CN1793850A - 基于环形光纤激光器的气体浓度检测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于环形光纤激光器腔内倏逝波吸收的气体浓度测量方法及设备。目前还没有人提出一种高精度的可以同时测量不同气体的浓度的有效方法。本发明是采用拉锥光纤，基于光纤激光器腔内倏逝波吸收利用激光器谐振来增大有效作用长度并由此提高测量精度，并基于可调谐滤波器实现对不同气体(对应不同吸收峰)的浓度测量。本发明具有测量精度高、适合集成传感网络、抗电磁干扰能力强和结构紧凑等优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于环形光纤激光器腔内倏逝波吸收的气体浓度检测方法及设备。
背景技术
随着人类文明的进步，大气资源及各种气体成为人们的关注点。一方面，大气污染已经成为人们最为关注的问题之一，迫切需要对工业、交通运输业中产生的各种有害、有毒、易燃、易爆的气体的有效监控；另一方面，在利用各种气体的时候，比如各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用或是航天工业中用到的气体***，对各种气体的浓度检测是不可缺少的。
光纤气体传感器由于其多方面的优点(结构紧凑、跟光纤网络易于做成***、抗电磁干扰)日益受到人们的重视。因此，近二十年来光纤传感器在气体传感方面涌现出很多应用方案，如利用Lambert-Beer定律的光纤光谱吸收法以及在此原理上改进的腔内吸收法。上述方法往往需要利用几何光学的方法增加光在待测气体中的行程或采用非光纤兼容的装置以提高测量精度，这对传感器集成和封装非常不利。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种易于集成和封装的基于环形光纤激光器腔内倏逝波吸收的气体浓度检测方法及设备。
本发明的方法包括以下步骤：
(1)将普通单模光纤加热拉伸，得到一段横截面直径D为1～3微米、长度L为5～15厘米的拉锥光纤；将拉锥光纤安装在气室内，拉锥光纤的两端留在外面。
(2)根据待测气体的光谱吸收峰，选用组成环形光纤激光器的光纤放大器、可调谐滤波器、隔离器、耦合器、光探测器，光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽至少覆盖待测气体的一个吸收峰，耦合器耦合比范围为99∶1～999∶1，耦合器小分量的耦合臂作为激光输出端。
(3)在光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽覆盖待测气体的一个吸收峰时，开启光纤放大器，调节可调谐滤波器，使得激光输出波长落在待测气体的吸收峰上。光纤激光器工作时，信号光在谐振腔内来回震荡，经过拉锥光纤时，倏逝波拖尾暴露在待测气体中，由于信号光波长正好落在气体吸收峰上，光能量被待测气体吸收损耗，损耗方程满足Lambert-Beer定律：
I＝I0exp(-arnL)，(1)
其中，I为出射光光强，I0为入射光光强，a为气体吸收系数，r为倏逝波拖尾占总光能比例，n为气体浓度，L为信号光在待测气体中经过的有效光程。从公式(1)可以看出，激光器腔内损耗系数与气体浓度成线性关系。由于激光器出光功率与激光器腔损有关，因此光功率大小反映了气体浓度大小。
(4)在气室中充入不同已知浓度的待测气体样本，检测对应的激光输出强度，确定浓度与激光输出强度关系；考虑到测量的为低浓度气体，可以认为气体浓度与输出光功率的呈线性关系。利用标准浓度的气体样本，测出各个气体浓度对应的输出激光功率，对测得的数据进行线性拟合，得到线性关系：
I＝An+B，(2)
其中，I为激光输出功率，n为气体浓度。根据公式(2)，由光探测器测到的激光光功率可得到对应气体浓度。
(5)将需要检测浓度的待测气体充入气室，根据步骤(4)定标结果，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度。
所述的光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽也可以覆盖待测气体的多个吸收峰时，按照步骤(4)确定对应每个吸收峰的待测气体浓度与激光输出强度关系，再将需要检测浓度的待测气体充入气室，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度，可以得到更加精确的结果。
实现上述方案的设备包括光纤放大器、可调谐滤波器、隔离器、耦合器、安装在气室中的拉锥光纤、光探测器。光纤放大器的输出端与可调滤波器的一端光连接，可调滤波器的另一端和安装在气室内的拉锥光纤的一端光连接。拉锥光纤的另一端与隔离器的输入端光连接，隔离器的输出端与耦合器的输入端光连接，耦合器大分量的耦合臂与光纤放大器的输入端光连接。至此光纤放大器、可调滤波器、拉锥光纤、隔离器、耦合器构成环形光纤激光器，耦合器小分量的耦合臂作为激光器输出端与光探测器光连接。
