CN108226094A - 气体浓度监测***、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种气体浓度监测***、方法及装置，涉及光纤传感领域。***包括激光产生装置、微控制器、光电探测装置及气体光纤传感装置。微控制器与光电探测装置电连接。气体光纤传感装置用于探测待测气体。激光产生装置用于输出信号光。信号光传输至气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从气体光纤传感装置输出并传输光电探测装置。光电探测装置用于将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将第一电信号发送给微控制器。微控制器用于基于所述第一电信号获得待测气体的浓度，通过气体光纤传感装置探测待测气体，实现待测气体高灵敏度地定量监测，且可长时间稳定运行、安全。

Description

气体浓度监测***、方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言，涉及一种气体浓度监测***、方法及装置。

背景技术

传统的气体现场监测技术手段有催化燃烧、电化学以及红外吸收光谱等。这些技术方法相关的传感器设备在监测现场带电运行，其本身即为构成火灾与***事故的诱因之一，属于非本质安全的技术手段。目前针对气体进行监测的方案，灵敏度低、安全性低等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体浓度监测***、方法及装置，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种气体浓度监测***，包括激光产生装置、微控制器、光电探测装置及气体光纤传感装置。所述微控制器与所述光电探测装置电连接。所述气体光纤传感装置用于探测待测气体。所述激光产生装置用于输出信号光。所述信号光传输至所述气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置输出并传输至所述光电探测装置。所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将所述第一电信号发送给所述微控制器。所述微控制器用于基于所述第一电信号获得所述待测气体的浓度。

进一步地，上述气体光纤传感装置包括至少两个光纤传感模块、至少一个延时器。所述至少两个光纤传感模块包括第一光纤传感模块和第二光纤传感模块。所述至少一个延时器包括第一延时器。所述第一光纤传感模块通过所述第一延时器与所述第二光纤传感模块连接。所述第一光纤传感模块用于探测第一监测点的所述待测气体。所述第二光纤传感模块用于探测第二监测点的所述待测气体。所述信号光传输至所述第一光纤传感模块内，一部分所述信号光被所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光被所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光纤传感模块输出并传输至所述光电探测装置，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器传输至所述第二光纤传感模块。一部分所述第二信号光被所述第二光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光依次被所述第二光纤传感模块内的待测气体、所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光纤传感模块输出并传输至所述光电探测装置。

进一步地，上述第一光纤传感模块包括第一光子晶体光纤和第一光纤光栅。所述第二光纤传感模块包括第二光子晶体光纤和第二光纤光栅。所述第一光子晶体光纤依次通过所述第一光纤光栅、所述第一延时器、所述第二光子晶体光纤与所述第二光纤光栅连接。所述信号光传输至所述第一光子晶体光纤内，一部分所述信号光被所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光传输至所述第一光纤光栅，被所述第一光纤光栅反射回所述第一光子晶体光纤内，被所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光子晶体光纤输出并传输至所述光电探测装置，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器传输至所述第二光子晶体光纤内。一部分所述第二信号光被所述第二光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光传输至所述第二光纤光栅，被所述第二光纤光栅反射回所述第二光子晶体光纤内及所述第一光子晶体光纤内，依次被所述第二光子晶体光纤内的待测气体、所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光子晶体光纤输出并传输至所述光电探测装置。

进一步地，上述***还包括环形器。所述环形器的第一端与所述激光产生装置连接，所述环形器的第二端与所述气体光纤传感装置连接，所述环形器的第三端与所述光电探测装置连接。所述信号光经过所述环形器传输至所述气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置输出再通过所述环形器传输至所述光电探测装置。

进一步地，上述激光产生装置还用于输出基准光。所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值。所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，并将所述基准光转化为第二电信号发送至所述微控制器。所述微控制器用于基于所述第一电信号和所述第二电信号获得所述待测气体的浓度。

进一步地，上述激光产生装置包括激光器以及分束器。所述激光器的输出端与所述分束器的输入端电连接，所述激光器输出的激光光束传输至所述分束器，经所述分束器分束为所述信号光及所述基准光输出。

