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一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，屬光纖氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。包括泵浦光源、波分復(fù)用器、計算機(jī)等，其中波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出耦合鏡的氣室、可調(diào)諧濾波器、光纖耦合器共同構(gòu)成光纖激光器的環(huán)形腔。石英音叉放置于氣室內(nèi)的合適位置，用于探測光纖激光器腔內(nèi)激光激發(fā)氣體產(chǎn)生的聲波信號；石英音叉探測到的信號由鎖相放大器進(jìn)一步提取，并通過數(shù)據(jù)采集卡獲取傳輸給計算機(jī)，做氣體濃度反演后獲取氣體濃度信息。結(jié)合了光纖激光技術(shù)與光聲光譜氣體檢測技術(shù)，本發(fā)明系統(tǒng)具有高靈敏度、高性價比、成本非常低等特點(diǎn)。
【專利說明】一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，即涉及一種內(nèi)腔式的、基于光聲光譜氣體檢測技術(shù)的氣體檢測系統(tǒng)，屬光纖氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往需要對某些氣體進(jìn)行定性甚至定量分析以確保生產(chǎn)安全。而針對一些痕量氣體則需要高靈敏度的氣體檢測裝置，目前，常用氣體檢測方法主要有電化學(xué)法、紅外光譜法以及氣相色譜法等，其中紅外光譜法一直備受關(guān)注，其關(guān)鍵技術(shù)有直接光譜吸收技術(shù)、差分吸收技術(shù)、基于波長掃描的差分吸收技術(shù)、諧波檢測技術(shù)、內(nèi)腔式光譜吸收技術(shù)以及光聲光譜技術(shù)。傳統(tǒng)的吸收技術(shù)由于氣體有效吸收光程有限，所以其檢測靈敏度不會很高；內(nèi)腔式光譜吸收技術(shù)將氣室置于光纖激光器諧振腔內(nèi)，利用激光往返振蕩大大增加氣體有效吸收光程，但該技術(shù)仍依賴波長掃描技術(shù)，需在強(qiáng)背景噪聲中提取極微弱的有效信號，使得提高探測靈敏度受到一定的限制；光聲光譜檢測技術(shù)直接測量氣體吸收的光能，可以探測極微弱的吸收，具有較高靈敏度，但現(xiàn)有研究均是基于成品激光器耦合輸出的激光作為激發(fā)光源，稱合過程損耗很大一部分光能。
[0003]《中國激光》，2009年，36卷9期，2384-2387頁，作者為賈大功、劉琨、井文才、汪謊、張紅霞、張以謨，題為《基于環(huán)腔光纖激光器的氣體檢測方法》的文章提出一種基于光纖激光器內(nèi)腔設(shè)計的氣體檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用波長掃描技術(shù)使光纖激光器輸出波長覆蓋多個氣體吸收峰，通過對多吸收峰反演濃度取平均值的方法得出對應(yīng)氣體濃度，該方法相對于利用單個吸收峰來說在檢測靈敏度和精度上都有所提升，然而基于波長掃描技術(shù)的直接光譜吸收本身就存在靈敏度低的缺陷，而且傳統(tǒng)氣室為能增加有效吸收光程其尺寸一般不會做太小，這將使得在未來形成產(chǎn)品時存在體積大的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明系統(tǒng)由以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括泵浦光源、波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、氣室、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡、石英音叉、可調(diào)諧濾波器、光纖稱合器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、鎖相放大器、計算機(jī)，其特征在于泵浦光源輸出端接波分復(fù)用器對應(yīng)輸入端，波分復(fù)用器復(fù)合端接稀土摻雜光纖的一端，稀土摻雜光纖的另一端接光隔離器輸入端；輸入I禹合鏡與輸出I禹合鏡的光軸對準(zhǔn)分別放置于氣室內(nèi)的前后端，光隔離器輸出端接氣室內(nèi)放置的輸入耦合鏡，輸出耦合鏡接可調(diào)諧濾波器的輸入端，可調(diào)諧濾波器的輸出端接光纖I禹合器的輸入端，光纖I禹合器分光比為90%的一輸出端接波分復(fù)用器對應(yīng)的另一輸入端，光纖稱合器分光比為10%的一輸出端接光電探測器的光輸入端；光電探測器信號輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端A ;石英音叉置于氣室內(nèi)的輸入耦合鏡和輸出耦合鏡之間，石英音叉的信號輸出端接鎖相放大器信號輸入端，鎖相放大器的參考信號輸入端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端B，鎖相放大器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端B ;數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端A接可調(diào)諧濾波器的控制輸入端；數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端口通過數(shù)據(jù)線連接至計算機(jī)；
