基于分段式光纤的大气污染物检测系统技术方案

一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，包括：无人飞行器、差分吸收光谱仪器与CPU；差分吸收光谱仪器包括：光源、抽气装置、光纤、n个光电探测器、前置放大器与锁相放大器；光纤为空心光纤，从而光源发出探测光射入空心光纤的首端；光电探测器用于接收由光源经过光纤内部的折射光，并将折射光信号传输给前置放大器；前置放大器用于将折射光信号转化为电信号，并同时对电信号进行放大；锁相放大器通过积分的方式再次对电信号进行放大，并传输给CPU；抽气装置与空心光纤连接，用于采集该待检测目的地的气体，并将其充分融合至空心光纤之中；光纤以固定的曲率进行定型。光纤以固定的曲率进行定型。光纤以固定的曲率进行定型。

【技术实现步骤摘要】
基于分段式光纤的大气污染物检测系统


[0001]本专利技术属于生态环境领域，更具体的，涉及一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统。

技术介绍

[0002]随着工业化的不断发展，大量的有害气体例如二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮不断的排放到大气中，出于环境安全的考量，需要针对这些有害气体进行检测。在一些情境下，可通过无人飞行器作为检测载体，以光谱技术例如差分吸收光谱技术作为技术手段，从而对特定区域下各个有害气体的浓度进行检测。
[0003]然而，目前的无人飞行器难以做到平稳飞行，其自身的抖动所产生的噪声会给差分光谱技术造成较大的误差干扰。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于解决上述缺陷，进而提出一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统。
[0005]本专利技术公开了一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，包括：无人飞行器、差分吸收光谱仪器与CPU；差分吸收光谱仪器包括：光源、抽气装置、光纤、n个光电探测器、前置放大器与锁相放大器；
[0006]光纤为空心光纤，从而光源发出探测光射入空心光纤的首端；
[0007]光电探测器用于接收由光源经过光纤内部的折射光，并将折射光信号传输给前置放大器；
[0008]前置放大器用于将折射光信号转化为电信号，并同时对电信号进行放大；
[0009]锁相放大器通过积分的方式再次对电信号进行放大，并传输给CPU；
[0010]抽气装置与空心光纤连接，用于采集该待检测目的地的气体，并将其充分融合至空心光纤之中；
[0011]光纤以固定的曲率进行定型并分为n段，第1段的首端即为光纤的首端，第n段的尾端即为光纤的尾端，且第k段的尾端连接第k+1段的首端，其中，k＝1,2,
…
,n
‑
1；第j个光电探测器分别与第j段光纤的尾端连接。
[0012]本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0013](1)相比对传统技术中通过气体室对大气进行成分检测，本专利技术创造性的利用空心光纤对气体室进行了替代，从而消除了无人飞行器在高空作业时，其自身抖动造成的误差。
[0014](2)考虑到空心光纤外径内径差值过大导致光程的增量，本专利技术创造性的运用了固定曲率下光程也固定的思想，通过至少3个光电探测器，利用确定的光程差值并结合光纤尾端的光强差值从而准确的计算出待测有害气体的浓度。
附图说明
[0015]图1是一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统的示意图；
[0016]图2是一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统的原理验证图。
[0017]图中：1、光源；2、光纤；21、光纤内径；22、光纤外径；31、光电探测器；32、光电探测器；33、光电探测器；4、前置放大器；5、锁相放大器。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
[0019]基于
技术介绍
中所提及的缺陷，本专利技术公开了一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，包括：无人飞行器、差分吸收光谱仪器与CPU。
