专利名称：一种可扩展实时光纤气体传感系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电领域，尤其是一种可扩展实时光纤气体传感系统。
背景技术：
电子气体传感器系统能够将各种气体的浓度及其变化转变为电压或电流量，其技术比较成熟，也有着广泛的应用。但是，在需要进行远距离传感信号传输和控制的传感测量或安全报警等系统中，电子气体传感器的传输系统往往容易受到电磁等外界环境的干扰， 同时，传统的传感器系统也难以构成传感网络。随着各类激光器技术的发展，大大促进了激光气体传感系统的快速发展，激光气体传感器具有速度快和测试精确等特点，而且，光纤光学、光纤通讯和许多在光纤通讯中的技术，特别是象高密度光波分复用技术，开始应用于各类传感系统。激光气体传感系统的主要优点是能抗电磁干扰和潮湿、耐腐蚀，重量轻等，并且，易于形成传感网络和进行远距离传感信号的传输。激光气体传感系统存在的缺点是激光气体传感器和信号处理系统比较贵，对有些气体浓度的测试精度较低或很难制作相应激光气体传感器去测试，因此，现有的激光气体传感器及系统的传感应用领域远远没有传统的电子传感系统广泛。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力强、适合远距离且易于形成传感网络的可扩展实时光纤气体传感系统。本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的一种可扩展实时光纤气体传感系统，包括一个可扩展光纤气体传感网络、一个光纤光波分复用分离器、一个光电接收系统和一个传感信号分析处理系统；所述的可扩展光纤气体传感网络的输出端口连接到光纤光波分复用分离器的输入端口 ；所述的光纤光波分复用分离器的输出端口连接到光电接收系统的输入端口 ；所述的光电接收系统的输出端口连接到传感信号分析处理系统。而且，所述的可扩展光纤气体传感网络、光纤光波分复用分离器和光电接收系统的输入端口和输出端口均为带单模光纤尾纤接口，并通过单模光纤的电弧融化焊接或光纤连接器连接。而且，所述的可扩展电光传感网络包括一个或多个可扩展激光气体传感器。而且，所述的可扩展激光气体传感器包括一个DFB激光器、一个气体取样室和一个光纤光波分复用合成器，所述的DFB激光器的输出中心波长与所需要传感测试的气体的光的吸收波长相同，其输出端口通过准直透镜耦合输出透过气体取样室进入光纤光波分复用合成器，并从光纤光波分复用合成器的输出端口输出。而且，所述的光纤光波分复用合成器由一个多层介质膜光滤波片、一个准直透镜、 一个玻璃管、一个带单模光纤尾纤的输出端口和一个带单模光纤尾纤的输入端口连接构成，透过多层介质膜光滤波片的准直光束被聚焦耦合到输出端口的单模光纤，从扩展端口的单模光纤输入的光束被准直透镜准直并被多层介质膜光滤波片的反射后，经准直透镜聚焦并耦合到输出端口的单模光纤上。而且,所述的DFB激光器输出光功率大于I毫瓦，其输出为窄带光谱，其FWHM的光谱范围小于100MHz。而且，所述的气体取样室由金属材料、玻璃材料或塑料材料制成。而且，所述的多层介质膜光滤波片是一种窄带滤波器，或是一种光波导；所述的准直透镜是一种渐变折射率的光学透镜或是一种模压的C型透镜。而且，所述的光纤光波分复用分离器为可扩展光纤光波分复用分离器，该可扩展光纤光波分复用分离器包括一个输入端口和多个输出端口，其输出端口数与可扩展光纤气体传感网络中的传感器数量相同。而且，所述的光纤光波分复用分离器的透射中心波长和所要传感测试的气体吸收中心波长相同；所述的光纤光波分复用分离器的透射频谱带宽小于相邻两个传感器的中心波长的间距；所述的光电接收系统的光波长响应范围与可扩展光纤气体传感网络中所使用的激光器波长范围相同。本发明的优点和积极效果是本发明设计合理，将光纤通讯中常用的激光气体传感器和光纤光波分复用技术 (WDM)结合在一起，系统中的每个传感器采用独立的DFB激光器作为光源，并将多个不同波长的传感信号通过光纤光波分复用分离器进行分离，使得每个传感频道的信号能够得到实时处理，具有易于扩展、应用广泛、成本低、易于安装及生产等特点，满足了远距离、大范围及对多种气体的实时监测的应用需要。
