一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，其特征在于光源通过单模光纤与光纤分束器连接，从光纤分束器中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器的第一个端口连接；两个光纤环行器的第二个端口通过单模光纤连接传感头的两个输入端；两个光纤环行器的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，光电探测器的接收面平行于两个输出端形成的平面；光电探测器的输出端联接信号处理系统。本发明专利技术采用宽带光源，可以获得更大的辐射通量，同时记录全部的光谱成分，光能输出更大，具有更高的灵敏度和信噪比，降低了对光源的要求，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高的通用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，光纤气体传感器

技术介绍
光纤气体传感技术是一种新型的气体检测技术。光纤具有独特的导光特点，因而利用光纤制作的传感器具有一系列传统传感器所不能比拟的优点。光纤具有传输损耗低、 直径小、重量轻、可弯曲、耐腐蚀、及抗电磁干扰等优点，因而可以将光纤传感器放置在高温、潮湿、强噪声、易燃、易爆、有毒等恶劣或危险的环境中，用光纤将感知信号引出，在安全 地带进行远距离在线遥控测量。此外，光纤传感器还具有稳定性高、测量灵敏度高、响应速 度快、易于组成网络等特点。 光纤气体传感器的理论基础是气体光谱理论和比尔_兰伯定律。由于气体分子具 有不同的能级，所以气体分子只能吸收能量等于其能级差的光子。不同分子结构的气体只 能吸收满足其结构特性的特定频率的光子，即分子选择吸收特定波长的光子。分子吸收能 量后，跃迁到激发态。由于激发态的不稳定性，在激发态停留很短的时间后，分子跃迁到稳 定状态，并伴随着能量的辐射。由于辐射具有方向任意性，沿特定方向的这个吸收波长的能 量将减小，即分子吸收特定波长的光波。由于不同气体分子具有不同的分子结构，其吸收谱 线也有差异性，因此可以通过检测分子的吸收谱线来确定气体分子。 光在吸收介质中传播时，其能量沿传播路径不断地衰减。比尔-兰伯定律指出，光 沿其传播路径损耗的能量(即介质吸收的能量)与光通过的路径长度成正比。若取初始光 强为1。，则输出光强I满足以下关系 I = Ine—aLC,f o C-丄Ina！ 、 / 乂 其中，a为摩尔气体分子吸收系数，L为气体分子作用长度(传输距离)，C为待 测气体的浓度。当作用长度L固定时，输出光强随着气体浓度的增大呈指数形式衰减。因 此，通过测量输出光强就能检测出气体浓度。 由于气体的吸收光谱具有多个吸收峰，为了提高传感的灵敏度，传统的光纤气体 传感器一般采用单谱线吸收方法，这就要求所采用的光源必须是窄带光源，而且需要已知 被测气体，以及被测气体的吸收频谱范围。为了获得最大吸收，还需要将光源的中心波长锁 定在被测气体的吸收峰上。因此，光源波长的稳定性对于测量性能有重要的影响，且不具有 通用性。在实际的情况中，由于受到环境影响，光源的波长会发生漂移，从而偏离吸收峰的 位置，使测量精度降低。
技术实现思路
要解决的技术问题3 为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，可以利用宽带光源，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种 光纤气体传感器具有更高的通用性。 技术方案 —种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，其特征在于包括光源l，光纤分束 器2， 2个光纤环形器3，传感头5，光电探测器9 ;光源1通过单模光纤与光纤分束器2连接， 从光纤分束器2中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器3的第一个端口连接；两 个光纤环行器3的第二个端口通过单模光纤连接传感头5的两个输入端；两个光纤环行器 3的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端S" 52平行固定， 光电探测器9的接收面平行于两个输出端S^S2形成的平面；光电探测器9的输出端联接信 号处理系统10 ;所述的传感头5包括两个平行的结构相同的气室6，其中一个为开放气室， 另一个为密闭的、内部为标准气压的空气气室；所述的气室6的一端固定自聚焦透镜11，自 聚焦透镜11的外端连接来自于光纤环行器3的单模光纤；气室6的另一端为平行于自聚焦 透镜11端面放置的全反射棱镜12。 所述的气室6的另一端的全反射棱镜12采用高反射率的平面镜13取代。 全反射棱镜12或高反射率的平面镜13后设有调节旋钮14。 所述的光电探测器9在光源为0.4 1. liim波长时，选用高分辨率线阵CCD探测器。 所述的光电探测器9在光源为1. 0 2. 