CN102564999A - 一种气体传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体传感装置，包括气室、固定安装在气室上端的光纤准直器一和固定连接在气室外壳上的振动检测装置，气室下部侧壁上设有进口，气室上部侧壁上设有出口，光纤准直器一上端与传输光纤的一端相接，传输光纤另一端连接脉冲激光源，脉冲激光源还连接处理装置，处理装置包括频率发生器和处理单元，频率发生器与处理单元相接，频率发生器还与脉冲激光源相接，处理单元还连接锁定放大器，锁定放大器通过传输线与振动检测装置相接，传输光纤上设置有波长监测模块，波长监测模块通过导线与处理单元相接。本发明通过安装用于监测激光源发射激光波长变化的波长监测模块，从而保证了测试结果的准确度，且灵敏度高，成本低。
Description
技术领域
本发明一种气体浓度测试传感装置，尤其是涉及一种以光声光谱技术为核心的气体传感装置。
背景技术
气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。
在气体传感器中，利用光声光谱特性检测气态分析物浓度的检测方法已经为公众所周知，如美国专利No.4740086描述了在光激发气态分析物时用光声气体传感器把调幅光源的光能转换成声能的情况。当入射到气室的光能被待测气体吸收后，就生成强度对应于气室内待测气体浓度的声压力波，该声压力波被电容微音器检测。光声气体传感技术具有灵敏度高、气室所需体积小等一系列优点，得到了广泛研究和应用。
为了达到较高的测试精度并尽可能的降低激光源的成本，实际应用中通常情况下我们可以选择的激光源只有红外激光二极管和光纤激光器，后者发射激光的功率较高适于长距离、大范围的分布式或准分布式的光声光谱气体传感装置；前者发射的激光功率小只适于单点或小范围的准分布式光声光谱气体传感装置，但两者都有一个共同点是它们发射的激光的波长宽度较窄，红外激光二极管发出的激光的典型波长宽度是0.1nm，而光纤激光器会更窄一些，这就意味着要保证气体传感装置的基本测试精度，激光源发射的激光波长就必须准确的锁定到待测气体的吸收波长。然而，红外激光二极管和光纤激光器所发射的激光波长会随着红外激光二极管和光纤激光器的温度、驱动电流、气压等多种因素改变，所以，在实际应用中，不仅需要控制激光源的温度和驱动电流，还需要监测其所发出的激光的波长变化，以保证测试结果的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种气体传感装置，其通过安装用于监测激光源发射激光波长变化的波长监测模块，从而保证了测试结果的准确度，且具有结构简单、设计合理、灵敏度高和成本低的特点，同时具有推广应用价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种气体传感装置，包括用于接收待测气体的气室、固定安装在气室上端的光纤准直器一和固定连接在气室外壳上的振动检测装置，所述气室下部侧壁上设置有进口，所述气室上部侧壁上设置有出口，所述光纤准直器一上端与传输光纤的一端相接，所述传输光纤的另一端连接脉冲激光源，所述脉冲激光源还连接处理装置，所述处理装置包括用于控制脉冲激光源以一定频率发射激光的频率发生器和用于确定气体浓度的处理单元，所述频率发生器与处理单元相接，所述频率发生器还与脉冲激光源相接，所述处理单元还连接锁定放大器，所述锁定放大器通过传输线与振动检测装置相接，其特征在于：所述传输光纤上设置有波长监测模块，所述波长监测模块通过导线与处理单元相接。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块由1X2光纤耦合器、光纤光栅和光探测器组成，所述1X2光纤耦合器的1口通过传输光纤连接脉冲激光源，所述1X2光纤耦合器的2口中的一个端口通过传输光纤连接气室，所述1X2光纤耦合器的2口的另一端口与光纤光栅相接，所述光纤光栅还与光探测器相接，所述光探测器还与锁定放大器相接。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述1X2光纤耦合器的分光比为1∶99。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述光纤光栅为莫尔光纤光栅，所述莫尔光纤光栅的透射中心波长与待测气体的吸收波长相等。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块由1X2光纤耦合器、光纤准直器二以及光探测器和用于包含待测气体的密闭容器四部分组成，所述1X2光纤耦合器的1口通过传输光纤连接脉冲激光源，所述1X2光纤耦合器的2口中的一个端口通过传输光纤连接气室，所述1X2光纤耦合器的2口的另一端口与光纤准直器二相接，所述光纤准直器二还与密闭容器相接，所述密闭容器还与光探测器相接。