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I是一个DFB激光器的不意2是DFB激光器的输出光谱示意3-1是一个光纤光波分复用合成器的示意3-2是一个简化的光纤光波分复用合成器的不意4是一个光纤光波分复用合成器的光波长透过率示意图； 5是两个相邻频道入射光波的示意6是一个可扩展的激光气体传感器的示意7是一个可扩展的光纤气体传感网络的示意8是一个简化的可扩展的光纤气体传感网络的示意9是一个四频道光纤波分复用分离器的示意图 10是一个可扩展的实时光纤气体传感系统的示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。图I给出了一个带单模光纤尾纤的DFB激光器2的示意图。DFB激光器2的输出通过准直透镜输出准直激光束4。DFB激光器的输出频谱覆盖面很大。广泛应用于光纤通讯等领域的这类DFB激光器的输出光波长可以在光纤通讯C波段(约为1520-1570纳米的波长范围)或L波段(约为1570-1610纳米)的波长范围,输出光功率可达几瓦。其输出光波长还可以是1310纳米，1480纳米等。本发明中，DFB激光器2输出波长的选择取决于所要传感和测试的气体的中心吸收波长。DFB激光器2的输出光谱，如图2所示，DFB激光器2的输出光谱非常窄，光频率的FWHM可做到小于I兆赫。图3-1给出了一个光纤光波分复用合成器15的示意图，该光纤光波分复用合成器 15是由一个带通光滤波器7、一个光束准直透镜8、一个带单模光纤尾纤的输出端口 12、一个带单模光纤尾纤的输入端口 14和一个玻璃管10组成。玻璃细管10用来固定输入端口 14和输出端口的两根光纤，带通光滤波器7和光束准直透镜8以及玻璃细管10组装在一起。图3-2是简化的光纤光波分复用合成器15的示意图。一般在工业上，用某种对所需透射波长透明的胶粘合在一起，也可以采用光路上无胶的组装技术。光纤光波分复用合成器15的工作原理如下一束中心波长为λ i的准直激光束以垂直或接近垂直的角度入射进入光滤波器7，透过滤波器7后，经透镜8聚焦后进入输出端口 12的单模光纤后输出。一束中心波长为λ j的激光束由端口 14的经透镜8准直后，被光滤波器7反射，再经透镜8聚焦后进入输出端口 12的单模光纤后输出。因此，输出端口 12中有两束中心波长分别为λ 和的光波。要实现上述功能，关键需要两束光的中心波长λ i和λ j必须有一定的波长间距Λ λ (参见图5)。为了防止λ i和λ j两束光在经光纤光波分复用合成器15时造成相互影响，Δ λ要大于透射光频谱16的透射带宽。而光的中心波长和要根据所要传感测试的气体的中心吸收波长而定。通常，光纤光波分复用合成器15不会改变输入光的频谱，但光功率会有一定的损耗，一般应低于O. 5dB。利用光纤光波分复用合成器15可以方便地将多频道光信号耦合到单根光纤中。采用DFB激光器的输出作为传感器的光源和光纤光波分复用合成器可以方便地构建光纤传感网络及实现远距离的传感需求。图4给出了光纤光波分复用合成器15的透射光频谱16示意图。在该图中，中心透射波长为λ 。透射光频谱16的带宽的选择取决于各类不同的应用。如在光纤通讯中常用的有200GHz、IOOGHz和50GHz的密集光纤光波分复用合成器(DWDM)，两个频道的光频率间隔Af分别为200GHzUOOGHz和50GHz，或光波长间隔Λ λ (如图5所示)分别约为1.6 纳米、O. 8纳米和O. 4纳米。上述三种规格的器件的透射带宽分别为大约0. 4纳米，O. 2纳米和O. I纳米。对于透射带宽的要求也取决于所采用的DFB激光器输出光的波长稳定性和光频道的交叉影响。本发明中，传感器是基于气体对光的吸收，因此，DFB激光器输出光的波长的精确度和稳定性直接影响传感精度。对光纤光波分复用合成器15的透射光频谱和中心透射波长的选择也根据不同的应用要求。本发明中，透射光频谱16的中心波长主要是针对需要传感的气体的吸收中心波长而定，而透射带宽主要是考虑在构建光纤传感网络时和相邻传感器的透射频谱的相互影响。下面对本发明的各个组成部分分别进行说明图6给出了一个可扩展的激光气体传感器23的示意图。该激光气体传感器23包括一个DFB激光器2、一个气体取样室22 (假设气体取样室22中的待测气体的中心吸收波长为λ i)和一个光纤光波分复用合成器15。