一种光纤光热气体传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开并提供了一种一次谐波信号解调后没有背景噪音信号的光纤光热气体传感装置及方法。本发明专利技术中的光纤光热气体传感装置包括中红外泵浦激光器（1）、近红外探测激光器（2）、耦合组件、红外宽波段空芯光纤（3）以及光热信号探测解调组件（4），所述中红外泵浦激光器（1）以及所述近红外探测激光器（2）通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤（3）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件（4）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）内填充待测气体。本发明专利技术适用于光纤光热气体传感领域。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光热气体传感装置及方法
本专利技术涉及一种光纤光热气体传感装置及方法。
技术介绍
吸收光谱法是一种常用气体测量方法，特定波长的光通过待测气体时一部分光能量被待测气体吸收，吸收能量与待测气体浓度正相关，吸光度是入射光波长的函数。波长调制光谱技术WMS对入射光的波长进行高频调制，经过气体吸收后其透射光信号含有一系列谐波信号，解调这些谐波信号就能得到气体浓度信息，同时采用高频检测降低了1/f噪音。如果对透射光信号在调制频率处解调将得到一次谐波信号1f，1f信号有很强的背景信号，因为波长调制通常采用调制激光二极管的驱动电流的方法，在调制波长的同时还会调制激光强度，称为剩余强度调制，从而给1f吸收信号带来较强的背景。而2f受背景信号影响小，所以WMS技术通常解调透射光的2f谐波信号，但WMS-2f信号强度通常比1f小很多。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种一次谐波信号解调后没有背景信号的光纤光热气体传感装置及方法。本专利技术中的光纤光热气体传感装置包括中红外泵浦激光器、近红外探测激光器、耦合组件、红外宽波段空芯光纤以及光热信号探测解调组件，所述中红外泵浦激光器以及所述近红外探测激光器通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤相连接，所述红外宽波段空芯光纤通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件相连接，所述红外宽波段空芯光纤内填充待测气体。所述耦合组件包括近红外-中红外双路耦合组件以及近红外单路耦合组件，所述中红外泵浦激光器以及所述近红外探测激光器通过所述近红外-中红外双路耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤相连接，所述红外宽波段空芯光纤通过所述近红外单路耦合组件与所述光热信号探测解调组件相连接。所述近红外-中红外双路耦合组件包括第一气室、二向色镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及第一光纤准直镜，所述第一气室适配连接设置在所述红外宽波段空芯光纤的输入端，所述二向色镜与所述第一气室相对应设置，所述中红外泵浦激光器的发射端、所述第一聚焦透镜以及所述二向色镜依次相对应设置，所述第一光纤准直镜的输入端与所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述第一光纤准直镜的输出端、所述第二聚焦透镜以及所述二向色镜依次相对应设置，所述近红外单路耦合组件包括第二气室、准直透镜以及近红外光纤耦合镜，所述第二气室适配设置在所述红外宽波段空芯光纤的输出端，所述第二气室、所述准直透镜以及所述近红外光纤耦合镜的输入端依次相对应设置，所述近红外光纤耦合镜的输出端通过光纤与所述光热信号探测解调组件相连接。所述近红外-中红外双路耦合组件包括第一对尾气室以及红外宽波段光纤合束器，所述红外宽波段空芯光纤的输入端适配插置在所述第一对尾气室内，所述红外宽波段光纤合束器的输入端分别与所述中红外泵浦激光器的输出端以及所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述红外宽波段光纤合束器的输出端连接第一输出光纤，所述输出光纤适配插置在所述第一对尾气室内并与所述红外宽波段空芯光纤的输入端适配对应设置，所述近红外单路耦合组件包括第二对尾气室以及第二输出光纤，所述红外宽波段空芯光纤的输出端适配插置在所述第二对尾气室内，所述第二输出光纤的输入端适配插置在所述第二对尾气室内并与所述红外宽波段空芯光纤的输出端适配对应设置，所述第二输出光纤的输出端与所述光热信号探测解调组件相连接。所述光热信号探测解调组件近红外光电探测器，所述近红外光电探测器与所述近红外单路耦合组件相连接。本专利技术还包括偏振控制器、光纤分束器、压电陶瓷环以及第二光纤合束器，所述光纤分束器的输入端与所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述偏振控制器适配设置在所述光纤分束器与所述近红外探测激光器之间，所述光纤分束器的一个输出端与所述近红外-中红外双路耦合组件光纤连接，所述光纤分束器的另一个输出端通过第三输出光纤与所述光热信号探测解调组件相连接，所述第三输出光纤中的一段适配缠绕在所述压电陶瓷环上，所述第二光纤合束器的输入端分别与所述第三输出光纤以及所述近红外单路耦合组件相连接，所述第二光纤合束器的输出端与所述近红外光电探测器的输入端相连接。所述光热信号探测解调组件还包括电信号分路器，所述电信号分路器的输入端与所述近红外光电探测器的输出端相连接，所述电信号分路器的一个输出端分路上依次连接设置低通滤波器、PID控制器以及压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器与所述压电陶瓷环相连接，所述电信号分路器的另一个输出端分路上依次连接设置锁相放大器、数据采集卡以及激光控制器，所述激光控制器与所述中红外泵浦激光器相连接。本专利技术中的光纤光热气体传感方法将泵浦光与探测光合束经过待测气体，泵浦光激发待测气体的吸收，产生光热效应，探测光测量气体吸收泵浦激光后产生的折射率变化，探测光的相位在经过产生光热效应的待测气体介质后发生周期性变化，采集探测光的相位信息，并进行解调，得到光热光谱一次谐波信号。所述泵浦光的波长或功率被周期性调制，探测光的波长保持固定且远离待测气体的吸收线。所述光热光谱一次谐波信号的峰-峰值与气体浓度在系统线性范围内成正比。本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用泵浦-探测双光源配置，待测气体吸收周期性调制的泵浦光的能量后由于光热效应折射率发生周期性变化，当探测光的光路与泵浦光重合时，气体折射率的变化会导致探测光的相位发生周期性变化，通过解调探测光的相位信息，可以获得待测气体的浓度。相比于波长调制吸收光谱技术，本专利技术避免直接测量经过气体吸收的透射光强，因此探测光相位的解调信号不受泵浦光的剩余强度调制的影响。本专利技术中采用的激光器、光电探测器、光纤组件等具有价格便宜、技术成熟的优点，同时采用红外宽波段空芯光纤，将泵浦光、探测光和待测气体同时禁锢在光纤微米级空芯内，提高泵浦光能量密度，因此极大提高了探测灵敏度。红外宽波段空芯光纤还具有传输光谱范围宽、传输损耗小、保持单模传输的优点。说明书附图图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中近红外-中红外双路耦合组件的连接结构示意图例一；图3是本专利技术中近红外-中红外双路耦合组件的连接结示意图例二；图4是本专利技术中近红外单路耦合组件的连接结构示意图例一；图5是本专利技术中近红外单路耦合组件的连接结构示意图例二；图6是本专利技术中光热信号探测解调组件的连接结构示意图；图7是本专利技术中中红外空芯光纤的机构示意图例一；图8是本专利技术中中红外空芯光纤的机构示意图例二；图9为本专利技术中典型的测量结果示意图。具体实施方式具体实施例一：如图1所示，本专利技术中的光纤光热气体传感装置包括中红外泵浦激光器1、近红外探测激光器2、耦合组件、红外宽波段空芯光纤3以及光热信号探测解调组件4，所述中红外泵浦激光器1以及所述近红外探测激光器2通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤3相连接，所述红外宽波段空芯光纤3通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件4相连接，所述红外宽波段空芯光纤3内填充待测气体。所述耦合组件将中红外泵浦光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光热气体传感装置，其特征在于：包括中红外泵浦激光器（1）、近红外探测激光器（2）、耦合组件、红外宽波段空芯光纤（3）以及光热信号探测解调组件（4），所述中红外泵浦激光器（1）以及所述近红外探测激光器（2）通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤（3）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件（4）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）内填充待测气体。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤光热气体传感装置，其特征在于：包括中红外泵浦激光器（1）、近红外探测激光器（2）、耦合组件、红外宽波段空芯光纤（3）以及光热信号探测解调组件（4），所述中红外泵浦激光器（1）以及所述近红外探测激光器（2）通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤（3）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件（4）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）内填充待测气体。


