入端口连接构成，透过多层介质膜光滤波片的准直光束被聚焦耦合到输出端口的单模光纤，从扩展端口的单模光纤输入的光束被准直透镜准直并被多层介质膜光滤波片的反射后，经准直透镜聚焦并耦合到输出端口的单模光纤上。而且,所述的DFB激光器输出光功率大于I毫瓦，其输出为窄带光谱，其FWHM的光谱范围小于100MHz。而且，所述的气体取样室由金属材料、玻璃材料或塑料材料制成。而且，所述的多层介质膜光滤波片是一种窄带滤波器，或是一种光波导；所述的准直透镜是一种渐变折射率的光学透镜或是一种模压的C型透镜。而且，所述的光纤光波分复用分离器为可扩展光纤光波分复用分离器，该可扩展光纤光波分复用分离器包括一个输入端口和多个输出端口，其输出端口数与可扩展光纤气体传感网络中的传感器数量相同。而且，所述的光纤光波分复用分离器的透射中心波长和所要传感测试的气体吸收中心波长相同；所述的光纤光波分复用分离器的透射频谱带宽小于相邻两个传感器的中心波长的间距；所述的光电接收系统的光波长响应范围与可扩展光纤气体传感网络中所使用的激光器波长范围相同。本专利技术的优点和积极效果是本专利技术设计合理，将光纤通讯中常用的激光气体传感器和光纤光波分复用技术 (WDM)结合在一起，系统中的每个传感器采用独立的DFB激光器作为光源，并将多个不同波长的传感信号通过光纤光波分复用分离器进行分离，使得每个传感频道的信号能够得到实时处理，具有易于扩展、应用广泛、成本低、易于安装及生产等特点，满足了远距离、大范围及对多种气体的实时监测的应用需要。附图说明图图图图图图图图图图图I是一个DFB激光器的不意2是DFB激光器的输出光谱示意3-1是一个光纤光波分复用合成器的示意3-2是一个简化的光纤光波分复用合成器的不意4是一个光纤光波分复用合成器的光波长透过率示意图； 5是两个相邻频道入射光波的示意6是一个可扩展的激光气体传感器的示意7是一个可扩展的光纤气体传感网络的示意8是一个简化的可扩展的光纤气体传感网络的示意9是一个四频道光纤波分复用分离器的示意图 10是一个可扩展的实时光纤气体传感系统的示意图。具体实施例方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。图I给出了一个带单模光纤尾纤的DFB激光器2的示意图。DFB激光器2的输出通过准直透镜输出准直激光束4。DFB激光器的输出频谱覆盖面很大。广泛应用于光纤通讯等领域的这类DFB激光器的输出光波长可以在光纤通讯C波段(约为1520-1570纳米的波长范围)或L波段(约为1570-1610纳米)的波长范围,输出光功率可达几瓦。其输出光波长还可以是1310纳米，1480纳米等。本专利技术中，DFB激光器2输出波长的选择取决于所要传感和测试的气体的中心吸收波长。DFB激光器2的输出光谱，如图2所示，DFB激光器2的输出光谱非常窄，光频率的FWHM可做到小于I兆赫。图3-1给出了一个光纤光波分复用合成器15的示意图，该光纤光波分复用合成器 15是由一个带通光滤波器7、一个光束准直透镜8、一个带单模光纤尾纤的输出端口 12、一个带单模光纤尾纤的输入端口 14和一个玻璃管10组成。玻璃细管10用来固定输入端口 14和输出端口的两根光纤，带通光滤波器7和光束准直透镜8以及玻璃细管10组装在一起。图3-2是简化的光纤光波分复用合成器15的示意图。一般在工业上，用某种对所需透射波长透明的胶粘合在一起，也可以采用光路上无胶的组装技术。光纤光波分复用合成器15的工作原理如下一束中心波长为λ i的准直激光束以垂直或接近垂直的角度入射进入光滤波器7，透过滤波器7后，经透镜8聚焦后进入输出端口 12的单模光纤后输出。一束中心波长为λ j的激光束由端口 14的经透镜8准直后，被光滤波器7反射，再经透镜8聚焦后进入输出端口 12的单模光纤后输出。因此，输出端口 12中有两束中心波长分别为λ 和的光波。要实现上述功能，关键需要两束光的中心波长λ i和λ j必须有一定的波长间距Λ λ (参见图5)。为了防止λ i和λ j两束光在经光纤光波分复用合成器15时造成相互影响，Δ λ要大于透射光频谱16的透射带宽。而光的中心波长和要根据所要传感测试的气体的中心吸收波长而定。通常，光纤光波分复用合成器15不会改变输入光的频谱，但光功率会有一定的损耗，一般应低于O. 5dB。利用光纤光波分复用合成器15可以方便地将多频道光信号耦合到单根光纤中。采用DFB激光器的输出作为传感器的光源和光纤光波分复用合成器可以方便地构建光纤传感网络及实现远距离的传感需求。图4给出了光纤光波分复用合成器15的透射光频谱16示意图。在该图中，中心透射波长为λ 。透射光频谱16的带宽的选择取决于各类不同的应用。如在光纤通讯中常用的有200GHz、IOOGHz和50GHz的密集光纤光波分复用合成器(DWDM)，两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高培良，
申请(专利权)人：天津奇谱光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：