多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法技术方案

多波段混叠式内腔气体传感系统及传感方法。该系统包括激光谐振内腔部分（包括第一光分束器，及由泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器和可调光衰减器构成的两路增益通路、以及光合束器和F-P可调谐光滤波器）、气体传感部分（包括气室和光反射镜）以及探测解调部分（包括光耦合器、第二光分束器、两个光探测器、数据采集模块与计算机）三部分。将掺杂不同稀土离子的有源光纤混叠在同一系统中，使系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使该系统具有同时检测更多种类气体的能力。本发明专利技术具有很强的扩展性，可以在系统中通过插入新的增益通路，达到进一步扩展系统波长扫描范围的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感及检测

技术介绍
在工业生产过程中，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等行业亟待解决的重要问题之一。 同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求越来越高，迫切要求监测、监控有毒、有害气体，减少环境污染，确保身心健康。因此，研制有害气体传感监测系统势在必行，成为当今传感技术发展领域的一个重要课题。基于光纤传感技术的气体检测方法，特别是近红外吸收光谱定量检测技术在近二十年内得到了迅猛发展。作为一种新型光纤气体传感方法，光纤有源内腔法将气室放入光纤激光器的谐振腔内，并使激光器的激射波长与待测气体的吸收光谱相对应，微弱光信号在谐振腔内往返振荡形成激光的过程中，多次经过待测气体，从而将较小的气室长度等效成为很大的有效吸收光程，极大地提高了气体传感灵敏度。系统在激光器增益介质的增益带内连续扫描一个周期可获得气室内所有气体在该增益带内的吸收光谱，从而具有实现不同种类气体同时传感的能力。通常采用掺稀土光纤作为光纤激光器的增益介质。目前，比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Nd3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+等。掺Nd3+光纤在1. 088 μ m附近具有激射波长，掺钬(Ho3+)光纤在2. 1 μ m附近具有激射波长，掺铒(Er3+)光纤在1. 55 μ m波长附近具有很高的增益，掺铥(Tm3+)光纤在1. 4 μ m附近具有激射波长，掺镱( 3+)光纤在0. 97 μ m 1.2ym范围内具有相当宽的激发带。可见，掺稀土光纤的激发带几乎覆盖了整个近红外波段。但是，一种掺杂光纤的增益带只覆盖其中的一部分，可测气体种类有限。若要检测更多种类气体，必须分别搭建不同波段光纤激光内腔式气体传感系统。因此，若能将不同掺稀土光纤的增益带结合起来，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使系统具有同时检测更多种类气体的能力。
技术实现思路
本专利技术目的是解决一种掺杂光纤的增益带只覆盖一部分，使可测气体种类有限的问题，提供一种基于多波段混叠式内腔气体传感系统，将掺杂不同稀土离子的有源光纤混叠在同一系统中，使系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，可大幅拓宽系统的波长扫描范围，使该系统具有同时检测更多种类气体的能力。本专利技术具有很强的扩展性，可以通过插入新的增益通路，达到进一步扩展系统波长扫描范围的目的。本专利技术原理本专利技术提供了一种基于多波段混叠结构的内腔式气体传感系统，大幅拓宽光纤有源内腔法气体传感的波长覆盖范围，使本系统具有同时检测和区分更多种类气体的能力。掺杂而3+、《03+』产、^13+、％3+等不同稀土离子的掺杂光纤具有不同波长范围的激发波段，而不同种类的气体吸收波长位置也不相同。如果采用一定的系统将掺杂不同稀土离子的有源光纤组合在一起，便可使该系统同时覆盖多种掺杂离子的激射波段，从而大幅拓展了系统激光输出波长的范围，使系统具有同时检测更多种类气体的能力。如图2所示，F-P可调谐光滤波器具有梳状透射谱。在线性电压的驱动下，透射谱整体同向偏移，且偏移量大小与驱动电压呈近似线性关系。F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围(即相邻两个透射波长的间隔)须大于一种掺杂光纤的增益带，且小于相邻两个不同掺杂光纤的增益带间隔，由此可保证在滤波器的一个自由光谱范围内，其透射波长和驱动电压之间是确定性对应关系。当F-P可调谐光滤波器的梳状透射谱同向连续调谐时，系统在所有掺杂光纤的各自增益带内连续扫描并输出激光，通过两个光探测器可分别获得相应增益带内气体的吸收光谱曲线。也就是说，系统在不同增益带内采集到的气体吸收光谱曲线通过F-P可调谐光滤波器的梳状谱特性得以在波域上实现分离，便于分别检测、解调。基于以上原理，本专利技术提供了一种多波段混叠式结构的内腔气体传感系统(如图 1)。