一种自带基线信号的气体浓度传感系统及方法技术方案

本发明专利技术属于气体检测技术领域，具体为一种自带基线信号的气体传感系统及方法。基于TDLAS的气体传感系统，基线准确获取对气体浓度反演至关重要。本发明专利技术使用一个可调谐激光器、一个光电探测器和一个2

【技术实现步骤摘要】
一种自带基线信号的气体浓度传感系统及方法


[0001]本专利技术属于气体检测
，具体涉及一种自带基线信号的气体浓度传感系统及方法。

技术介绍

[0002]可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS，凭借气体选择性强、灵敏度高、抗干扰、可用于易燃易爆特殊环境的特点，吸引了越来越多研究者的注意，在工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、爆炸检测、大气中痕量污染气体监测等方面具有广泛的应用前景。特别是针对甲烷检测方面，已经有比较成熟的商业化产品出现，相关产品已经为煤矿瓦斯泄漏、天然气巡检等场合提供了更好的检测仪器。为了能够比较准确的计算浓度，往往需要获取未有被检测气体情况下的基线信号，作为基准。获取的方法主要包括：参考气室法和数据拟合方法。前者通过设定参考气室，提供一路基线信号供信号反演使用，结构复杂；后者直接在吸收信号上利用信号中非吸收部分进行线性拟合，拟合的作为基线供反演计算使用，实际使用中拟合的基线和实际基线往往存在一定误差，影响气体浓度反演精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提出一种能对有毒、易燃易爆气体、痕量气体进行高效、快速检测的自带基线信号的气体浓度传感系统及方法。
[0004]本专利技术提供的自带基线信号的气体浓度传感系统，其结构如图1所示，由脉冲激光器1、耦合器2、延迟光纤3，探测器4、反射装置5、待测气体的气室6等组成；耦合器2为2
×
2耦合器；其中：
[0005]脉冲激光器1发出调谐脉冲光，经过耦合器2，进行分光：其中，一路光经过延迟光纤3到达反射装置5，经过反射后回到耦合器2，到达探测器4；另一路光到达气室6，经过反射后回到耦合器2，到达探测器4；两束光在探测器4完成光电转换后，供后续调理采集分析并存储。
[0006]本专利技术中，设激光器发出的光强为I0(t)，脉冲宽度为T，根据比尔
‑
兰伯特定律，两束光在探测器处的光强可以表示为：
[0007]I
D
＝aI0(t+2τ)+bI0(t)exp[
‑
α(ν)CL]，
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0008]其中，C为待测气体的体积浓度，L为气体经过气室的有效吸收长度，α(ν)为不同波长光的气体吸收强度，a和b为常数，τ为延迟光纤引起的延迟,并且满足τ＞T/2,避免脉冲混叠；第一项即为自带基线信号。
[0009]本专利技术中，所述的光纤或光纤延迟线可以是单模光纤，也可以是多模光纤。
[0010]本专利技术中，所述反射装置可以为光纤环形镜、端面镀膜产生界面反射镜或者光纤法拉第旋转反射镜等。
[0011]本专利技术还提供基于上述系统的自带参考基线信号的气体传感方法，用于消除异路干涉噪声，具体流程为，由脉冲激光器1发出调谐脉冲光，经过耦合器2，进行分光：其中，一
路光到达气室6，经过反射后回到耦合器2，到达探测器4；另一路光经过延迟光纤3到达反射装置5，经过反射后回到耦合器2，到达探测器4，通过设置延迟光纤3的延迟时间，保证到达一个探测器4上的脉冲时间上不重叠，其中经过延迟光纤的脉冲可以作为基线信号，结合使用来自于吸收气室6的脉冲信号，进行气体浓度反演；两束光在探测器4完成光电转换后，供后续调理采集分析并存储。
[0012]基于自带基线信号(TDLAS)的气体传感系统，基线准确获取对气体浓度反演至关重要。本专利技术使用一个可调谐激光器、一个光电探测器和一个耦合器，利用光纤延迟构造基线信号，为气体浓度反演提供精确基线。本专利技术方法，简单实用。可以实现对有毒、易燃易爆气体、痕量气体的高效、快速检测，可广泛应用于化工、环保等工厂监控及大气监测等领域。