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块由1X2光纤耦合器、光纤准直器二以及用于包含待测气体的密闭容器和螺旋缠绕在密闭容器外壁上的曲线型壳体，所述曲线型壳体内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一和多个变形齿二，所述变形齿一与变形齿二之间呈交错对应布设，所述变形齿一与变形齿二相平行且均与密闭容器的中心轴线平行，所述变形齿一与变形齿二之间穿设有信号光纤，所述信号光纤通过延长光纤连接测试单元，所述测试单元与锁定放大器相接。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤一端设置有光反射装置，所述信号光纤另一端与1X2光纤耦合器的1口连接，所述1X2光纤耦合器的2口与测试单元连接。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述光反射装置为反射镜或光纤光栅。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述脉冲激光源下方设置有加热/制冷器，所述加热/制冷器与处理单元之间连接有温度控制器。
上述的一种气体传感装置，其特征在于：所述气室上端设置有气室窗片，所述光纤准直器一下端设置有滤波片。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的气体感测装置，具有结构简单、设计合理、操作方法方便且使用方式灵活、灵敏度高等特点。
2、本发明的气体传感装置，通过采用波长监测模块监测脉冲激光源发出的激光波长变化，并反馈给处理单元控制使脉冲激光源发出的激光波长保持稳定，从而使脉冲激光源发出的激光波长对准待测气体的吸收波长，保证测试结果的准确性。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且具有成本低等优点，通过采用波长监测模块，保证了测试结果的准确性，使本发明的装置具有良好的使用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为实施例1中波长监测模块的结构示意图。
图3为实施例2的结构示意图。
图4为实施例3的结构示意图。
图5为实施例3中曲线型壳体的内部结构示意图。
附图标记说明：
1-延伸光纤； 2-振动检测装置； 3-传输线；
4-曲线型壳体； 4-1-变形齿一； 4-2-变形齿二；
5-测试单元； 6-信号光纤； 7-锁定放大器；
8-进口； 9-出口； 10-气室；
11-导线； 12-波长监测模块； 14-待测气体；
15-光探测器； 16-光纤光栅； 18-密闭容器；
20-气室窗片； 21-滤波片； 22-1光纤准直器一；
22-2-光纤准直器二； 23-传输光纤； 25-脉冲激光源；
30-加热/制冷器； 31-温度控制器； 40-频率发生器；
45-1x2光分路器； 50-处理单元。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的一种气体传感装置，包括用于接收待测气体14的气室10、固定安装在气室10上端的光纤准直器一22-1和固定连接在气室10外壳上的振动检测装置2，所述气室10下部侧壁上设置有进口8，所述气室10上部侧壁上设置有出口9，所述光纤准直器一22-1上端与传输光纤23的一端相接，所述传输光纤23的另一端连接脉冲激光源25，所述脉冲激光源25还连接处理装置，所述处理装置包括用于控制脉冲激光源25以一定频率发射激光的频率发生器40和用于确定气体浓度的处理单元50，所述频率发生器40与处理单元50相接，所述频率发生器40还与脉冲激光源25相接，所述处理单元50还连接锁定放大器7，所述锁定放大器7通过传输线3与振动检测装置2相接，所述传输光纤23上设置有波长监测模块12，所述波长监测模块12通过导线11与处理单元50相接。
本实施例中，如图2所示，所述波长监测模块12由1X2光纤耦合器45、光纤光栅16和光探测器15组成，所述1X2光纤耦合器45的1口通过传输光纤23连接脉冲激光源25，所述1X2光纤耦合器45的2口中的一个端口通过传输光纤23连接气室10，所述1X2光纤耦合器45的2口的另一端口与光纤光栅16相接，所述光纤光栅16还与光探测器15相接，所述光探测器15还与锁定放大器7相接。