由DFB激光器2输出的准直光束4透过气体取样室22后,进入光纤光波分复用合成器15后由输出端口 12输出。输入端口 14是一个扩展端口，用来连接到下一个传感器。由于气体的吸收，输出端口 12输出的光束要比光束4的光要减弱，减弱的程度主要取决于气体的浓度。一般地，光束4的光功率被吸收的大小程度与气体的浓度成正比。在激光气体传感器23中，还会存在一些其他光损耗，如耦合损耗和插入损耗等。这些光损耗需要通过传感器的校准来补偿，以提高传感器的传感精确度。如果改变上述具有单光波长频道的气体传感器23输出光的中心光频率，即可形成一个新的激光气体传感器，可与激光传感器23构成具有两个和两个以上传感器的激光传感网络。下面以一个四个传感器的传感网络作进一步说明。图7给出了一个可扩展的具有四个传感器的光纤气体传感网络51的示意图。该光纤气体传感网络51包括四个输出中心波长为Ai，Aj, Ak和λ I的DFB激光器2、24、 34和44,分别对应四个气体取样室22、26、36和46中四种不同气体的吸收波长；四个光纤光波分复用合成器15、28、38和48分别具有透射中心波长为λ i、λ j\ Xk和λ ，光纤光波分复用合成器15的端口 14和光纤光波分复用合成器28的端口 30相连接；光纤光波分复用合成器28的端口 32和光纤光波分复用合成器38的端口 40相连接；光纤光波分复用合成器38的端口 42和光纤光波分复用合成器48的端口 49相连接。通过构建这样的传感网络，在输出端口 12处包括了中心光波长为Xi、Xj、Xk和λ I四个来自不同传感器的信号。上述各端口由于都是单模光纤，一般可通过电弧光焊接或通过光纤连接器连接。上述两种连接方法的连接光损耗一般约为O. IdB.光纤光波分复用合成器15、28、38和48的透射带宽要小于相邻两个激光中心波长的间隔。图中，端口 12和50分别是光纤气体传感网络51的输出端口和扩展端口。需要注意的是λ j、Ak和λ I的光由于多次反射,光功率的损耗要比λ i的光功率损耗大。所以，四个频道入射光的光功率的在传感网络51中的光功率损耗从小到大依次为λ i、λ j、Xk和λ I。这是制约可扩展的总的传感频道数的主要因素之一。为了便于说明，可以将图7的可扩展的四频道可扩展光纤传感网络51的简化成一个框图，如图8所示。为了使得可扩展光纤传感网络51能实现实时的传感监控，需要一个四频道的光纤波分复用分离器将中心光波长为λ i、λ j、Xk和λ I的四个光传感信号分开处理。图9给出了一个四频道光纤波分复用分离器54的示意图。该光纤波分复用分离器54包括一个输入端口 52、四个输出端口 56、58、60和62。该光纤波分复用分离器54的工作原理如下四个中心波长为λ i、λ j、Xk和λ I的光波输入到输入端口 52后,透过光纤波分复用分离器54后,上述四个光信号λ i、λ j\ Xk和λ I分别在输出端口 56、58、60 和62输出。标准的在光纤通讯中常用的光纤波分复用分离器有200GHz，IOOGHz和50GHz 的高密度光纤波分复用分离器。由于本发明涉及气体传感，气体的中心吸收波长决定了所需要的光纤光波分复用合成器15和光纤波分复用分离器54中的各个光频道的中心波长。 这是本发明中所用的光纤波分复用分离器和光纤光波分复用合成器和标准的在光纤通讯中常用的这类器件不同的地方。构建光纤波分复用分离器54的技术有多层介质膜和光波导等技术。下面对本发明的系统构成进行说明图10给出了一个可扩展实时光纤气体传感系统67的示意图。该可扩展实时光纤气体传感系统67包括可扩展气体传感网络51、光纤波分复用分离器54、光电接收系统64及其传感信号分析处理系统66组成。端口 50是系统67的扩展端口。可扩展气体传感网络51的输出端口 12连接到光纤波分复用分离器54的输入端口 52，由光纤波分复用分离器 54的输出端口输出的光信号通过耦合连接到光电接收系统64。传感信号分析处理系统66 可以根据可扩展气体传感网络中的传感器数量作调整，使得每个传感器的光信号能够得到单独处理。这样可扩展实时光纤气体传感系统67可以实现实时传感并能在不改变已有传感网络的情况下，进行一个或多个传感器的扩展或减少。需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种可扩展实时光纤气体传感系统，其特征在于包括一个可扩展光纤气体传感网络、一个光纤光波分复用分离器、一个光电接收系统和一个传感信号分析处理系统；所述的可扩展光纤气体传感网络的输出端口连接到光纤光波分复用分离器的输入端口 ；所述的光纤光波分复用分离器的输出端口连接到光电接收系统的输入端口 ；所述的光电接收系统的输出端口连接到传感信号分析处理系统。