进一步地，上述激光产生装置还包括光开关。所述光开关的第一端与所述激光器的输出端电连接，所述光开关的第二端与所述分束器的输入端耦合，所述光开关的第三端与所述微控制器电连接。所述光开关通过所述第三端从所述微控制器获得脉冲控制信号，并基于所述脉冲控制信号，周期性地处于打开状态或关闭状态，以使所述激光器输出的激光光束传输至所述分束器。

进一步地，上述***还包括显示模块。所述显示模块与所述微控制器电连接。所述显示模块用于显示所述待测气体的浓度。

第二方面，本发明实施例提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述的***，所述方法包括：根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量；基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

第三方面，本发明实施例提供了一种气体浓度监测装置，运行于上述的***中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括获取单元和处理单元。获取单元，用于根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量。处理单元，用于基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

本发明实施例提供了一种气体浓度监测***、方法及装置，包括激光产生装置、微控制器、光电探测装置及气体光纤传感装置。所述微控制器与所述光电探测装置电连接。所述气体光纤传感装置用于探测待测气体。所述激光产生装置用于输出信号光。所述信号光传输至所述气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置输出并传输至所述光电探测装置。所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将所述第一电信号发送给所述微控制器。所述微控制器用于处理所述第一电信号以得到所述待测气体的浓度，以此通过气体光纤传感装置探测待测气体，实现待测气体高灵敏度地定量监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的气体浓度监测***的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的气体浓度监测***的结构图；

图3为本发明第一实施例提供的气体浓度监测***中气体光纤传感装置的结构图；

图4为本发明第二实施例提供的气体浓度监测方法的流程图；

图5为本发明第二实施例提供的气体浓度监测方法中各个回波信号示意图；

图6为本发明第三实施例提供的气体浓度监测装置的结构框图。

图中：10-***；11-激光产生装置；111-激光器；112-分束器；113-光开关；114-激光器驱动电路；115-光参量振荡器；116-光纤耦合器；12-微控制器；13-光电探测装置；131-第一光电探测器；132-第二光电探测器；14-气体光纤传感装置；14a-探测光纤；141-第一光纤传感模块；141a-第一延时器；141b-第一光子晶体光纤；141c-第一光纤光栅；142-第二光纤传感模块；142a-第二光子晶体光纤；142b-第二光纤光栅；15-环形器；16-第一传导光纤；17-第二传导光纤；18-显示模块；19-数据采集电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“电连接”应做广义理解，例如，可以是固定电连接，也可以是可拆卸电连接，或一体地电连接；可以是机械电连接，也可以是电电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输出”、“经过”、“传输”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“输出”仅仅是指光信号或电信号通过该设备、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该气体浓度监测***内各设备、仪器及装置的工作原理、表现所述***中光信号及电信号的通行逻辑，只是明显区分了各设备、仪器及装置之间的相对位置关系，并不能构成对光路、电路方向及设备仪器大小、尺寸、形状的限定。

光纤由于其对外界环境变化的高灵敏度响应能力以及可实现分布式多点同时探测的特点，是当前被广泛采用的高性能传感光器件，且有巨大的应用潜力。当前，采用光纤对外界环境参数进行感知的应用实例主要集中在分布式温度监测、压力监测等领域。但是，发明人探索到当前的气体监测领域，大多数情况下，光纤仅仅作为光信号传输波导，气体的感知、检测发生在由反射镜构成的特殊光学结构中，其光纤本身并未参与到实质的气体探测之中。因此，光纤的高灵敏度以及分布式多点同时监测的优点在气体监测中并未得到充分发挥。目前尚缺乏针对气体进行高灵敏度检测的监测设备。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种气体浓度监测***、方法及装置，将光纤参与到气体探测中，能够有效地实现待测气体高灵敏度地的浓度监测。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种气体浓度监测***10，可以包括激光产生装置11、微控制器12、光电探测装置13及气体光纤传感装置14。所述微控制器12与所述光电探测装置13电连接。所述气体光纤传感装置14用于探测待测气体。所述激光产生装置11用于输出信号光。所述信号光传输至所述气体光纤传感装置14内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置14内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置14输出并传输至所述光电探测装置13。所述光电探测装置13用于将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将所述第一电信号发送给所述微控制器12。所述微控制器12用于基于所述第一电信号获得所述待测气体的浓度。