[0007]所述波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出稱合鏡的氣室、可調(diào)諧濾波器、光纖稱合器共同構(gòu)成光纖激光器的環(huán)形腔。
[0008]所述泵浦光源為半導(dǎo)體激光器。
[0009]所述的稀土摻雜光纖為摻鉺光纖或摻鐿光纖或摻銩光纖或鉺鐿共摻光纖。
[0010]所述石英音叉為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
[0011 ] 所述的光電探測器為銦鎵砷光電探測器。
[0012]所述的波分復(fù)用器、光隔離器、光纖稱合器、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡均為普通商用光纖傳感和光通訊器件。
[0013]所述的用于探測光聲信號的石英音叉位于光纖激光器環(huán)形腔內(nèi)部，光聲信號產(chǎn)生于光纖激光器腔內(nèi)；且光纖激光器腔內(nèi)光強(qiáng)比激光器輸出光強(qiáng)大，因此腔內(nèi)產(chǎn)生的光聲信號較輸出激光在腔外可激發(fā)的光聲信號強(qiáng)。
[0014]所述可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧范圍較大，可覆蓋多個氣體吸收譜線。
[0015]所述氣室可做到很小，需要待測氣體樣本很少。
[0016]本系統(tǒng)工作時，波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入耦合鏡的氣室、可調(diào)諧濾波器、光纖耦合器構(gòu)成光纖激光器的環(huán)形腔；數(shù)據(jù)采集卡輸出低頻鋸齒波和一定頻率的正弦波疊加信號作為可調(diào)諧濾波器的驅(qū)動信號，受驅(qū)動的可調(diào)諧濾波器作為激光器選頻器件，激光器腔內(nèi)形成波長連續(xù)的窄帶激光；腔內(nèi)激光經(jīng)過輸入耦合鏡耦合進(jìn)入氣室，并通過石英音叉叉股間的縫隙傳輸至輸出耦合鏡，由該輸出耦合鏡耦合傳輸至可調(diào)諧濾波器輸入端；光纖激光器形成的穩(wěn)定激光絕大部分經(jīng)光纖耦合器分光比為90%的輸出端返回環(huán)形腔參與振蕩，另一少部分激光由光纖I禹合器分光比為10%的輸出端輸出至光電探測器，又經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集，作為激光輸出檢測、歸一化參考之用；氣室內(nèi)裝有待測氣體，經(jīng)過石英音叉叉股間的激光激發(fā)光聲效應(yīng)，石英音叉探測所產(chǎn)生的聲波信號，并將信號傳輸至鎖相放大器進(jìn)行諧波檢測；數(shù)據(jù)采集卡將獲得的數(shù)據(jù)及必要參考數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，做進(jìn)一步的反演計算，得出相應(yīng)氣體濃度。由于可調(diào)諧濾波器的波長調(diào)諧范圍可以做至幾十納米，可以覆蓋多種氣體吸收譜線，所以該系統(tǒng)可以同時檢測多種氣體濃度。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0018]首先，將氣室置于光纖激光器內(nèi)部充分利用了一個激光器所能產(chǎn)生的激光能量，而且可以提高檢測信號強(qiáng)度；其次，將具有極高檢測靈敏度的光聲光譜氣體檢測技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)腔式氣體檢測系統(tǒng)中，進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的檢測靈敏度；第三，可調(diào)諧濾波器的波長調(diào)諧范圍比較寬，可覆蓋多種氣體吸收譜線，進(jìn)行多氣體檢測；第四，基于石英音叉的光聲光譜檢測技術(shù)需要極少量的樣品氣體；第五，系統(tǒng)的構(gòu)成組件多數(shù)為光纖傳感和光通訊常用器件，其成本非常低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明涉及的氣體檢測系統(tǒng)的示意圖。[0020]其中:1、泵浦光源，2、波分復(fù)用器，3、稀土摻雜光纖，4、光隔離器，5、氣室，6、石英音叉，7、可調(diào)諧濾波器，8、光纖耦合器，9、光電探測器，10、數(shù)據(jù)采集卡，U、鎖相放大器，12、計算機(jī)，13、輸入f禹合鏡，14、輸出f禹合鏡。
[0021]具體實施方法
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0023]實施例1:
[0024]如圖1所示，一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括泵浦光源1、波分復(fù)用器2、稀土摻雜光纖3、光隔離器4、氣室5、輸入稱合鏡13、輸出稱合鏡14、石英音叉6、可調(diào)諧濾波器7、光纖耦合器8、光電探測器9、數(shù)據(jù)采集卡10、鎖相放大器11、計算機(jī)12，其特征在于泵浦光源I輸出端接波分復(fù)用器2對應(yīng)輸入端，波分復(fù)用器2復(fù)合端接稀土摻雜光纖3的一端,稀土摻雜光纖3的另一端接光隔離器4輸入端,光隔離器4輸出端接氣室5內(nèi)放置的輸入耦合鏡13，輸入耦合鏡13與輸出耦合鏡14的光軸對準(zhǔn)分別放置于氣室5內(nèi)的前后端；輸出耦合鏡14接可調(diào)諧濾波器7的輸入端，可調(diào)諧濾波器7的輸出端接光纖耦合器8的輸入端,光纖稱合器8分光比為90%的一輸出端接波分復(fù)用器2對應(yīng)的另一輸入端，光纖稱合器8分光比為10%的一輸出端接光電探測器9的光輸入端；光電探測器9信號輸出端接數(shù)據(jù)米集卡10的模擬輸入端A ;石英音叉6置于氣室內(nèi)的輸入f禹合鏡13和輸出耦合鏡14之間，石英音叉6的信號輸出端接鎖相放大器11信號輸入端，鎖相放大器11的參考信號輸入端接數(shù)據(jù)采集卡10的模擬輸出端B，鎖相放大器11的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡10的模擬輸入端B ;數(shù)據(jù)采集卡10的模擬輸出端A接可調(diào)諧濾波器7的控制輸入端；數(shù)據(jù)采集卡10的信號輸入端口通過數(shù)據(jù)線連接至計算機(jī)12 ；
[0025]所述波分復(fù)用器2、稀土摻雜光纖3、光隔離器4、置入輸入、輸出稱合鏡13、14的氣室5、可調(diào)諧濾波器7、光纖耦合器8共同構(gòu)成光纖激光器的環(huán)形腔。
[0026]所述泵浦光源I為半導(dǎo)體激光器。
[0027]所述的稀土摻雜光纖3為摻鉺光纖。
[0028]所述石英音叉6為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
[0029]所述的光電探測器9為銦鎵砷光電探測器。
[0030]實施例2:
[0031]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為摻鐿光纖。
[0032]實施例3:
[0033]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為摻錢光纖。
[0034]實施例4:
[0035]和實施例1相同，只是所述的稀土摻雜光纖3為鉺鐿共摻光纖。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括泵浦光源、波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、氣室、輸入稱合鏡、輸出稱合鏡、石英音叉、可調(diào)諧濾波器、光纖稱合器、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡、鎖相放大器、計算機(jī)，其特征在于泵浦光源輸出端接波分復(fù)用器對應(yīng)輸入端，波分復(fù)用器復(fù)合端接稀土摻雜光纖的一端，稀土摻雜光纖的另一端接光隔離器輸入端；輸入I禹合鏡與輸出I禹合鏡的光軸對準(zhǔn)分別放置于氣室內(nèi)的前后端；光隔離器輸出端接氣室內(nèi)放置的輸入耦合鏡，輸出耦合鏡接可調(diào)諧濾波器的輸入端，可調(diào)諧濾波器的輸出端接光纖耦合器的輸入端，光纖耦合器分光比為90%的一輸出端接波分復(fù)用器對應(yīng)的另一輸入端，光纖稱合器分光比為10%的一輸出端接光電探測器的光輸入端；光電探測器信號輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端A ;石英音叉置于氣室內(nèi)的輸入耦合鏡和輸出耦合鏡之間，石英音叉的信號輸出端接鎖相放大器信號輸入端，鎖相放大器的參考信號輸入端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端B，鎖相放大器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端B ;數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端A接可調(diào)諧濾波器的控制輸入端；數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端口通過數(shù)據(jù)線連接至計算機(jī)； 所述波分復(fù)用器、稀土摻雜光纖、光隔離器、置入輸入、輸出耦合鏡的氣室、可調(diào)諧濾波器、光纖稱合器共同構(gòu)成光纖激光器的環(huán)形腔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述泵浦光源為半導(dǎo)體激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的稀土摻雜光纖為摻鉺光纖或摻鐿光纖或摻銩光纖或鉺鐿共摻光纖。
4.如權(quán)利要求1所述的一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述石英音叉為32.768KHz脫去真空殼的柱形晶振。
5.如權(quán)利要求1所述的一種光纖激光器腔內(nèi)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的光電探測器為銦鎵砷光電探測器。
【文檔編號】G01N21/17GK103472002SQ201310452175
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】常軍, 劉永寧, 王強(qiáng), 王福鵬, 魏巍, 田長彬 申請人:山東大學(xué)