5iim波长时，选用InGaAs线性成像探领所述的光电探测器9在光源为3. 0 5. 0 ii m波长时，选用GaAs中红外量子阱探 —种利用所述的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器测量气体成分的方法， 其特征在于步骤如下 步骤1 :对光电探测器件转化的表现干涉光强分布的电信号进行傅里叶余弦变换 算法，得到干涉的光谱强度分布《")=f 2/(/)COs(2m4i/ ; 步骤2 :对测得的光谱强度分布函数进行积分得到输出光强I，得到被测气体的浓 1<formula>formula see original document page 4</formula>，其中1。为已知入射光强、L为气室长度； 步骤3 :对得到的光谱强度分布与入射光强度分布做差，得到气体选择吸收峰，根 据吸收峰与不同气体吸收波长的相异性，查表得到气体成分。 有益效果 本专利技术的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，采用宽带光源，其光谱宽度 能够覆盖待测气体的特征吸收光谱，因而不需要光源光谱与气体吸收谱线严格对应，稳定 性更强。而且，由于采用宽带光源，可以获得更大的辐射通量，能够同时记录全部的光谱成 分，光能输出更大，故具有更高的灵敏度和信噪比。此外，采用宽带光源，降低了对光源的要 求，而且无需知道待测气体的具体成分和吸收峰位置，使得这种光纤气体传感器具有更高 的通用性。附图说明 图1是本专利技术中基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器的结构示意图。 图2是图1中的采用全反射棱镜的传感头结构示意图。 图3是图1中的采用高反射率的平面镜的传感头结构示意图。 图4是图1中的光纤探测系统结构示意图。 图中，光源1，光纤分束器2，光纤环行器3、4，传感头5，气室6，标准单模光纤7，光 电探测系统8，空间高分辨率的阵列光电探测器9，信号处理系统10，自聚焦透镜ll，全反射 棱镜12，高反射率的平面镜13，调节旋钮14，出射光纤15。具体实施例方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述 本专利技术设计的基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器结构示意图如图1所示， 包括宽带光源1 ，光纤分束器2，光纤环形器3、4，传感头5，标准单模光纤7，空间高分辨率 的阵列光电探测器9，信号处理系统10。 其中宽带光源1的波长为0. 4 1. 1 ii m，光电探测器9选择高分辨率线阵CCD探 测器，所有连接的光纤为单模光纤。 传感头5包括两个平行的气室6，气室6的长度为30cm。所述的气室6的一端固 定自聚焦透镜11，气室6的另一端为平行于自聚焦透镜11端面放置的全反射棱镜12。 光源1通过单模光纤与光纤分束器2连接，从光纤分束器2中引出的单模光纤分 别与两个相同的光纤环行器3的第一个端口连接；两个光纤环行器3的第二个端口通过单 模光纤连接传感头5的两个输入端；两个光纤环行器3的第三个端口与两根等长度的单模 光纤连接，且两根单模光纤的输出端Sp S2平行固定，光电探测器9的接收面平行于两个输 出端Sp S2形成的平面；光电探测器9的输出端联接信号处理系统10 ;所述的两个输出端 Si、S2的间距为6cm。 光源发出的光经光纤分束器2分为等强度的两束光。 一束光经过光纤环形器和标 准单模光纤传输后，进入传感头其中的一个开放气室。光在气室中传播L距离后，被全反射 棱镜或高反射率的平面镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于傅里叶变换光谱术的光纤气体传感器，其特征在于包括光源（１），光纤分束器（２），２个光纤环形器（３），传感头（５），光电探测器（９）；光源（１）通过单模光纤与光纤分束器（２）连接，从光纤分束器（２）中引出的单模光纤分别与两个相同的光纤环行器（３）的第一个端口连接；两个光纤环行器（３）的第二个端口通过单模光纤连接传感头（５）的两个输入端；两个光纤环行器（３）的第三个端口与两根等长度的单模光纤连接，且两根单模光纤的输出端Ｓ↓［１］、Ｓ↓［２］平行固定，光电探测器（９）的接收面平行于两个输出端Ｓ↓［１］、Ｓ↓［２］形成的平面；光电探测器（９）的输出端联接信号处理系统（１０）；所述的传感头（５）包括两个平行的结构相同的气室（６），其中一个为开放气室，另一个为密闭的、内部为标准气压的空气气室；所述的气室（６）的一端固定自聚焦透镜（１１），自聚焦透镜（１１）的外端连接来自于光纤环行器（３）的单模光纤；气室（６）的另一端为平行于自聚焦透镜（１１）端面放置的全反射棱镜（１２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建林，李鹏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]