进一步地，激光产生装置11还用于输出基准光。请参阅图2，激光产生装置11可以包括激光器111以及分束器112。所述激光器111的输出端与所述分束器112的输入端电连接，所述激光器111输出的激光光束传输至所述分束器112，经所述分束器112可以分束为所述信号光及所述基准光输出。激光产生装置11输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值。其中，预设值为一个很小的值，接近于0。在本实施例中，信号光和基准光的光强均相等。相应地，光电探测装置13还用于接收所述激光产生装置11输出的基准光，并将所述基准光转化为第二电信号发送至所述微控制器12。所述微控制器12用于基于所述第一电信号和所述第二电信号获得所述待测气体的浓度。

需要说明的是，作为一种实施方式，所述基准光的光强可以预先设置并存储在微控制器12中，而此时激光产生装置11不需要输出基准光。例如，预先获知分束器112输出的信号光的光强为1mW时，可以在微控制器12中预先存储基准光的光强为1mW。当然，为了提高气体浓度监测***10的稳定性，激光产生装置11除了产生信号光以外，还需要产生基准光。

请参阅图2，为了实现激光器111输出的激光光束的脉冲调制，所述激光产生装置11还可以包括光开关113。所述光开关113的第一端与所述激光器111的输出端电连接，所述光开关113的第二端与所述分束器112的输入端耦合，所述光开关113的第三端与所述微控制器12电连接。所述光开关113通过所述第三端从所述微控制器12获得脉冲控制信号，并基于所述脉冲控制信号，周期性地处于打开状态或关闭状态，以使所述激光器111输出的激光光束传输至所述分束器112。具体地，当所述微控制器12的脉冲控制信号中的高电平到来时，控制光开关113打开，以允许激光光束传输至分束器112，经所述分束器112可以分束为所述信号光及所述基准光输出；当所述微控制器12的脉冲控制信号中的低电平到来时，控制光开关113关闭，以不允许激光光束通过。以此对激光光束具有高损耗抑制，实现对激光光束的脉冲调制。

请参阅图2，进一步地，为了提高气体浓度监测***10的实用性，所述激光产生装置11还可以包括激光器驱动电路114、光参量振荡器115、光纤耦合器116。所述激光器111的输入端通过所述激光器驱动电路114与微控制器12电连接，所述激光器111的输出端依次通过所述光参量振荡器115、光纤耦合器116与所述光开关113的第一端电连接。

微控制器12以一定时间T为周期向激光器驱动电路114发送阶梯状的周期数字信号。激光器驱动电路114将接收到的阶梯状的周期数字信号转化为以时间T为周期的模拟的锯齿波扫描电流信号，并将锯齿波扫描电流信号持续地发送到激光器111的输入端。例如，激光器111的输入端可以为激光器111的控制电流输入引脚，激光器驱动电路114将接收到的阶梯状的周期数字信号转化为以时间T为周期的模拟的锯齿波扫描电流信号，并将锯齿波扫描电流信号持续地注入到激光器111的控制电流输入引脚。激光器111在锯齿波扫描电流信号的控制下，周期性的持续输出波长由短到长的扫描激光光束，并将扫描激光光束传输至光参量振荡器115内，对光参量振荡器115进行连续泵浦，扫描激光光束的波长调谐范围得到进一步调制。在光参量振荡器115的作用下，扫描激光光束的波长扫描中心被调谐到待测气体对应的吸收波长，且扫描范围覆盖待测气体在待测气体对应的吸收波长附近的特征吸收峰，并将调谐后的扫描激光光束传输至光开关113。

例如，待测气体可以为，但不限于为一氧化碳。相应地，待测气体对应的吸收波长为2.3μm。

在本实施例中，激光器111可以为可调谐半导体激光器，如可调谐半导体DFB(Distributed Feedback Laser)激光器。采用可调谐半导体DFB(Distributed FeedbackLaser)激光器作为泵浦光源，对光参量振荡器115(OPO)进行连续泵浦，可以实现近红外、中红外多波段可调谐激光束，对具有不同特征吸收峰的气体具有广泛的适用性。