该传感系统包括激光谐振内腔部分、气体传感部分以及探测解调部分三部分构成，其中第一部分，激光谐振内腔部分包括第一光分束器，第一光分束器的两个输出端口通过光纤分别与第一光波分复用器和第二光波分复用器的一个输入端口连接，第一光波分复用器和第二光波分复用器的另一个输入端口分别与第一泵浦光源和第二泵浦光源的输出端口连接，第一光波分复用器依次连接第一掺杂光纤、第一光隔离器和第一可调光衰减器，第二光波分复用器依次连接第二掺杂光纤、第二光隔离器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端口分别与光合束器的一个输入端口连接，光合束器的输出连接光环形器的第一端口，光环形器的第三端口连接F-P可调谐光滤波器的输入端；泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器、可调光衰减器构成一个增益通路， 对输入的掺杂光纤增益带内光信号进行增益放大，光隔离器保证放大光信号的单向传输， 通过调节泵浦光源输出功率或者可调光衰减器损耗可改变通路的增益大小，两个光分束器以及光合束器各端口的波长通带须与该端口连接(或对应)的增益通路增益带一致。第二部分，气体传感部分包括气室和光反射镜，气室和光反射镜通过光环形器的第二端口接入激光谐振内腔部分，光反射镜将激光谐振内腔部分输出的信号反射回激光谐振内腔部分，以形成激光谐振；第三部分，探测解调部分包括光耦合器，光耦合器的输入端连接F-P可调谐光滤波器的输出，光耦合器的一个输出端口连接第二光分束器的输入端，第二光分束器的两个输出端口分别连接第一光探测器和第二光探测器的输入端，第一光探测器和第二光探测器的输出端分别连接数据采集模块的一个模拟输入端口，数据采集模块连接计算机，数据采集模块的模拟输出端口同时连接F-P可调谐光滤波器的电控输入端口。两个光探测器分别检测相应增益带系统输出激光信号的大小。本专利技术系统具有较强的可扩展性，扩展方法是，增加第一光分束器及光合束器的端口数量，在第一光分束器的输出端口及光合束器的输入端口之间增加由泵浦光源、光波分复用器、掺杂光纤、光隔离器和可调光衰减器构成的增益通路，同时相应增加第二光分束器和数据采集模块的模拟输入端口的数量，在第二光分束器的输出端口和数据采集模块的模拟输入端口之间增加相应数量的光探测器。新通路的增益带须满足以下三个条件(1)与系统已有增益通路的增益带互异； (2)增益带宽小于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围；(3)与系统已有增益通路的增益带间隔大于F-P可调谐光滤波器的自由光谱范围。此外，系统还需增加一个光探测器用于检测新加增益通路输出的激光信号，并由数据采集模块同步采集后输入计算机进行处理。本专利技术提供的采用以上所述系统进行气体种类和浓度传感的步骤如下第一、打开第一泵浦光源和第二泵浦光源的电源，调节两个泵浦光源的泵浦功率， 使得传感系统在两个掺杂光纤的激射波段内均输出稳定激光；第二、向气室中通入混合气体，混合气体中各种类气体的吸收谱线位置应位于第一掺杂光纤或第二掺杂光纤的激射波段内；光信号进入气室后通过反射镜的反射作用以及环形器第二端口到第三端口的单向运行特性，使得经过气体吸收的光信号通过环形器的第三端口输出；第三、位于两个波段的气体吸收光谱信号经过耦合器和第二光分束器分成两部分分别采用两个光探测器接收，其中，第一光探测器和第二光探测器分别用来探测吸收谱线位于第一掺杂光纤激射波段内和第二掺杂光纤激射波段内的信号；第四、数据采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
光滤波器的电控输入端口。连接第二光分束器的输入端，第二光分束器的两个输出端口分别连接第一光探测器和第二光探测器的输入端，第一光探测器和第二光探测器的输出端分别连接数据采集模块的一个模拟输入端口，数据采集模块连接计算机，数据采集模块的模拟输出端口同时连接Ｆ－Ｐ可调谐室和光反射镜通过光环形器的第二端口接入激光谐振内腔部分，光反射镜将激光谐振内腔部分输出的信号反射回激光谐振内腔部分，以形成激光谐振；第三部分，探测解调部分包括：光耦合器，光耦合器的输入端连接Ｆ－Ｐ可调谐光滤波器的输出，光耦合器的一个输出端口隔离器和第二可调光衰减器，第一可调光衰减器和第二可调光衰减器的输出端口分别与光合束器的一个输入端口连接，光合束器的输出连接光环形器的第一端口，光环形器的第三端口连接Ｆ－Ｐ可调谐光滤波器的输入端；第二部分，气体传感部分包括：气室和光反射镜，气分复用器的一个输入端口连接，第一光波分复用器和第二光波分复用器的另一个输入端口分别与第一泵浦光源和第二泵浦光源的输出端口连接，第一光波分复用器依次连接第一掺杂光纤、第一光隔离器和第一可调光衰减器，第二光波分复用器依次连接第二掺杂光纤、第二光１．一种基于多波段混叠式结构的内腔气体传感系统，其特征在于该系统包括激光谐振内腔部分、气体传感部分和探测解调部分三个部分，其中：第一部分，激光谐振内腔部分包括：第一光分束器，第一光分束器的两个输出端口通过光纤分别与第一光波分复用器和第二光波...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘琨，刘铁根，江俊峰，梁霄，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12