一种气体浓度检测系统技术方案

本申请实施例公开了一种气体浓度检测系统，光源通过光纤与光纤分束器的入口连接；光纤分束器的两个出口通过光纤分别与第一准直镜和光学延迟线的入口连接，其中传输至第一准直镜的物光比传输至光学延迟线的参考光强度小；光纤合束器的一个入口通过光纤与第二准直镜连接，另一个入口通过光纤与光学延迟线的出口连接，其中第二准直镜用于接收从第一准直镜射出并穿过待测气体的物光；光学延迟线用于周期性地调整参考光的光程，同时保持参考光与物光的光程差在相干长度内；光纤合束器的出口通过光纤与强度探测器连接。解决了现有的光学法存在较低的检出限以及灵敏度的技术问题。

A Gas Concentration Detection System

【技术实现步骤摘要】
一种气体浓度检测系统
本申请涉及气体检测
，尤其涉及一种气体浓度检测系统。
技术介绍
近年来，随着大气污染问题愈发突出，人们的环保意识与健康意识也逐渐提高，对环境质量的关注促进了气体浓度检测技术的快速发展。气体浓度检测技术在工业领域中应用广泛，多应用在过程控制、石化、煤矿安全以及工业排放等过程中，主要用于监测有毒有害和易燃易爆气体，以及对科研需要的气体组成成分进行检测与监测。目前，气体浓度检测技术主要集中于光学法，电化学法，催化燃烧法，气相色谱法等。其中电化学法成本低但易受环境温度湿度以及电极污染的影响，准确性不高，重复利用率差。催化燃烧法通过测量燃烧导致的电阻变化而得到浓度值。系统稳定性不高，灵敏度低，需要定期校准与更换。气相色谱可以对多组分气体进行分离，并得到相应浓度，主要用于实验室测量，现场分析应用较困难。相比之下，光学法对气体浓度检测有先天优势，如高灵敏度和高准确度的优点，若与光纤传感技术结合还可以实现极端环境下的气体浓度检测，并且具有抗电磁干扰和阻燃防爆等优点。现有的光学法是采集光进入气体前和射出气体后的光强信号，然后根据Lambert-Beer定律计算吸光度，其中吸光度的表达式为A＝lg(Io/Io')，最后根据吸光度推算气体浓度，该方法尽管相比其他方法具有优势，但仍存在以下缺陷。当气体中待测成分浓度较低时，气体的吸光度会很小，导致采集的信号会很弱，甚至淹没在强度探测器的噪声中，实现不了较低的检出限以及灵敏度的要求。
技术实现思路
本申请实施例提供了一种气体浓度检测系统，解决了现有的光学法存在较低的检出限以及灵敏度的技术问题。有鉴于此，本申请第一方面提供了一种气体浓度检测系统，包括：光源、光纤分束器、光学延迟线、光纤合束器、强度探测器、第一准直镜和第二准直镜；所述光源通过光纤与所述光纤分束器的入口连接；所述光纤分束器的两个出口通过光纤分别与所述第一准直镜和所述光学延迟线的入口连接，其中传输至所述第一准直镜的物光比传输至所述光学延迟线的参考光强度小；所述光纤合束器的一个入口通过光纤与所述第二准直镜连接，另一个入口通过光纤与所述光学延迟线的出口连接，其中所述第二准直镜用于接收从所述第一准直镜射出并穿过待测气体的物光；所述光学延迟线用于周期性地调整所述参考光的光程，并保持所述参考光与所述物光的光程差在相干长度内；所述光纤合束器的出口通过光纤与所述强度探测器连接。优选地，所述光源包括能发出多个波长光的激光器。优选地，所述光源包括宽带光源和可调滤波器；所述可调滤波器用于对所述宽带光源进行选择性地滤波，以产生多种波长的光。优选地，所述光源为光纤输出光源。优选地，所述强度探测器为单点探测器。优选地，所述的气体浓度检测系统还包括气室；所述气室上设置有入射口和出射口；所述第一准直镜设置在所述入射口处，所述第二准直镜设置在出射口处。优选地，所述气室内设置有光反射组件，以形成从所述入射口至所述出射口的光反射路径。优选地，所述气室为镂空的。优选地，所述入射口和所述出射口位于所述气室同侧。优选地，所述光反射组件包括设置在所述入射口和所述出射口对端的反射棱镜；所述反射棱镜为等腰直角三角形，且所述等腰直角三角形的斜边与物光的入射方向和出射方向均垂直。优选地，所述光学延迟线的可调范围在百毫米量级。本申请第二方面提供一种气体浓度检测方法，包括：通过光纤分束器将光源发出的光分为物光和参考光，其中所述物光比所述参考光强度小；通过第一准直镜对物光进行准直，并将准直后的物光射入待测气体；通过第二准直镜接收从所述待测气体射出的物光；通过光学延迟线周期性地调整所述参考光的光程，同时保持所述参考光与所述物光的光程差在相干长度内；通过光纤光纤合束器将所述第二准直镜接收到的物光和所述光学延迟线输出的参考光汇合，形成干涉信号；通过强度探测器采集所述干涉信号的光强变化曲线，以根据所述光强变化曲线计算气体浓度。