请参阅图3，气体光纤传感装置14可以包括至少两个光纤传感模块和至少一个延时器。所述气体光纤传感装置14还可以包括探测光纤14a。所述至少两个光纤传感模块和至少一个延时器均设置于所述探测光纤14a内。至少两个光纤传感模块依次排列分布于所述探测光纤14a内，且每相邻两个光纤传感器模块之间通过一个延时器连接，排列成气体光纤传感阵列。每个光纤传感器模块用于探测一个监测点的待测气体。光纤传感模块的个数可以根据实际需要而设置，相应地，延时器的个数为光纤传感模块的个数减1。例如，在气体浓度监测***10中，需要监测N个监测点的待测气体的浓度，至少两个光纤传感模块至少包括N个光纤传感模块，相应地，至少一个延时器至少包括N-1个延时器。

请参阅图3，至少两个光纤传感模块可以包括第一光纤传感模块141和第二光纤传感模块142。所述至少一个延时器可以包括第一延时器141a。所述第一光纤传感模块141通过所述第一延时器141a与所述第二光纤传感模块142连接。第一光纤传感模块141、第二光纤传感模块142和第一延时器141a均设置于所述探测光纤14a内。

所述第一光纤传感模块141用于探测第一监测点的所述待测气体。所述第二光纤传感模块142用于探测第二监测点的所述待测气体。

所述信号光传输至所述第一光纤传感模块141内，一部分所述信号光被所述第一光纤传感模块141内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光被所述第一光纤传感模块141内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光纤传感模块141输出并传输至所述光电探测装置13，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器141a传输至所述第二光纤传感模块142。

一部分所述第二信号光被所述第二光纤传感模块142内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光依次被所述第二光纤传感模块142内的待测气体、所述第一光纤传感模块141内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光纤传感模块141输出并传输至所述光电探测装置13。

进一步地，每个光纤传感模块可以包括光子晶体光纤和与所述光子晶体光纤连接的光纤光栅。采用光纤光栅-光子晶体光纤结构，取代了传统的吸收气室，使得整个***10集成化更高，性能也随之更加稳定，价格更加低廉。

作为一种具体的实施方式，光纤光栅可以为啁啾光纤光栅，在探测光纤14a中，通过飞秒激光器加工工艺实现光纤打孔与光栅的刻写，分别实现光子晶体光纤与啁啾光纤光栅的制作。

所述第一光纤传感模块141可以包括第一光子晶体光纤141b和第一光纤光栅141c。所述第二光纤传感模块142可以包括第二光子晶体光纤142a和第二光纤光栅142b。所述第一光子晶体光纤141b依次通过所述第一光纤光栅141c、所述第一延时器141a、所述第二光子晶体光纤142a与所述第二光纤光栅142b连接。

所述信号光传输至所述第一光子晶体光纤141b内，一部分所述信号光被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光传输至所述第一光纤光栅141c，被所述第一光纤光栅141c反射回所述第一光子晶体光纤141b内，被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出并传输至所述光电探测装置13，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器141a传输至所述第二光子晶体光纤142a内。

一部分所述第二信号光被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光传输至所述第二光纤光栅142b，被所述第二光纤光栅142b反射回所述第二光子晶体光纤142a内及所述第一光子晶体光纤141b内，依次被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体、所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出并传输至所述光电探测装置13。

进一步地，请参阅图2，***10还可以包括环形器15。所述环形器15的第一端与所述激光产生装置11连接，所述环形器15的第二端与所述气体光纤传感装置14连接，所述环形器15的第三端与所述光电探测装置13连接。所述信号光经过所述环形器15传输至所述气体光纤传感装置14内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置14内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置14输出再通过所述环形器15传输至所述光电探测装置13。进一步地，所述环形器15的第一端与所述分束器112的输出端连接，所述环形器15的第二端与所述气体光纤传感装置14的探测光纤14a连接。