附图说明
[0013]图1是本专利技术系统结构示意图。
[0014]图2是气室中未通甲烷时的输出信号。其中，通道1为探测器4光强信号，通道2脉冲触发信号。
[0015]图3是气室通入标准浓度为50％的甲烷和氮气混合气体的输出信号。其中，道1为探测器4光强信号，通道2脉冲触发信号。
[0016]图中标号：1是激光器，2是耦合器，3是延迟光纤，4是光电探测器，5是反射装置，6探测气室。
具体实施方式
[0017]下面以甲烷浓度检测为例，进一步具体介绍本专利技术。
[0018]根据图1所示，所用的激光器为武汉六九传感科技有限公司生产的DFB
‑
BF14
‑
1654型DFB激光器，光纤耦合器为武汉邮电研究院生产的单模光纤耦合器，光电探测器4为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。其中DFB激光器为可调谐激光器，能够覆盖甲烷的吸收峰值波长1653.7nm，采用三角波调制，脉冲宽度为25μs，所用的光纤为美国生产的“康宁”G.652型单模光纤，光纤延迟线3的长度为15km，由此引起的延时大约为150μs。光源、探测器、耦合器及气室等的连接方式是FC/APC跳线连接，反射装置5采用端面介质膜反射镜，反射型气室6的有效探测光程为8cm，中间的光纤连接采用熔接而成。
[0019]图2为气室中未通甲烷时，系统采集到的波形，其中通道1为探测器4光强信号，通道2脉冲触发信号。在通道1信号上，为原始TDLAS调谐脉冲扫描信号，波形为近似三角波直线，第一个脉冲为气室信号，第二个脉冲为参考基线信号，脉冲间隔大约为150μs。
[0020]图3为气室通入标准浓度为50％的甲烷和氮气混合标准气体，其中通道1为探测器4光强信号，通道2脉冲触发信号。在通道1信号上，第一个脉冲为气室信号，第二个脉冲为参考基线信号，脉冲间隔大约为150μs。由于甲烷的存在，可见在第一个脉冲上出现了吸收峰，而第二个脉冲是基线信号，不受影响。根据该基线信号，基于比尔
‑
兰伯特定律可以进行浓度反演，计算的吸收浓度为51.4％，也验证了系统的准确性。
[0021]作为实施式为本专利技术的优选案例，反射型气室可改为透射式气室。
[0022]上述实施式为本专利技术的优选案例，并不用来限制本专利技术的保护范围。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自带基线信号的气体浓度传感系统，其特征在于，由脉冲激光器(1)、耦合器(2)、延迟光纤(3)，探测器(4)、反射装置(5)、待测气体的气室(6)组成；耦合器(2)为2
×
2耦合器；其中：脉冲激光器(1)发出调谐脉冲光，经过耦合器(2)，进行分光：其中，一路光经过延迟光纤(3)到达反射装置(5)，经过反射后回到耦合器(2)，到达探测器(4)；另一路光到达气室(6)，经过反射后回到耦合器(2)，到达探测器(4)；两束光在探测器(4)完成光电转换后，供后续调理采集分析并存储。2.根据权利要求1所述的自带基线信号的气体浓度传感系统，其特征在于，设激光器发出的光强为I0(t)，脉冲宽度为T，根据比尔
‑
兰伯特定律，两束光在探测器处的光强表示为：I
D
＝aI0(t+2τ)+bI0(t)exp[
‑
α(ν)CL]，
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，C为待测气体的体积浓度，L为气体经过气室的有效吸收长度，α(ν)为不同波长光的气体吸收强度，a...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪广伟，丘晓婷，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：