所述脉冲激光源25下方设置有加热/制冷器30，所述加热/制冷器30与处理单元50之间连接有温度控制器31。所述气室10上端设置有气室窗片20，所述光纤准直器一22-1下端设置有滤波片21。
优选的，所述光纤光栅16为莫尔光纤光栅，所述莫尔光纤光栅的透射中心波长与待测气体14的吸收波长相等，当脉冲激光源25发射的激光波长漂移时，莫尔光纤光栅会阻挡或减少脉冲激光源25发射的激光穿过，使进入光探测器15上的激光功率减少，光探测器15将该信息通过导线11传递给处理单元50，处理单元50通过指令控制频率发生器40和温度控制器31来调整脉冲激光源25发射的激光波长，使脉冲激光源25发射的激光波长锁定在预设波长上，该预设波长就是待测气体14的吸收波长。
优选的，所述的光纤光栅16为布拉格光纤光栅，该布拉格光纤光栅的反射中心波长是待测气体14的吸收波长，当激光源25发射的激光波长漂移时，激光源25发射的激光会更多的穿过布拉格光纤光栅，使进入光探测器15上的激光功率增加，光探测器15将该信息通过导线11传递给处理单元50，处理单元50通过指令控制频率发生器40和温度控制器31来调整激光源25发射的激光波长锁定在预设波长上，该预设波长就是待测气体的吸收波长。
所述1X2光纤耦合器45的分光比为1∶99，其中光信号功率少的一路安置有光纤光栅16和光探测器15。
优选的，所述传输光纤23为外部包有多个保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等，也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
优选的，所述传输光纤23外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对传输光纤23的侵蚀，延长了传输光纤23的使用寿命。
实施例2
如图3所示，本实施例中，所述波长监测模块12由1X2光纤耦合器45、光纤准直器二22-2以及光探测器15和用于包含待测气体14的密闭容器18四部分组成，所述1X2光纤耦合器45的1口通过传输光纤23连接脉冲激光源25，所述1X2光纤耦合器45的2口中的一个端口通过传输光纤23连接气室10，所述1X2光纤耦合器45的2口的另一端口与光纤准直器二22-2相接，所述光纤准直器二22-2还与密闭容器18相接，所述密闭容器18还与光探测器15相接。
当脉冲激光源25发射的激光波长漂移时，密闭容器18中包含待测气体14会减少对激光源25发射的激光的吸收，使进入光探测器15上激光功率增加，光探测器15将该信息通过导线11传递给处理单元50，处理单元50通过指令控制频率发生器40和温度控制器31来调整激光源25发射的激光波长锁定在预设波长上，该预设波长就是待测气体的吸收波长。
优选的，所述的密闭容器18采用低温度膨胀系数的材料制作，如石英玻璃、低膨胀金属材料、陶瓷或其它复合材料。
实施例3
如图4和5所示，本实施例中，所述波长监测模块12由1X2光纤耦合器45、光纤准直器二22-2以及用于包含待测气体14的密闭容器18和螺旋缠绕在密闭容器18外壁上的曲线型壳体4，所述曲线型壳体4内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2，所述变形齿一4-1与变形齿二4-2之间呈交错对应布设，所述变形齿一4-1与变形齿二4-2相平行且均与密闭容器18的中心轴线平行，所述变形齿一4-1与变形齿二4-2之间穿设有信号光纤6，所述信号光纤6通过延长光纤1连接测试单元5，所述测试单元5与锁定放大器7相接。
当脉冲激光源25发射的激光波长漂移时，密闭容器18中包含待测气体14会减少对脉冲激光源25发射的激光的吸收，从而使作为传感装置的曲线型壳体4以及内部包含的信号光纤6的所采集的密闭容器18的振动信号振幅减少，测试单元5通过延长光纤1测得信号光纤6中传输的光信号功率的变化得到该信息，并通过导线11传递给处理单元50，处理单元50通过指令控制频率发生器40和温度控制器31来调整脉冲激光源25发射的激光波长锁定在预设波长上，该预设波长就是待测气体14的吸收波长。
优选的，所述的包含待测气体14的密闭容器18的共振频率远离气室10的共振频率，从而使密闭容器18工作在远离共振的状态中。
优选的，所述信号光纤6一端设置有光反射装置，所述信号光纤6另一端与1X2光纤耦合器45的1口连接，所述1X2光纤耦合器45的2口与测试单元5连接，所述光反射装置为反射镜或光纤光栅。
