专利名称：基于超连续谱光源的气体浓度测量系统及测量方法
技术领域：
本发明 涉及运用光谱技术实现气体浓度测量和气体种类识别的技术领域，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。
背景技术：
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
发明内容
基于上述现有技术，本发明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。本发明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，利用标准具对光信号进行光信号标定。所述气室选择怀特White腔气室，或 C-Lens透镜气室、渐变折射率透镜气室GRIN气室。所述标准具使用F-P标准具，或者光纤光栅标准具。所述可调谐光滤波器选用Mach-Zehnder光滤波器、声光可调谐光滤波器、分布反馈(distributed feedback, DFB)激光可调谐光滤波器、液晶光调谐滤波器、光栅滤波器、可调谐Fabry-Perot滤波器。所述光电探测器采用InGaAsAPD、InGaAsPIN光电探测器和SiliC0nAPD、SiliC0nPIN光电探测器。本发明还提出一种基于超连续谱光源的气体浓度测量方法，该方法包括以下步骤光源发射的超连续谱经过光环形器进入气室，待测气体经气室反射或透射后，光信号经过光信号波长、波长位置标定，标定的光信号通过可调谐光滤波器进行调谐，并由光电探测器转换成对应强度的电信号，将电信号输入数据采集处理系统，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。 与现有技术相比，本发明利用超连续谱光源光谱的高平坦性，通过可调谐光滤波器解调，能够对多种类气体浓度进行实时检测，而且系统稳定，测量光谱范围广的特点。在经济效益方面，本发明专利可广泛应用于需要同时识别气体种类和检测多种类气体浓度的工业场合或者危险领域。它市场前景好，具有良好的技术转化基础。由于本发明专利是我们自主知识产权，具有广泛的社会效益。
图1为基于超连续谱光源的反射式气体浓度测量系统架构示意图。图2为基于超连续谱光源的透射式气体浓度测量系统架构示意图。
具体实施方式
本专利发明一种新型的超连续谱光源光纤气体传感器，其可识别的气体种类更多，达
到多种类气体实时浓度检测和种类识别。使用光源是超连续谱光源，其优点是光谱平坦性好，稳定性高，光谱带宽大，检测气体种类广泛，并且能够同时对多种气体浓度信息进行检测和成分识别。如图1所示，包括超连续谱光源1、光隔离器2、光环形器3、光开关4、气室5、标准具6以及可调谐光绿波器7、光电探测器8、数据采集系统9 ；其工作过程如下超连续谱光源1发出超连续谱光，通过光隔离器2到达光环形器3，光隔离器2的作用是防止反射回来的光损坏光源，光环形器3的作用是将光源发出的光送到气室5，然后将气室5反射回来的光传输给标准具6。信号光通过光开关4，到达气室5，气室5为反射式气室。气室右面是全反射镜，气室左面是一透镜，透镜左面是光准直器。通过调节透镜与准直器和光纤端口的位置，使光信号能以平行光射入气室，并且使气室右端反射回来的光线能够最大程度的耦合到光纤中。气室5中反射回来的光信号通过光环形器3，进入标准具6。因为可调谐光滤波器由于本身驱动器件的影响发生波长漂移，标准具6的作用是对可调谐滤波器进行波长位置标定。经过标定后的光信号通过可调谐光滤波器7进行解调，再由光电探测器8将微弱的光信号转换成电信号，输入数据采集系统9。数据采集系统9 一方面用于驱动可调谐光滤波器的压电陶瓷管(PZT)的移动，来控制其输出的光波长，另一方面同时采集光电探测器探测到的信号，并输入数据运算电路，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。如图2所示，该系统和图1不同，采用的是透射式气室。在实验过程中，超连续谱光源1发出超连续谱光，通过光隔离器2到达光开关4，光隔离器2的作用是防止反射回来的光损坏光源或者干扰信号光，光开关4的作用是选择对哪一路的气室进行测量。气室5 为透射式气室。气室5左面右面均有一透镜，透镜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，使光信号能以平行光射入气室，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，进入标准具6。因为可调谐光滤波器由于本身驱动器件的影响发生波长漂移，标准具的作用是对可调谐滤波器进行波长位置标定。经过标定后的光信号通过可调谐光滤波器7进行解调，再由光电探测器8将微弱的光信号转换成电信号，输入数据采集系统9。数据采集系统一方面用于驱动可调谐光滤波器的压电陶瓷管(PZT)的移动，来控制其输出的光波长，另一方面同时采集光电探测器探测到的信号，并输入数据运算电路，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。其中，气室可以选择White (怀特)腔，也可以使用C-Lens透镜气室，或者GRIN气室(渐变折射率透镜气室)。标准具可以使用F-P标准具，也可以使用光纤光栅标准具。可调谐光滤波器可以选用Mach-Zehnder光滤波器、声光可调谐光滤波器、分布反馈(distributed feedback, DFB)激光可调谐光滤波器、液晶光调谐滤波器、光栅滤波器、可调谐Fabry-Perot滤波器。光电探测器可以采用InGaAsAPD、InGaAsPIN光电探测器和 SiliconAPD、SiliconPIN 光电探测器。下面通过具体实施例进一步说明本发明的测量过程，例如，本发明所采用的超连续谱光源采用超连续谱出射波长范围为600nm到1700nm的宽光谱，同时测量C02、C2H2和 CO气体。在测量过程中依次设定它们的特征吸收波长为1440nm、1520nm和1565nm。通过实验多次重复测量，在特征吸收波长处标定各种气体的浓度数据，从而反演得到气体浓度与光谱吸收量的关系，实现多种气体浓度检测和气体种类识别。具体过程如原理图1所示，光源发射的超连续谱经过光环形器进入吸收池，携带浓度信息的信号光再次通过光环行器，在F-P标准具对信号光进行标定后，信号光通过F-P 可调谐光滤波器进行调谐，并由InGaAs光电探测器转换成对应强度的电信号，电信号进入 NI数据采集处理系统，通过比对数据库中特征波长处的浓度数据，反演得到所测气体的成分以及各自的浓度。
权利要求
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。
2.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，所述气室为反射式气室或透射式气室。
3.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，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。
4.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，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。
5.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，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。
6.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，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。
7.如权利要求2所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，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，利用标准具对光信号进行光信号标定。
8.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，所述气室选择怀特White腔气室，或C-Lens透镜气室、渐变折射率透镜气室GRIN气室。
9.如权利要求6或7所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，所述标准具使用F-P标准具，或者光纤光栅标准具。
10.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于， 所述可调谐光滤波器选用Mach-Zehnder光滤波器、声光可调谐光滤波器、分布反馈 (distributed feedback, DFB)激光可调谐光滤波器、液晶光调谐滤波器、光栅滤波器、可调谐Fabry-Perot滤波器。
11.如权利要求1所述的基于超连续谱光源的气体浓度测量系统，其特征在于，所述光电探测器采用InGaAsAPD、InGaAsPIN光电探测器和SiliconAPD、SiliconPIN光电探测器。
12.一种基于超连续谱光源的气体浓度测量方法，该方法包括以下步骤光源发射的超连续谱经过光环形器进入气室，待测气体经气室反射或透射后，光信号经过光信号波长、 波长位置标定，标定的光信号通过可调谐光滤波器进行调谐，并由光电探测器转换成对应强度的电信号，将电信号输入数据采集处理系统，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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N21/31GK102230889SQ201110168649
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者何全华, 张以谟, 张红霞, 贾大功, 郑林 申请人:天津大学