请结合参阅图2和图3，在气体浓度监测***10中，需要监测N个监测点的待测气体的浓度，至少两个光纤传感模块至少包括N个光纤传感模块，分别为第一光纤传感模块141、第二光纤传感模块142……第N-1光纤传感模块和第N光纤传感模块。相应地，至少一个延时器至少包括N-1个延时器，分别为第一延时器141a、第二延时器……第N-1延时器。H表示孔，F1表示第N-1光纤传感模块，F2表示第N-1延时器，F3表示第N光纤传感模块。设调谐后的扫描激光光束经过分束器112分成信号光和基准光，信号光和基准光的光强相等，各占50％，信号光和基准光的光强均为I₀。所述***10还可以包括第一传导光纤16和第二传导光纤17。光强为I₀的基准光经过第一传导光纤16传输至光电探测装置13。光强为I₀的信号光传输至所述第一光子晶体光纤141b内，信号光包括一部分信号光和另一部分信号光，一部分所述信号光被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述信号光包括第一信号光和第二信号光，另一部分所述信号光的光强为I₁′，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光传输至所述第一光纤光栅141c，第一信号光的光强为I₁′r₁，被所述第一光纤光栅141c反射回所述第一光子晶体光纤141b内，被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出经过环形器15并传输至所述光电探测装置13，第二子信号光的光强为I₁，第二子信号光定义为第一回波信号；

所述第二信号光的光强为I₁′t₁，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器141a传输至所述第二光子晶体光纤142a内，一部分所述第二信号光被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光传输至所述第二光纤光栅142b，被所述第二光纤光栅142b反射回所述第二光子晶体光纤142a内及所述第一光子晶体光纤141b内，依次被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体、所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出经过所述环形器15引导入第二传导光纤17传输至所述光电探测装置13，第四子信号光的光强为I₂，第四子信号光定义为第二回波信号，……，依次类推，信号光能量衰减，另一部分所述第二信号光的光强为I₂′，对应衰减有光强为I′₂r₂的部分光，光强为I′₂t₂的部分光，到第N-1光纤传感模块，光强为I′_n-1、I′_n-1r_n-1、I′_n-1t_n-1的部分光，到第N光纤传感模块，光强为I′_n、I′_nr_n的部分光，第N回波信号即I′_n(n＝1,2,…N)，由于设置的延时器，各个回波信号即第一回波信号、第二回波信号、……、第N回波信号I′_n(n＝1,2,…N)在不同的时间传输至光电探测装置13。

气体光纤传感装置14以光纤为载体，形成线阵列分布于整根光纤之上，并随光纤分布于光纤的铺设路径之中，真正实现了气体多点分布式检测模式。采用光时域分析技术，一束激光脉冲可实现多个监测点同时检测，大大提高光源利用效率。

可以理解的是，光纤传感模块如第N光纤传感模块与第一光纤传感模块141、第二光纤传感模块142最主要的区别在于放置的监测点不同，光纤传感模块与第一光纤传感模块141、第二光纤传感模块142结构相同，涉及到的原理也一致，这里不再赘述。至少一个延时器如第N-1延时器与第一延时器141a最主要的区别在于放置的监测点不同，至少一个延时器与第一延时器141a的结构相同，涉及到的原理也一致，这里不再赘述。

光电探测装置13可以包括至少一个光电探测器。光电探测器可以为，但不限于红外光电探测器。至少一个光电探测器分别用于接收基准光和各个回波信号，将接收到的回波信号转化为第一电信号发送至微控制器12及将接收到的基准光转化为第二电信号发送至微控制器12。

至少一个光电探测器可以包括第一光电探测器131和第二光电探测器132。在气体浓度监测***10中，需要监测N个监测点的待测气体的浓度，第一电信号包括第一子信号、第二子信号、……、第N子信号。其中，第二光电探测器132用于接收基准光，并将接收到的基准光转化为第二电信号。第一光电探测器131用于在不同时间接收各个回波信号，并将接收到的各个回波信号对应转化为第一子信号、第二子信号、……、第N子信号。

进一步地，***10还可以包括显示模块18。所述显示模块18与所述微控制器12电连接。所述显示模块18用于显示所述待测气体的浓度。微控制器12经过处理第一子信号、第二子信号……第N子信号和第二电信号获得各个监测点的待测气体的浓度，再发给显示模块18以显示。例如，显示模块18可以显示各个监测点的一氧化碳的浓度。

进一步地，***10还可以包括数据采集电路19。数据采集电路19分别与微控制器12、光电探测装置13电连接。在微控制器12的控制下，数据采集电路19将光电探测装置13接收到的信号光、基准光转换为第一电信号和第二电信号，并发送到微控制器12。