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请实施例中，先通过光纤分束器将光源发出的光分为物光和参考光，其中物光比参考光强度小；然后通过第一准直镜对物光进行准直，并将准直后的物光射入待测气体，部分物光被待测气体吸收；再通过第二准直镜接收从待测气体射出的物光；同时，通过光学延迟线周期性地调整参考光的光程，同时保持参考光与物光的光程差在相干长度内，使得参考光和物光能够发生干涉；再通过光纤光纤合束器将第二准直镜接收到的物光和光学延迟线输出的参考光汇合，形成干涉信号；最后通过强度探测器采集干涉信号的光强变化曲线，根据干涉信号的光强变化推算待测气体浓度；由于光学延迟线周期性地调整参考光的光程，使得采集到的光强变化曲线是一条存在相位延迟的正弦信号其中Ir代表参考光，I'o为第二准直镜接收到的物光，φ为光学延迟线导致的相位延迟；从上述公式可以确定光强变化量为平均光强为M＝I'o+Ir，等效的吸光度可表示为而现有的光学法是根据A＝lg(Io/Io')计算吸光度，其中Io为物光进入待测气体前的光强；比较本申请实施例和现有技术的吸光度表达式可知，当待测气体浓度相同时，合理调整参考光的光强，可以使本申请实施例的吸光度A'大于现有光学法中的吸光度A，因此本申请实施例中的气体浓度检测系统可以有更好的浓度分辨率以及更低的检出限；并且，由于光强变化量和平均光强均可以从光强变化曲线上直接读取，所以只需要一个强度探测器便可以完成吸光度的测量，而现有的光学法还需要一个强度探测器测量物光进入待测气体前的光强，因此使用本申请实施例中的气体浓度检测系统，不仅成本低，而且测量过程简单。附图说明图1为本申请实施例中气体浓度检测系统的一个实施例的结构示意图。具体实施方式本申请实施例提供了一种气体浓度检测系统，解决了现有的光学法存在较低的检出限以及灵敏度的技术问题。为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。请参阅图1，本申请实施例中一种气体浓度检测系统的一个实施例的结构示意图。本申请提供了一种气体浓度检测系统的一个实施例，包括：光源1、光纤分束器2、光学延迟线7、光纤合束器6、强度探测器8、第一准直镜31和第二准直镜32。光源1通过光纤与光纤分束器2的入口连接，可以理解的是光纤分束器2可以将光源1发出的光分成多束，在本申请实施例中，通过光纤分束器2将光源1发出的光分成参考光和物光两束。光纤分束器2的两个出口通过光纤分别与第一准直镜31和光学延迟线7的入口连接，其中传输至的第一准直镜31的物光比传输至光学延迟线7的参考光强度小。第一准直镜31用于将物光准直，使其变成平行光射入待测气体。需要说明的是，当待测气体浓度一定时，为了保证本申请实施例得到的吸光度比现有光学法得到的吸光度大，需要合理设置光纤分束器2的分光比，使得参考光比物光的光强大；为了使本申请实施例中的气体浓度检测系统可以有更好的浓度分辨率，可以将分光比设定为大于10:1，以使参考光与物光的光强比值大于10:1。光纤合束器6的一个入口通过光纤与第二准直镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体浓度检测系统，其特征在于，包括：光源、光纤分束器、光学延迟线、光纤合束器、强度探测器、第一准直镜和第二准直镜；所述光源通过光纤与所述光纤分束器的入口连接；所述光纤分束器的两个出口通过光纤分别与所述第一准直镜和所述光学延迟线的入口连接，其中传输至所述第一准直镜的物光比传输至所述光学延迟线的参考光强度小；所述光纤合束器的一个入口通过光纤与所述第二准直镜连接，另一个入口通过光纤与所述光学延迟线的出口连接，其中所述第二准直镜用于接收从所述第一准直镜射出并穿过待测气体的物光；所述光学延迟线用于周期性地调整所述参考光的光程，并保持所述参考光与所述物光的光程差在相干长度内；所述光纤合束器的出口通过光纤与所述强度探测器连接。

【技术特征摘要】
1.一种气体浓度检测系统，其特征在于，包括：光源、光纤分束器、光学延迟线、光纤合束器、强度探测器、第一准直镜和第二准直镜；所述光源通过光纤与所述光纤分束器的入口连接；所述光纤分束器的两个出口通过光纤分别与所述第一准直镜和所述光学延迟线的入口连接，其中传输至所述第一准直镜的物光比传输至所述光学延迟线的参考光强度小；所述光纤合束器的一个入口通过光纤与所述第二准直镜连接，另一个入口通过光纤与所述光学延迟线的出口连接，其中所述第二准直镜用于接收从所述第一准直镜射出并穿过待测气体的物光；所述光学延迟线用于周期性地调整所述参考光的光程，并保持所述参考光与所述物光的光程差在相干长度内；所述光纤合束器的出口通过光纤与所述强度探测器连接。2.根据权利要求1所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述光源包括能发出多个波长光的激光器。3.根据权利要求1所述的气体浓度检测系统，其特征在于，所述光源包括宽带光源和可调滤波器；所述可调滤波器用于对所述宽带光源进行选择性地滤波，以产生多种波长的光。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王翰林，谭银湘，
申请(专利权)人：广州市怡文环境科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44