2.根据权利要求1所述的一种光纤光热气体传感装置，其特征在于：所述耦合组件包括近红外-中红外双路耦合组件（5）以及近红外单路耦合组件（6），所述中红外泵浦激光器（1）以及所述近红外探测激光器（2）通过所述近红外-中红外双路耦合组件（5）与所述红外宽波段空芯光纤（3）相连接，所述红外宽波段空芯光纤（3）通过所述近红外单路耦合组件（6）与所述光热信号探测解调组件（4）相连接。


3.根据权利要求2所述的一种光纤光热气体传感装置，其特征在于：所述近红外-中红外双路耦合组件（5）包括第一气室（51）、二向色镜（52）、第一聚焦透镜（53）、第二聚焦透镜（54）以及第一光纤准直镜（55），所述第一气室（51）适配连接设置在所述红外宽波段空芯光纤（3）的输入端，所述二向色镜（52）与所述第一气室（51）相对应设置，所述中红外泵浦激光器（1）的发射端、所述第一聚焦透镜（53）以及所述二向色镜（52）依次相对应设置，所述第一光纤准直镜（55）的输入端与所述近红外探测激光器（2）的输出端光纤连接，所述第一光纤准直镜（55）的输出端、所述第二聚焦透镜（54）以及所述二向色镜（52）依次相对应设置，所述近红外单路耦合组件（6）包括第二气室（61）、准直透镜（62）以及近红外光纤耦合镜（63），所述第二气室（61）适配设置在所述红外宽波段空芯光纤（3）的输出端，所述第二气室（61）、所述准直透镜（62）以及所述近红外光纤耦合镜（63）的输入端依次相对应设置，所述近红外光纤耦合镜（63）的输出端通过光纤与所述光热信号探测解调组件（4）相连接。


4.根据权利要求2所述的一种光纤光热气体传感装置，其特征在于：所述近红外-中红外双路耦合组件（5）包括第一对尾气室（56）以及红外宽波段光纤合束器（57），所述红外宽波段空芯光纤（3）的输入端适配插置在所述第一对尾气室（56）内，所述红外宽波段光纤合束器（57）的输入端分别与所述中红外泵浦激光器（1）的输出端以及所述近红外探测激光器（2）的输出端相光纤连接，所述红外宽波段光纤合束器（57）的输出端连接第一输出光纤（58），所述输出光纤（58）适配插置在所述第一对尾气室（56）内并与所述红外宽波段空芯光纤（3）的输入端对接耦合，所述近红外单路耦合组件（6）包括第二对尾气室（64）以及第二输出光纤（65），所述红外宽波段空芯光纤（3）的输出端适...

【专利技术属性】
技术研发人员：任伟，姚晨雨，许可，王震，
申请(专利权)人：朗思科技有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81