此外，***10还可以包括报警模块，报警模块与微控制器12电连接。微控制器12还用于当得到的待测气体的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块；报警模块接收到所述报警指令后进行报警。其中，预设阈值可以根据待测气体的浓度阈值设置。例如，报警模块可以是语音报警或声光报警。

本发明实施例提供的气体浓度监测***10的工作原理如下：

需要监测N个监测点的待测气体的浓度，激光器111输出的激光光束经过分束器112分束为信号光和基准光，光强为I₀的基准光经过第一传导光纤16传输至第二光电探测器132。第二光电探测器132将接收到的基准光，经过数据采集电路19转换为第二电信号发送到微控制器12。

光强为I₀的信号光传输至所述第一光子晶体光纤141b内，信号光包括一部分信号光和另一部分信号光，一部分所述信号光被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述信号光包括第一信号光和第二信号光，另一部分所述信号光的光强为I₁′，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光传输至所述第一光纤光栅141c，第一信号光的光强为I₁′r₁，被所述第一光纤光栅141c反射回所述第一光子晶体光纤141b内，被所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出经过环形器15并传输至所述光电探测装置13，第二子信号光的光强为I₁，第二子信号光定义为第一回波信号；

所述第二信号光的光强为I₁′t₁，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器141a传输至所述第二光子晶体光纤142a内，一部分所述第二信号光被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光传输至所述第二光纤光栅142b，被所述第二光纤光栅142b反射回所述第二光子晶体光纤142a内及所述第一光子晶体光纤141b内，依次被所述第二光子晶体光纤142a内的待测气体、所述第一光子晶体光纤141b内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光子晶体光纤141b输出经过所述环形器15引导入第二传导光纤17传输至所述光电探测装置13，第四子信号光的光强为I₂，第四子信号光定义为第二回波信号；依次类推，由于设置的延时器，各个回波信号即第一回波信号、第二回波信号……第N回波信号在不同的时间传输至第一光电探测器131。

第一光电探测器131在不同时间接收各个回波信号，并将接收到的各个回波信号，经过数据采集电路19对应转化为第一子信号、第二子信号、……、第N子信号发送到微控制器12。

微控制器12经过处理第一子信号、第二子信号……第N子信号和第二电信号以得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置14内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量；基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置14内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。微控制器12还将至少一个监测点的待测气体的浓度发送给显示模块18显示。微控制器12还当得到的待测气体的浓度大于预设阈值时，发送报警指令至所述报警模块；报警模块接收到所述报警指令后进行报警，从而实现对各个监测点的待测气体进行高灵敏度定量分析、分布式多点同时监测，且具有可长时间稳定运行和本质安全的重要特征。

本发明实施例提供的一种气体浓度监测***10，通过气体光纤传感装置14探测待测气体，所述激光产生装置11输出信号光。信号光传输至所述气体光纤传感装置14内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置14内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置14输出并传输至所述光电探测装置13。所述光电探测装置13将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将所述第一电信号发送给所述微控制器12。所述微控制器12基于所述第一电信号获得所述待测气体的浓度。从而实现对各个监测点的待测气体进行高灵敏度定量分析、分布式多点同时监测，且具有可长时间稳定运行和本质安全的重要特征。

第二实施例

请参阅图4，本发明实施例提供了一种气体浓度监测方法，应用于上述第一实施例中的***10。所述方法包括：步骤S200和步骤S210。

步骤S200：根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量。

在气体浓度监测***10中，需要监测N个监测点的待测气体的浓度，第一电信号包括第一子信号、第二子信号……第N子信号。第一光电探测器131在不同时间接收各个回波信号，并将接收到的各个回波信号，经过数据采集电路19对应转化为第一子信号、第二子信号……第N子信号发送到微控制器12。第二光电探测器132接收基准光，并将接收到的基准光转化为第二电信号。

微控制器12经过处理第一子信号、第二子信号……第N子信号和第二电信号以得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置14内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量。

