应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法技术

本发明专利技术适用光电探测技术领域，提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。由于该检测仪采用的单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。

Methane concentration detector and detection method applied in three-dimensional space of paddy field

The invention is applicable to the field of photoelectric detection technology, and provides a methane concentration detector applied to the three-dimensional space of paddy field. The detector includes a microprocessor, a signal generator, a laser light source module, a segmented detection structure optical fiber module, and a signal processing module, which is connected with the microprocessor, and the segmented detection structure light The fiber module consists of a single-mode fiber and a hollow band gap photonic crystal fiber. Because of the low cost of the single-mode fiber and the hollow band gap photonic crystal fiber used in the detector, the cost of the methane concentration detector is greatly reduced, and the detector can be arranged in a large range of space to be measured to realize the online detection of the spatial distribution of the gas to be measured.

【技术实现步骤摘要】
应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法
本专利技术属于光电探测
，尤其涉及一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法。
技术介绍
根据第5次IPCC报告称，甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其对温室效应的潜势是二氧化碳的25倍，我国稻田作为甲烷的主要排放源之一，排放量高达全球稻田甲烷排放的27.4％。因此，探测大范围稻田甲烷浓度纵向空间分布、实时变化规律等信息对稻田甲烷排放、稻株甲烷传输机理、温室气体减排、稻株生长状态等研究具有重要意义。稻田产生的甲烷排放与吸收过程十分复杂，甲烷排放之前稻田产生的甲烷有80％-94％在土壤表层被氧化，其次产生的甲烷经过植株的通气组织、气泡以及分子扩散这3条途径在稻株纵向不同高度排放，稻株高度的增高和密集种植在一定程度上形成了稻田温室效应，甲烷的排放不但受甲烷的产生的影响，而且受甲烷的氧化以及传播途径的限制。传统稻田甲烷排放通量的检测方法如箱法、微气象学法、土壤空气浓度分析法及同位素法均只能在一定程度上反应稻田甲烷气体的排放总量，无法满足稻田生态系统的立体空间、在线监测的需求，对稻株内甲烷传输机制、温室气体减排策略无法提供有效的科学依据。因此，能够对稻田甲烷气体浓度进行在线、低成本的大范围实时监测显得尤为迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪及检测方法，旨在解决现有技术中无法对稻田甲烷气体浓度空间分布进行在线、低成本的大范围实时监测的技术问题。第一方面，本专利技术提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。优选的，所述分段式探测结构光纤模块中，单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间间隔性连接。优选的，所述空芯带隙型光子晶体光纤内部设置有通气孔。优选的，所述通气孔的直径为10微米。优选的，每段所述空芯带隙型光子晶体光纤中的通气孔数量为多个。优选的，所述空芯带隙型光子晶体光纤的外层设置有防水透气材料。优选的，所述防水透气材料为聚四氟乙烯材料。优选的，所述检测仪还包括光纤分束器，所述光纤分束器与所述分段式探测结构光纤模块、信号处理模块分别连接。优选的，所述激光光源模块为近红外分布反馈式激光器。第二方面，本专利技术提供了一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测方法，包括：微处理器向信号发生器输出数字信号，通过所述信号发生器控制激光光源模块的激光输出信号；所述激光输出信号传输至分段式探测结构光纤模块，并经过所述分段式探测结构光纤模块中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的熔接处产生回波信号；所述回波信号经光电转换后变为电信号后，采用信号处理模块进行数据处理并反馈给所述微处理器，以进行甲烷浓度的检测。本专利技术示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪采用了分段式探测结构光纤模块，该分段式探测结构光纤模块包括单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤，由于单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。附图说明图1是实施例一示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的结构框图。图2是实施例一示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪中分段式探测结构光纤模块4的一种结构框图。图3是本专利技术实施例一示出的一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的结构示意图。图4是本专利技术实施例二示出的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪的一种实现流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述：实施例一：图1示出本实施例提供的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪。如附图1所示，本实施例提供的应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪包括依次连接的微处理器10、信号发生器20、激光光源模块30、分段式探测结构光纤模块40、信号处理模块50。分段式探测结构光纤模块4包括相互连接的单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42。微处理器10产生数字信号控制信号发生器20产生两路信号，分别作为载波的高频正弦波以及用来扫过待测甲烷吸收峰的锯齿波信号。两路信号经硬件电路后所选用的激光光源模块30进行驱动，从而产生激光信号传输给分段式探测结构光纤模块40，以进行甲烷浓度的检测。信号处理模块50在接收微处理器经分段式探测结构光纤模块40反馈回来的回波信号后进行信号处理，并传输给微处理器10，进而微处理器10根据信号处理模块50传输的信号进行甲烷浓度的检测。由于本实施例中的甲烷浓度检测仪采用的单模光纤、空芯带隙型光子晶体光纤造价低廉，大大降低了甲烷浓度检测仪的成本，并且可以大范围布置于待测空间内，实现待测气体空间分布的在线检测。分段式探测结构光纤模块40中，单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42连接的熔接处存在回波信号，该回波信号传输至信号处理模块5，由于不同的回波信号在光纤中经过了不同光程，不同光程所引起的到达信号处理模块的时间延迟即为待测信号的相位差；同时，经过不通光程的回波信号被空芯带隙型光子晶体光纤42中的待测气体吸收并表现出不同程度的能量衰减，即其幅值逐级递减。因此，回波信号的相位信息反映探测中的空间位置，幅值信息则反映甲烷气体的浓度信息，实现甲烷气体的在线检测。单模光纤41为实芯光纤，内部介质可以对所选波长的光进行几乎无损失的正向传播，传播过程中的背向回波强度极小，一般小于-60dB；空芯带隙型光子晶体光纤42与单模光纤41的区别在于其中心有一条空芯的通道，该通道可以允许气体或液体的注入或扩散，当特定波长的入射光通过注入特定吸收介质的空芯通道时，入射光则会被吸收，剩余的入射光能量则可用于计算吸收介质的成分或浓度。空芯带隙型光子晶体光纤42与单模光纤41的熔接处会存在一定耦合损失，且会有约-17dB以上的回波信号，通过将该回波信号作为检测仪的待测信号。具体的，分段式探测结构光纤模块40中，单模光纤41与空芯带隙型光子晶体光纤42的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间间隔性连接，每个单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间通过熔接处进行连接。图2是分段式探测结构光纤模块40中单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间的连接示意图。通过分段式探测结构，单模光纤-熔接-空芯带隙型光子晶体光纤结构可以多次循环连接，其中单模光纤起到入射光无损传输，更加方便选择测量点，空芯带隙型光子晶体光纤实现环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，其特征在于，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于水稻田立体空间的甲烷浓度检测仪，其特征在于，所述检测仪包括依次连接的微处理器、信号发生器、激光光源模块、分段式探测结构光纤模块、信号处理模块，且所述信号处理模块与所述微处理器连接，所述分段式探测结构光纤模块包括相互连接的单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤。


2.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述分段式探测结构光纤模块中，单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤的数量为至少一个，且所述单模光纤与空芯带隙型光子晶体光纤之间间隔性连接。


3.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述空芯带隙型光子晶体光纤内部设置有通气孔。


4.如权利要求3所述的检测仪，其特征在于，所述通气孔的直径为10微米。


5.如权利要求3所述的检测仪，其特征在于，每段所述空芯带隙型光子晶体光纤中的通气孔数量为多个。


6.如权利要求1所述的检测仪，其特征在于，所述空芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王嘉宁，王淑荣，林冠宇，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22