本发明专利技术公开了一种基于超连续谱光源的气体浓度测量系统及测量方法，该系统包括超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器及数据采集系统，超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器通过光纤线依序连接，光电探测器通过数据线与数据采集系统连接；超连续谱光源通过光隔离器到达光开关，通过光开关到达气室，气室中光信号进入光信号标定装置；经标定后的光信号通过可调谐光滤波器解调，再由光电探测器将微弱的光信号转换成电信号，输入数据采集系统。与现有技术相比，本发明专利技术光源光谱平坦性好，稳定性高，检测气体种类广泛，并且能够同时对多种气体进行浓度检测和种类识别。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术 涉及运用光谱技术实现气体浓度测量和气体种类识别的
，特别是涉及一种利用超连续谱光源光纤气体浓度传感器实现多种气体浓度测量和气体种类识别的测量系统及其测量方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，工业及交通运输业等领域越来越多的涉及到了气体浓度检测。比如在工业生产中，不同气体组分浓度的变化会对工业生产产生极大的影响，而且有害气体超过一定的浓度也会对工人造成无法弥补的伤害，尤其是在煤矿等矿井中，气体浓度的实时精确检测和气体种类识别显得尤为必要。目前气体浓度检测方法有很多种，主要是电化学法、光学法、电气法、气相色谱法等。而这些方法的缺点是测量周期长，不能实现快速的在线测量；受电磁干扰严重，在易燃易爆等环境中不能使用，并且测量气体种类相对较少；测量浓度范围有限、存在饱和效应， 使用寿命较短等。因此光纤气体浓度传感器脱颖而出。本专利的优点是，光源使用的是超连续谱光源，光源带宽宽达一千多纳米；能够同时进行气体种类的识别和气体浓度的测量；测量速度快，能够在线进行测量。专利200310103849. 3 ,200510112976. 9,200710125462. 6，他们通过使用单光束双波长法或者双光束单波长法得到气体浓度，其中200710125462. 6通过获取被测气体本身的压强来获取相对应的补偿系数来提高测量精度。但是他们不能同时在线测量两种及两种以上的气体。专利200810064125. 5是利用单光束方法，使信号光聚焦到光谱仪，但仅限于同时测量二氧化硫和一氧化氮气体浓度。专利200510010428. 5中，对二极管激光器进行电流调制，然后通过单光束法，仅限于同时测量一氧化氮和氯化氢气体浓度。专利 200610043111. 6使用一种基于声光可调滤光器近红外光谱仪实现的多组分气体浓度定量分析，由于其测量气室是密闭的，限制了该专利只能测量固定成分的气体，不能实现实时在线测量。专利200610012519. 7采用了单光束双波长的光谱吸收法原理，在五个红外探测器前设置待检测气体的参考光滤波片和吸收峰滤波片，相当于将五个实验原理相同的单光束双波长测量装置码放在一起，同时检测五种气体的仪器操作复杂性增加，设备成本也成倍增加，不能进行气体种类的检测，同时，测量的气体种类也很有限。专利200510097004. 7 采用拉锥光纤，基于光纤激光器腔内倏逝波吸收，可以对不同气体(对应不同吸收峰)的浓度进行高精度测量，但是该专利主要适用于在光通信波段有光谱吸收峰的低浓度(体积比广5%)气体，使用范围受到严重限制，测量气体种类少，只有几种。专利201010131825. 9 则是一种用于监测多点气体浓度的传感系统，却不能在单独一个测量点进行多种类气体测量。专利201010218580. 3则是先估计待测气体中各组分的浓度并折算成对应的吸光率，由Lambert-Beer定理根据估计的各种气体的浓度值重构吸收光谱图。然后以重构光谱图与实际光谱图的谱线值之差作为输入，将谱线值之差转化为气体实际浓度与估计的浓度值之差，据此得到多种类气体的浓度值。缺点是不能进行气体种类识别；由于迭代法的使用，测量速度较慢；光源是常规光源，光谱宽度远不如超连续谱光源的光谱宽度。专利 200910071001. 4采用光纤有源内腔作为光源，光谱宽度很窄，远不如超连续谱光源，由于光纤有源内腔的特点，只能检测1550nm附近的几种气体，因此能测量的气体种类相比本专利就很少。另外，专利200910071001. 4只提到对气体种类的识别。而本专利使用的光源是超连续谱光源，在气体成分识别过程中，还能测量气体的浓度。因此，至今没有一种使用超连续谱光源的光纤气体浓度传感器，其光源光谱平坦性好，稳定性高，检测精度高，检测气体种类广泛，并且能够同时对气体浓度信息进行检测和成分识别
技术实现思路