将获取到的基准光直接照射到第二光电探测器132而产生的第二电信号强度定义为I₀。

将获取到的基准光直接照射到第二光电探测器132而产生的第二电信号强度与所述至少一个回波信号中的第一回波信号照射到第一光电探测器131而产生的第一子信号强度的比值，定义为第一回波信号的能量值即I₁。可以理解的是，第一回波信号的能量值可以表征至少一个监测点中的第一监测点的待测气体对信号光的吸收量。将获取到的基准光直接照射到第二光电探测器132而产生的第二电信号强度与所述至少一个回波信号中的第二回波信号照射到第一光电探测器131而产生的第二子信号强度的比值，定义为第二回波信号的能量值即I₂。第二回波信号的能量值可以表征至少一个监测点中的第一监测点和第二监测点的待测气体对信号光的共同吸收量。……以此类推，将获取到的基准光直接照射到第二光电探测器132而产生的第二电信号强度与所述至少一个回波信号中的第N回波信号照射到第一光电探测器131而产生的第N子信号强度的比值，定义为第N回波信号的能量值即I_n。第N回波信号的能量值可以表征至少一个监测点中的第一监测点、第二监测点……和第N监测点的待测气体对信号光的共同吸收量。所述至少一个回波信号的能量值包括I_n(n＝1,2,…N)。以待测气体为一氧化碳为例，获取到的各个回波信号特征如图5所示。随着监测点的个数增加，各个监测点的待测气体对信号光的吸收，第一回波信号、第二回波信号……第N回波信号表现出依次衰减的特征。

步骤S210：基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

根据lambert-beer定律，所述预设的递推规则为公式(1)：

公式(1)中，I_n(n＝1,2,…N)为第n个回波信号的能量值，r_n(n＝1,2,…N)、K_n(n＝1,2,…N)、β_n(n＝1,2,…N)、t_n(n＝1,2,…N)均为预设常数，c_n(n＝1,2,……N)为第n个监测点的待测气体的浓度。

公式(1)等价为公式(2)。公式(2)反映出，各个监测点处的待测气体的浓度值与各个回波信号的能量值之间的关系，各预设常数可以由根据已知待测气体在各个监测点各浓度值及公式(1)，反过来计算求出。基于公式(2)，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

例如，N＝2，待测气体为一氧化碳，需要测量2个监测点的一氧化碳的浓度，根据获取到的第二电信号强度I₀及第一回波信号的能量值I₁，带入获得第一监测点的一氧化碳的浓度值c₁，再将获取到的第二回波信号的能量值带入I₂及第一监测点的一氧化碳的浓度值c₁，获得第二监测点的一氧化碳的浓度值c₂。

计算待测气体的浓度时，通过光谱分析算法，提取扫描光谱中的气体吸收特征峰，扣除由衰减因子而造成的光谱背景，从而实现提取只携带有待测气体浓度信息的吸收光谱，完成气体浓度的精确计算。应当说明，经过第n光纤光栅反射回来的脉冲激光束将在第n-1光纤光栅与第n光纤光栅之间来回反射，并有微弱能量透射通过第n-1光纤光栅、第n-2光纤光栅、……第1光纤光栅到达第一光电探测器的光敏面，并引起响应。但是此种信号与上述一次反射信号相比十分微弱，可以忽略不计，且此信号呈现出时域连续分布特征，易通过光谱背景拟合等算法扣除。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的气体浓度监测方法的具体工作过程，可以参考前述***实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种气体浓度监测方法，应用于上述的***，实现对各个监测点的待测气体进行高灵敏度定量分析、分布式多点同时监测，且具有可长时间稳定运行和本质安全的重要特征。

第三实施例

请参阅图6，本发明实施例提供了一种气体浓度监测装置300，运行于所述的***中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括获取单元310和处理单元320。

获取单元310，用于根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的一个监测点的待测气体对信号光的吸收量。

处理单元320，用于基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

以上各单元可以是由软件代码实现，此时，上述的各单元可存储于微控制器12中所包括的存储器内。以上各单元同样可以由硬件例如集成电路芯片实现。

本发明实施例提供的气体浓度监测装置300，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体浓度监测***，其特征在于，包括激光产生装置、微控制器、光电探测装置及气体光纤传感装置，所述微控制器与所述光电探测装置电连接，所述气体光纤传感装置用于探测待测气体；