[0020]如图1所示，无人飞行器可以是目前流行的四旋翼无人飞行器，值得注意的是，其机身在飞行过程中应当保持静止非旋转状态。差分吸收光谱仪器至少包括：光源1、抽气装置、光纤2、n个光电探测器、前置放大器4与锁相放大器5。其中，光源可以是氘灯，其波长范围为200～250nm，发出探测光射入光纤的首端。光纤为空心光纤，当无人飞行器飞行至待检测目的地时，抽气装置与空心光纤连接，用于采集该待检测目的地的气体，并将其充分融合至空心光纤之中。光纤分为n段，第1段的首端即为光纤的首端，第n段的尾端即为光纤的尾端，且第k段的尾端连接第k+1段的首端，其中，k＝1,2,
…
,n
‑
1。第j个光电探测器分别与第j段光纤的尾端连接，用于接收由光源经过光纤内部的折射光，并将折射光信号传输给前置放大器，j＝1,2,
…
,n。前置放大器用于将折射光信号转化为电信号，并同时对电信号进行放大。锁相放大器通过积分的方式再次对电信号进行放大，并传输给CPU。
[0021]由于大气污染的气体多数包含有较重的气体分子，因此为了确保光纤内的气体与实际的待检测目的地的气体一致，光纤的外径与内径之差大于等于10cm。然而，内径过大导致光纤内探测光的光程不再约等于光纤的长度，因此必须要考虑偏转角度造成的光程增值。可以将光纤以固定的曲率进行定型，从而计算出准确的光程值。在一些实施例中，光纤可以通过圆形缠绕的方式固定曲率，n至少大于等于3，并定义第j段光纤的缠绕圈数为N
j
。
[0022]在本专利技术的第一实施例中，如图1所示，n＝3，且第1段光纤、第2段光纤、第3段光纤的缠绕圈数均为3，其对应的光电探测器依次为光电探测器31、光电探测器32与光电探测器33。
[0023]可理解的是，第1段光纤、第2段光纤、第3段光纤的缠绕圈数不必完全相等，图1只是给出了一种示例。此外，第1段光纤的缠绕圈数应当最大，从而给探测光足够的缓冲，使得探测光的折射路径在逐步调整中趋于如图2所示的路径。第2段光纤、第3段光纤的缠绕圈数也应当足够大，通过增大光程的差值，将n个光电探测器测得的光纤尾端的光强差异化，进而减少误差。优选的，N
j
≥3。
[0024]吸收光谱遵循朗伯比尔定律，如下式所示：
[0025]I
o
(λ)＝I
i
(λ)exp(
‑
σ(λ)CL)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0026]其中，L为光程，C为待测有害气体的浓度，λ为波长，I
i
(λ)为光源的初始光强，I
o
(λ)为光纤尾端的光强，σ(λ)为待测有害气体在波长处的吸收截面，受温度、压强以及探测光的带宽所决定。
[0027]在本专利技术的第一实施例中，将第1段光纤、第2段光纤与第3段光纤分别代入到上式中，如下所示：
[0028][0029]其中，L
j
为第j段光纤的光程，j＝1,2,3，I
o1
(λ),I
o2
(λ),I
o3
(λ)分别为光电探测器31、光电探测器32与光电探测器33测得的光纤尾端的光强。
[0030]在本专利技术的第一实施例中，当探测光在曲率固定的光纤内部折射时，如图2所示，可以获知如下关系式：
[0031]L
j
＝N
j
*l j＝2,3,
…
,n
ꢀꢀꢀ
(5)
[0032]其中，l为探测光在光纤内部折射1圈的光程，式(5)中的j从2开始。
[0033]可以验证的是，在图2中，随着光纤曲率的固定，从第2段光纤开始，其折射路径可以是E...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，包括：无人飞行器、差分吸收光谱仪器与CPU；差分吸收光谱仪器包括：光源、抽气装置、光纤、n个光电探测器、前置放大器与锁相放大器；光纤为空心光纤，从而光源发出探测光射入空心光纤的首端；光电探测器用于接收由光源经过光纤内部的折射光，并将折射光信号传输给前置放大器；前置放大器用于将折射光信号转化为电信号，并同时对电信号进行放大；锁相放大器通过积分的方式再次对电信号进行放大，并传输给CPU；其特征在于：抽气装置与空心光纤连接，用于采集该待检测目的地的气体，并将其充分融合至空心光纤之中；光纤以固定的曲率进行定型并分为n段，第1段的首端即为光纤的首端，第n段的尾端即为光纤的尾端，且第k段的尾端连接第k+1段的首端，其中，k＝1,2,
…
,n
‑
1；第j个光电探测器分别与第j段光纤的尾端连接。2.根据权利要求1所述的一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，其特征在于，光纤的外径与内径之差大于等于10cm，且N
j
≥3，N
j
为第j段光纤的缠绕圈数，j＝1,2,
…
,n。3.根据权利要求1所述的一种基于分段式光纤的大气污染物检测系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧鹏，赵秋月，夏思佳，李荔，刘倩，何文太，
申请(专利权)人：江苏省环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：