基于上述现有技术，本专利技术提出一种基于超连续谱光源的多种类气体浓度在线测量和成分识别的系统和方法，该系统主要实现一种新型超连续谱光源光纤气体浓度传感器构成，利用超连续谱光源光谱的高平坦性以及它的光源光谱范围宽等特性，实现多种类气体浓度的在线测量，其测量方法是将超连续谱光源发出的超连续谱光通过待测气体后，根据特征吸收峰对应的波长处光强有无衰减来定性测量某些气体种类是否存在，根据所得光谱中气体特征吸收峰对应的波长处光强的衰减量来得到所测气体的浓度。本专利技术提出的一种基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，该系统包括超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器以及数据采集系统，其特征在于，所述超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器通过光纤线依序连接，所述光电探测器再通过数据线与数据采集系统连接；超连续谱光源通过光隔离器到达光开关，通过光开关到达气室，气室中光信号进入光信号标定装置；经过标定后的光信号通过可调谐光滤波器进行解调，再由光电探测器将微弱的光信号转换成电信号，输入数据采集系统；其中所述超连续谱光源，用于发出超连续谱光，提供该系统的输入光源；所述光隔离器用于隔离输入光源反射回来的光，避免其反射光传输给输入光源；所述光信号标定装置用于对可调谐滤波器输出光信号进行波长标定和波长位置标定； 所述气室用于承载待测气体，使得光信号以平行光入射，再以通过被测气体的光信号作为输出；所述可调谐光滤波器用于对包含不同气体浓度信息的超连续谱光信号进行扫谱，在可调谐滤波器可解调的范围内，逐一解调出不同波长处对应的光强大小；所述光电探测器用于将微弱的光信号转换成电信号；所述数据采集系统用于驱动可调谐光滤波器的压电陶瓷管的移动，来控制其输出的光波长，同时采集光电探测器输出的电信号输入计算机内；将处理信号比对超连续谱光源原始光谱和气体光谱数据库，将气室中所包含的气体种类以及各种存在的气体浓度解调出来。所述气室为反射式气室或透射式气室。所述反射式气室， 气室的光信号输入端设置一透镜，气室的光信号输出端设置一全反射镜，透镜的前面设置一光准直器，通过调节透镜与准直器和光纤端口的位置，使光信号以平行光射入气室，并且使气室右端反射回来的光信号能够最大程度的耦合到光纤中。所述反射式气室，气室的光信号输入端设置一透镜，气室的光信号输出端设置一全反射镜，透镜的前面设置一光准直器，通过调节透镜与准直器和光纤端口的位置，使光信号以平行光射入气室，并且使气室右端反射回来的光信号能够最大程度的耦合到光纤中。所述透射式气室，其结构左右结构对称，气室的光信号输入端、输出端各设置一透镜，每个透镜的前面各设置一光准直器，通过调节透镜与光准直器和光纤端口的位置，使光信号以平行光射入气室，并且使透过气室的光线能够最大程度的耦合到光纤中；气室中透射出来的光信号通过光开关，进入光信号标定装置。所述气室为反射式气室的气体浓度测量系统中，所述光信号标定装置包括光环行器和标准具，光源发射的超连续谱经过光环形器进入气室，经气室反射后携带浓度信息的信号光再次通过光环行器，到达标准具，利用标准具对信号光进行光信号标定。所述气室为透射式气室的气体浓度测量系统中，所述光信号标定装置包括标准具，光源发射的超连续谱进入气室，经气室透射后携带浓度信息的光信号到达标准具，本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，该系统包括超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器以及数据采集系统，其特征在于，所述超连续谱光源、光隔离器、光开关、气室、光信号标定装置、可调谐光滤波器、光电探测器通过光纤线依序连接，所述光电探测器再通过数据线与数据采集系统连接；超连续谱光源通过光隔离器到达光开关，通过光开关到达气室，气室中光信号进入光信号标定装置；经过标定后的光信号通过可调谐光滤波器进行解调，再由光电探测器将微弱的光信号转换成电信号，输入数据采集系统；其中： 所述超连续谱光源，用于发出超连续谱光，提供该系统的输入光源； 所述光隔离器用于隔离输入光源反射回来的光，避免其反射光传输给输入光源；所述光信号标定装置用于对可调谐滤波器输出光信号进行波长标定和波长位置标定； 所述气室用于承载待测气体，使得光信号以平行光入射，再以通过被测气体的光信号作为输出； 所述可调谐光滤波器用于对包含不同气体浓度信息的超连续谱光信号进行扫谱，在可调谐滤波器可解调的范围内，逐一解调出不同波长处对应的光强大小； 所述光电探测器用于将微弱的光信号转换成电信号； 所述数据采集系统用于驱动可调谐光滤波器的压电陶瓷管的移动，来控制其输出的光波长，同时采集光电探测器输出的电信号输入计算机内；将处理信号比对超连续谱光源原始光谱和气体光谱数据库，将气室中所包含的气体种类以及各种存在的气体浓度解调出来。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：贾大功，何全华，张红霞，郑林，张以谟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。