所述激光产生装置用于输出信号光；

所述信号光传输至所述气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置输出并传输至所述光电探测装置；

所述光电探测装置用于将接收到的所述信号光转化为第一电信号并将所述第一电信号发送给所述微控制器；

所述微控制器用于基于所述第一电信号获得所述待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述气体光纤传感装置包括至少两个光纤传感模块、至少一个延时器，所述至少两个光纤传感模块包括第一光纤传感模块和第二光纤传感模块，所述至少一个延时器包括第一延时器，所述第一光纤传感模块通过所述第一延时器与所述第二光纤传感模块连接；

所述第一光纤传感模块用于探测第一监测点的所述待测气体；

所述第二光纤传感模块用于探测第二监测点的所述待测气体；

所述信号光传输至所述第一光纤传感模块内，一部分所述信号光被所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光被所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光纤传感模块输出并传输至所述光电探测装置，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器传输至所述第二光纤传感模块；

一部分所述第二信号光被所述第二光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光依次被所述第二光纤传感模块内的待测气体、所述第一光纤传感模块内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光纤传感模块输出并传输至所述光电探测装置。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述第一光纤传感模块包括第一光子晶体光纤和第一光纤光栅，所述第二光纤传感模块包括第二光子晶体光纤和第二光纤光栅，所述第一光子晶体光纤依次通过所述第一光纤光栅、所述第一延时器、所述第二光子晶体光纤与所述第二光纤光栅连接；

所述信号光传输至所述第一光子晶体光纤内，一部分所述信号光被所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述信号光中的第一信号光中的第一子信号光传输至所述第一光纤光栅，被所述第一光纤光栅反射回所述第一光子晶体光纤内，被所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，所述第一信号光中的第二子信号光从所述第一光子晶体光纤输出并传输至所述光电探测装置，另一部分所述信号光中的第二信号光通过所述第一延时器传输至所述第二光子晶体光纤内；

一部分所述第二信号光被所述第二光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第三子信号光传输至所述第二光纤光栅，被所述第二光纤光栅反射回所述第二光子晶体光纤内及所述第一光子晶体光纤内，依次被所述第二光子晶体光纤内的待测气体、所述第一光子晶体光纤内的待测气体吸收，另一部分所述第二信号光中的第四子信号光从所述第一光子晶体光纤输出并传输至所述光电探测装置。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括环形器，所述环形器的第一端与所述激光产生装置连接，所述环形器的第二端与所述气体光纤传感装置连接，所述环形器的第三端与所述光电探测装置连接；

所述信号光经过所述环形器传输至所述气体光纤传感装置内，一部分所述信号光被所述气体光纤传感装置内的待测气体吸收，另一部分所述信号光从所述气体光纤传感装置输出再通过所述环形器传输至所述光电探测装置。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述激光产生装置还用于输出基准光，所述激光产生装置输出的所述信号光与所述基准光的光强之间的差值的绝对值小于预设值；

所述光电探测装置还用于接收所述激光产生装置输出的基准光，并将所述基准光转化为第二电信号发送至所述微控制器；

所述微控制器用于基于所述第一电信号和所述第二电信号获得所述待测气体的浓度。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述激光产生装置包括激光器以及分束器，所述激光器的输出端与所述分束器的输入端电连接，所述激光器输出的激光光束传输至所述分束器，经所述分束器分束为所述信号光及所述基准光输出。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述激光产生装置还包括光开关，所述光开关的第一端与所述激光器的输出端电连接，所述光开关的第二端与所述分束器的输入端耦合，所述光开关的第三端与所述微控制器电连接，所述光开关通过所述第三端从所述微控制器获得脉冲控制信号，并基于所述脉冲控制信号，周期性地处于打开状态或关闭状态，以使所述激光器输出的激光光束传输至所述分束器。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括显示模块，所述显示模块与所述微控制器电连接，所述显示模块用于显示所述待测气体的浓度。

9.一种气体浓度监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8任一项所述的***，所述方法包括：

根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量；

基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。

10.一种气体浓度监测装置，其特征在于，运行于如权利要求1-8任一项所述的***中的微控制器，所述气体浓度监测装置包括：

获取单元，用于根据获取到的第一电信号得到至少一个回波信号的能量值，其中，每个所述回波信号的能量值对应于所述气体光纤传感装置内的至少一个监测点的待测气体对信号光的吸收量；

处理单元，用于基于所述至少一个回波信号的能量值及预设的递推规则，获得所述气体光纤传感装置内至少一个监测点的所述待测气体的浓度。