2.根据权利要求I所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统，其特征在于所述的可扩展光纤气体传感网络、光纤光波分复用分离器和光电接收系统的输入端口和输出端口均为带单模光纤尾纤接口，并通过单模光纤的电弧融化焊接或光纤连接器连接。
3.根据权利要求I或2所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的可扩展电光传感网络包括一个或多个可扩展激光气体传感器。
4.根据权利要求3所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的可扩展激光气体传感器包括一个DFB激光器、一个气体取样室和一个光纤光波分复用合成器，所述的DFB激光器的输出中心波长与所需要传感测试的气体的光的吸收波长相同，其输出端口通过准直透镜耦合输出透过气体取样室进入光纤光波分复用合成器，并从光纤光波分复用合成器的输出端口输出。
5.根据权利要求4所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的光纤光波分复用合成器由一个多层介质膜光滤波片、一个准直透镜、一个玻璃管、一个带单模光纤尾纤的输出端口和一个带单模光纤尾纤的输入端口连接构成，透过多层介质膜光滤波片的准直光束被聚焦耦合到输出端口的单模光纤，从扩展端口的单模光纤输入的光束被准直透镜准直并被多层介质膜光滤波片的反射后，经准直透镜聚焦并耦合到输出端口的单模光纤上。
6.根据权利要求4所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的DFB 激光器输出光功率大于I毫瓦，其输出为窄带光谱，其FWHM的光谱范围小于100MHz。
7.根据权利要求4所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的气体取样室由金属材料、玻璃材料或塑料材料制成。
8.根据权利要求5所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统,其特征在于所述的多层介质膜光滤波片是一种带通光滤波器，或是一种光波导；所述的准直透镜是一种渐变折射率的光学透镜或是一种模压的C型透镜。
9.根据权利要求I所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统，其特征在于所述的光纤光波分复用分离器为可扩展光纤光波分复用分离器，该可扩展光纤光波分复用分离器包括一个输入端口和多个输出端口，其输出端口数与可扩展光纤气体传感网络中的传感器数量相同。
10.根据权利要求I所述的一种可扩展实时光纤气体传感系统，其特征在于所述的光纤光波分复用分离器的透射中心波长和所要传感测试的气体吸收中心波长相同；所述的光纤光波分复用分离器的透射频谱带宽小于相邻两个传感器的中心波长的间距；所述的光电接收系统的光波长响应范围与可扩展光纤气体传感网络中所使用的激光器波长范围相同。
全文摘要
本发明涉及一种可扩展实时光纤气体传感系统，其技术特点是包括一个可扩展光纤气体传感网络、一个光纤光波分复用分离器、一个光电接收系统和一个传感信号分析处理系统；所述的可扩展光纤气体传感网络的输出端口连接到光纤光波分复用分离器的输入端口；所述的光纤光波分复用分离器的输出端口连接到光电接收系统的输入端口；所述的光电接收系统的输出端口连接到传感信号分析处理系统。本发明设计合理，具有易于扩展、应用广泛、成本低、易于安装及生产等特点，满足了远距离、大范围及对多种气体的实时监测的应用需要。
文档编号G01N21/31GK102590120SQ20121005986
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者高培良 申请人:天津奇谱光电技术有限公司