优选的，所述的密闭容器18采用低温度膨胀系数的材料制作，如石英玻璃、低膨胀金属材料、陶瓷或其它复合材料。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种气体传感装置，包括用于接收待测气体(14)的气室(10)、固定安装在气室(10)上端的光纤准直器一(22-1)和固定连接在气室(10)外壳上的振动检测装置(2)，所述气室(10)下部侧壁上设置有进口(8)，所述气室(10)上部侧壁上设置有出口(9)，所述光纤准直器一(22-1)上端与传输光纤(23)的一端相接，所述传输光纤(23)的另一端连接脉冲激光源(25)，所述脉冲激光源(25)还连接处理装置，所述处理装置包括用于控制脉冲激光源(25)以一定频率发射激光的频率发生器(40)和用于确定气体浓度的处理单元(50)，所述频率发生器(40)与处理单元(50)相接，所述频率发生器(40)还与脉冲激光源(25)相接，所述处理单元(50)还连接锁定放大器(7)，所述锁定放大器(7)通过传输线(3)与振动检测装置(2)相接，其特征在于：所述传输光纤(23)上设置有波长监测模块(12)，所述波长监测模块(12)通过导线(11)与处理单元(50)相接。
2.按照权利要求1所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块(12)由1X2光纤耦合器(45)、光纤光栅(16)和光探测器(15)组成，所述1X2光纤耦合器(45)的1口通过传输光纤(23)连接脉冲激光源(25)，所述1X2光纤耦合器(45)的2口中的一个端口通过传输光纤(23)连接气室(10)，所述1X2光纤耦合器(45)的2口的另一端口与光纤光栅(16)相接，所述光纤光栅(16)还与光探测器(15)相接，所述光探测器(15)还与锁定放大器(7)相接。
3.按照权利要求2所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述1X2光纤耦合器(45)的分光比为1∶99。
4.按照权利要求2所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述光纤光栅(16)为莫尔光纤光栅，所述莫尔光纤光栅的透射中心波长与待测气体(14)的吸收波长相等。
5.按照权利要求1所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块(12)由1X2光纤耦合器(45)、光纤准直器二(22-2)以及光探测器(15)和用于包含待测气体(14)的密闭容器(18)四部分组成，所述1X2光纤耦合器(45)的1口通过传输光纤(23)连接脉冲激光源(25)，所述1X2光纤耦合器(45)的2口中的一个端口通过传输光纤(23)连接气室(10)，所述1X2光纤耦合器(45)的2口的另一端口与光纤准直器二(22-2)相接，所述光纤准直器二(22-2)还与密闭容器(18)相接，所述密闭容器(18)还与光探测器(15)相接。
6.按照权利要求1所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述波长监测模块(12)由1X2光纤耦合器(45)、光纤准直器二(22-2)以及用于包含待测气体(14)的密闭容器(18)和螺旋缠绕在密闭容器(18)外壁上的曲线型壳体(4)，所述曲线型壳体(4)内侧相对的两个面上分别设置有多个变形齿一(4-1)和多个变形齿二(4-2)，所述变形齿一(4-1)与变形齿二(4-2)之间呈交错对应布设，所述变形齿一(4-1)与变形齿二(4-2)相平行且均与密闭容器(18)的中心轴线平行，所述变形齿一(4-1)与变形齿二(4-2)之间穿设有信号光纤(6)，所述信号光纤(6)通过延长光纤(1)连接测试单元(5)，所述测试单元(5)与锁定放大器(7)相接。
7.按照权利要求6所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述信号光纤(6)一端设置有光反射装置，所述信号光纤(6)另一端与1X2光纤耦合器(45)的1口连接，所述1X2光纤耦合器(45)的2口与测试单元(5)连接。
8.按照权利要求7所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述光反射装置为反射镜或光纤光栅。
9.按照权利要求1所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述脉冲激光源(25)下方设置有加热/制冷器(30)，所述加热/制冷器(30)与处理单元(50)之间连接有温度控制器(31)。
10.按照权利要求1所述的一种气体传感装置，其特征在于：所述气室(10)上端设置有气室窗片(20)，所述光纤准直器一(22-1)下端设置有滤波片(21)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |