专利名称：光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及尾气、废气或锅炉烟气测量系统，尤其涉及一种光纤光栅可调 谐滤波特性的气体浓度的测量系统。
背景技术：
现有气体浓度测量技术中，利用被测气体吸收特性的Beer-Lambert定律， 一般使用可调谐半导体激光器对尾气、废气或锅炉烟气等的气体浓度检测，通 过检测吸收的光强衰减量来计算被测气体浓度。
现有气体浓度测量技术的缺点是所使用的可调谐半导体激光器可调谐范 围太窄，而且温漂大，如果对多组分气体浓度测量时，需要多台可调谐半导体 激光器集成或者对光路进行整合，大大提高了系统的复杂度，增加了系统成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有气体浓度测量技术的缺陷，提出的一种光纤 光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统。
光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统包括宽带光源、环行器、 传输光纤、光纤光栅、压电陶瓷、耦合器、准直器、气体吸收池、耦合透镜、 多模光纤、锁相放大器、光电探测器、控制电源驱动器、数据采集卡、计算机， 宽带光源发出的宽带光依次经环行器、传输光纤、光纤光栅得到窄带激光，然 后被耦合器分为两路， 一路为参考光路，另一路为气体吸收光路，在参考光路 上依次设有光电探测器、数据采集卡、计算机，在气体吸收光路上有准直器、 气体吸收池、耦合透镜、多模光纤、传输光纤、锁相放大器、光电探测器数据 采集卡、计算机，光纤光栅下设有压电陶瓷，锁相放大器经控制电源驱动器与 压电陶瓷相连接。
当进行多组分气体浓度测量时，采用多个光纤光栅、压电陶瓷组成的光纤 光栅组。宽带光源是放大自辐射宽带光源、发光二极管宽带光源、超稳定发光 二极管宽带光源、超宽白光光源、超宽白光激光器或卤灯。光纤光栅是Bragg 光纤光栅、相移光纤光栅或光纤光栅组。
本发明可以很好的对被测量气体的吸收光谱进行扫描，得到好的测量结果， 而且使用光纤光栅组可以更易于实现多组分气体浓度的识别和浓度测量，大大 降低了检测系统的成本。
图1为本发明气体浓度测量的系统构成框图2为可调谐窄带光源对气体吸收光谱的扫描原理图3为可调谐光纤光栅组和驱动电源；
图4为本发明测量CO气体的吸收与参考光路比值与反射中心波长的关系曲
线；
图中宽带光源l、环行器2、、传输光纤3、光纤光栅4、、压电陶瓷5、耦 合器6、准直器7、气体吸收池8、耦合透镜9、多模光纤IO、锁相放大器ll、 光电探测器12、控制电源驱动器13、数据釆集卡14、计算机15。
具体实施例方式
如图1所示，光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统包括宽带光 源l、环行器2、传输光纤3、光纤光栅4、压电陶瓷5、耦合器6、准直器7、 气体吸收池8、耦合透镜9、多模光纤IO、锁相放大器ll、光电探测器12、控 制电源驱动器13、数据采集卡14、计算机15，宽带光源1发出的宽带光依次经 环行器2、传输光纤3、光纤光栅4得到窄带激光，然后被耦合器6分为两路， 一路为参考光路，另一路为气体吸收光路，在参考光路上依次设有光电探测器 12、数据采集卡14、计算机15，在气体吸收光路上有准直器7、气体吸收池8、 耦合透镜9、多模光纤IO、传输光纤3、锁相放大器ll、光电探测器12数据采 集卡14、计算机15，光纤光栅4下设有压电陶瓷5，锁相放大器ll经控制电源 驱动器13与压电陶瓷5相连接。
所述的宽带光源1是放大自辐射宽带光源、发光二极管宽带光源、超稳定 发光二极管宽带光源、超宽白光光源、超宽白光激光器或卤灯。光纤光栅(4)是 Bragg光纤光栅、相移光纤光栅或光纤光栅组。
本发明使用环行器2把宽带光源1的光路连到光纤光栅4，然后从光纤光栅 4反射回来的光又返回到环行器2并被路由到耦合器6;耦合器6把光分成两路， 一路作为参考光路，另一路使用准直器7对光进行准直后用于气体吸收；在气 体吸收池8后使用耦合透镜9和多模光纤10把出射的光耦合进入传输光纤3并 送入光电探测器12中接收；采用控制电源驱动器13驱动压电陶瓷5拉伸或压 縮光纤光栅4，对光纤光栅4反射波长进行调谐，对被测气体光谱进行扫描；使 用光电探测器12把两路光信号转换为电信号，然后采用数据采集卡14采集信 号，并送入计算机15中进行数据记录、处理和显示。
通过上述方法，宽带光源l、环行器2和光纤光栅4得到窄带激光，然后被 耦合器6分为两路， 一路为参考光路， 一路为气体吸收光路，通过吸收光路与参考光路的比值来计算气体浓度。本发明中利用控制电源驱动器13驱动压电陶 瓷5来实现光路调谐，对被测气体的吸收光谱进行扫描，其扫描方式见图2。在 入射光扫描气体吸收光谱过程中，出射光强将呈现逐渐减小后逐渐增大的过程， 临界点为可调谐激光器光谱峰与气体吸收光谱峰重合的波长位置。
使用的耦合器6为3dB耦合器，可以让参量光路的入射光强P2与气体吸收 光路的入射光强相等，气体吸收光路出射的光强P1。根据气体吸收光路与参考 光路的比值来标定气体浓度，其函数关系为C = /W/f)。
如果需要进行多组分气体浓度测量时，需要采用光纤光栅组，见图3。其中 所有的光纤光栅4都需要使用电源驱动器13驱动压电陶瓷5来对其反射波长进 行调谐，实现对被测气体吸收光谱进行扫描；
图4为采用本发明方法对某一浓度的CO气体的某一吸收光谱进行扫描,其 中纵坐标为气体吸收光路与参考光路的比值(P[oVP^q)，横坐标为FBG反射中 心波长的变化。说明本发明可有效地实现对气体进行吸收光谱扫描。
本发明提出的利用光纤光栅可调谐滤波的方法来检测气体浓度可以很好地 扫描出被测气体的吸收峰。通过标定，可以实现对气体浓度的测量。本发明中 使用光纤光栅组可以实现多组分气体浓度的测量，可以大大降低检测设备的成 本。
权利要求
1. 一种光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统，其特征在于包括宽带光源(1)、环行器(2)、传输光纤(3)、光纤光栅(4)、压电陶瓷(5)、耦合器(6)、准直器(7)、气体吸收池(8)、耦合透镜(9)、多模光纤(10)、锁相放大器(11)、光电探测器(12)、控制电源驱动器(13)、数据采集卡(14)、计算机(15)，宽带光源(1)发出的宽带光依次经环行器(2)、传输光纤(3)、光纤光栅(4)得到窄带激光，然后被耦合器(6)分为两路，一路为参考光路，另一路为气体吸收光路，在参考光路上依次设有光电探测器(12)、数据采集卡(14)、计算机(15)，在气体吸收光路有准直器(7)、气体吸收池(8)、耦合透镜(9)、多模光纤(10)、传输光纤(3)、锁相放大器(11)、光电探测器(12)数据采集卡(14)、计算机(15)，光纤光栅(4)下设有压电陶瓷(5)，锁相放大器(11)经控制电源驱动器(13)与压电陶瓷(5)相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量 系统，其特征在于当进行多组分气体浓度测量时，采用多个光纤光栅(4)、压电 陶瓷(5)组成的光纤光栅组。
3. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量 系统，其特征在于所述的宽带光源(l)是放大自辐射宽带光源、发光二极管宽带 光源、超稳定发光二极管宽带光源、超宽白光光源、超宽白光激光器或卤灯。
4. 根据权利要求1所述的一种光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量 系统，其特征在于所述的光纤光栅(4)是Bragg光纤光栅、相移光纤光栅或光纤 光栅组。
全文摘要
本发明公开了一种光纤光栅可调谐滤波特性的气体浓度的测量系统。宽带光源发出的宽带光依次经环行器、传输光纤、光纤光栅得到窄带激光，然后被耦合器分为两路，一路为参考光路，另一路为气体吸收光路，在参考光路上依次设有光电探测器、数据采集卡、计算机，在气体吸收光路依次设有准直器、气体吸收池、耦合透镜、多模光纤、传输光纤、锁相放大器、光电探测器数据采集卡、计算机，光纤光栅下设有压电陶瓷，锁相放大器经控制电源驱动器与压电陶瓷相连接。本发明可以很好的对被测量气体的吸收光谱进行扫描，得到好的测量结果，而且使用光纤光栅组可以更易于实现多组分气体浓度的识别和浓度测量，大大降低了检测系统的成本。
文档编号G01N21/31GK101413881SQ200810162159
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者昊 周, 岑可法, 黄雪峰 申请人:浙江大学