本发明主要适用于在光通信波段有光谱吸收峰的低浓度(体积比1～5％)气体的高精度测量。本发明采用了光纤兼容的设备，结构紧凑，易于集成，可以做远程传感；应用了拉锥光纤，使得倏逝波与气体的横横截面交叠面积尽可能大，有利于提高传感精度；采用激光器腔内吸收，极大的增加了有效吸收长度，提高了传感精度；在激光器中采用波长调谐技术，可以测量同一气体的不同吸收峰，有利于提高精度，也可以测量不同气体的浓度。同时，本发明还兼具有抗电磁干扰能力强等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
如图1和2所示，光纤放大器5的输出端与可调滤波器4的一端光连接，可调滤波器4的另一端和安装在气室2内的拉锥光纤3的一端光连接，拉锥光纤3的另一端与隔离器1的输入端光连接，隔离器1的输出端与耦合器7的输入端光连接，耦合器1大分量的耦合臂与光纤放大器的输入端光连接，至此光纤放大器5、可调滤波器4、拉锥光纤3、隔离器1、耦合器7构成环形光纤激光器。耦合器1小分量的耦合臂作为激光器输出端与光探测器6光连接。拉锥光纤的直径为2微米、长度为10厘米。
待测气体为二氧化碳，对应的一个光谱吸收峰为1.538微米，选用掺铒光纤放大器(增益带宽为1.525～1.58微米)、调谐带宽为1.525～1.58微米的可调谐滤波器和工作带宽为1.5～1.6微米的隔离器、耦合器、光探测器组成二氧化碳浓度检测设备。
首先在实验室中对二氧化碳浓度检测设备进行定标。打开光纤放大器，光纤激光器开始出光，调节滤波器使得激光输出波长落在待测气体的1.538微米吸收峰上。在气室中充入各种标准浓度的气体，记录光探测器测得的对应激光功率。对测得的数据进行线性拟合，得到公式(2)中的系数A和B，确定激光输出功率与气体浓度的对应关系曲线。至此定标完成。
将检测装置安装在矿山、隧道、煤气站等测量场所，将外界气体充入气室，用光探测器测出光功率值，利用上述拟合定标的公式(2)得到被测气体的气体浓度。
Claims (3)
1、基于环形光纤激光器的气体浓度检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)将普通单模光纤加热拉伸，得到一段横截面直径D为1～3微米、长度L为5～15厘米的拉锥光纤；将拉锥光纤安装在气室内，拉锥光纤的两端留在外面；
(2)根据待测气体的光谱吸收峰，选用组成环形光纤激光器的光纤放大器、可调谐滤波器、隔离器、耦合器、光探测器，光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽至少覆盖待测气体的一个吸收峰，耦合器小分量的耦合臂作为激光输出端；
(3)在光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽覆盖待测气体的一个吸收峰时，调节可调谐滤波器，使得激光输出波长落在待测气体的吸收峰上；
(4)在气室中充入不同已知浓度的待测气体样本，检测对应的激光输出强度，确定浓度与激光输出强度关系；
(5)将需要检测浓度的待测气体充入气室，根据(4)定标结果，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度。
2、如权利要求1所述的基于环形光纤激光器的气体浓度检测方法，其特征在于所述的光纤放大器的增益带宽、可调滤波器调谐范围、隔离器和耦合器及光探测器的工作带宽覆盖待测气体的多个吸收峰时，按照步骤(4)确定对应每个吸收峰的待测气体浓度与激光输出强度关系，再将需要检测浓度的待测气体充入气室，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度。
3、采用权利要求1或2方法所使用的设备，其特征在于光纤放大器的输出端与可调滤波器的一端光连接，可调滤波器的另一端和安装在气室内的拉锥光纤的一端光连接，拉锥光纤的另一端与隔离器的输入端光连接，隔离器的输出端与耦合器的输入端光连接；耦合器大分量的耦合臂与光纤放大器的输入端光连接，耦合器小分量的耦合臂作为激光器输出端与光探测器光连接；所述的拉锥光纤直径D为1～3微米、长度L为5～15厘米。
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2005
- 2005-12-31 CN CN 200510097004 patent/CN1793850A/zh active Pending
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