单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，所述系统包括：分布反馈布拉格半导体激光器输出的1570nm激光，经掺铒光纤放大器放大后作为泵浦光，通过1570/2000nm波分复用器耦合进入环形腔掺铥光纤激光器中，所述单向光纤隔离器用于保证2000nm波段激光在此环形腔掺铥光纤激光器中逆时针往返传输，所述2000nm波段激光每次经过所述气室时，均与内部的待测气体充分地相互作用，最终从输出耦合器输出携带气体组成成分和浓度双重信息的激光。本发明专利技术实现了上述气体甚至更多种类气体的组分精准识别和浓度检测，提高系统检测的灵敏度和更低气体浓度的测量。高系统检测的灵敏度和更低气体浓度的测量。高系统检测的灵敏度和更低气体浓度的测量。

【技术实现步骤摘要】
单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统


[0001]本专利技术涉及光纤传感检测领域，尤其涉及一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统。

技术介绍

[0002]光纤气体传感由于具有抗电磁干扰能力强、可靠性高、便于组网远程检测等优势，而被广泛地应用于环境治理、化工生产、电力电气等行业对有毒、有害气体的检测。在智能家居中，通过气体浓度传感器，可以实现对危险气体的分析，从而可以采取针对性的控制策略，这也是维护家庭生命安全，将危险消灭在未发生时期的重要环节。
[0003]传统的光纤气体传感系统偏重于单一气体的浓度检测，而降低系统的重复利用率；并且传统光纤气体传感系统主要集中在1.5μm波段，气体对该波段的吸收强度相对较小，因此灵敏度尚有提高空间。对于多组分混合气体检测而言，气体吸收峰之间的间隔是影响其识别准确率的一个重要因素，而传统的光纤气体传感系统采用宽带光源或MHz光源，其光谱宽度不能满足对吸收峰间隔较近的气体实现准确识别的要求，严重制约着系统对不同气体识别的分辨率，大大增加了气体组分识别的误差。窄线宽光纤激光器，尤其是单频光纤激光器，可以极大地压窄光源输出激光的线宽，其光谱宽度可以到达1kHz以下，可以有效分辨任意吸收峰之间的间隔，提高对不同气体吸收峰的识别分辨率。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，本专利技术针对CO2、NH3、CH4、H2S、O3、NO、HBr和HCl等卤素氢化物以及水蒸气等气体，实现上述气体甚至更多种类气体的组分精准识别和浓度检测，提高系统检测的灵敏度和更低气体浓度的测量，详见下文描述：
[0005]一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，所述系统包括：由1570/2000nm波分复用器、第一掺铥光纤、单向光纤隔离器、纤芯/包层直径为10/125μm的单模光纤、气室、光纤环形器、第二掺铥光纤、若干光纤布拉格光栅、偏振控制器、输出耦合器和电控可调F
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P滤波器共同组成的环形腔掺铥光纤激光器，还包括由光谱分析仪和扫描式F
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P干涉仪组成的监测装置；
[0006]分布反馈布拉格半导体激光器输出的1570nm激光，经掺铒光纤放大器放大后作为泵浦光，通过1570/2000nm波分复用器耦合进入环形腔掺铥光纤激光器中，所述单向光纤隔离器用于保证2000nm波段激光在此环形腔掺铥光纤激光器中逆时针往返传输，所述2000nm波段激光每次经过所述气室时，均与内部的待测气体充分地相互作用，最终从输出耦合器输出携带气体组成成分和浓度双重信息的激光。
[0007]其中，所述系统还包括由光谱分析仪和扫描式F
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P干涉仪组成的监测装置。所述电控可调F
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P滤波器用于实现对输出波长的调谐，当前通道处于工作状态时，通过通道的自动切换完成气体种类的识别。
[0008]进一步地，在实现混合气体浓度检测时，第二掺铥光纤作为可饱和吸收体，压窄输出信号光的线宽，利用窄线宽特性提高混合气体辨识度和浓度检测灵敏度。
[0009]在一种实施方式中，若干光纤布拉格光栅和电控可调F
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P滤波器作为选频器件，根据HITRAN数据库确定气体在2μm波段的共振吸收峰值，选取每个光纤布拉格光栅的透射波长，使其与不同气体的共振吸收峰值存在一一对应关系。
[0010]上述所述扫描式F
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P干涉仪用于监测输出信号光的纵模运转状态；所述光谱分析仪用于监测输出激光的光谱，
[0011]通过分析输出激光的光谱图，同时得到气体组成成分和对应浓度：通过分析反射光中心波长强度是否发生变化进而获得可检测气体的组成成分，实现组分的识别；通过分析反射光中心波长强度的变化量获得检测气体的吸收强度，实现气体浓度的检测，从而实现混合气体组分与浓度检测的同时传感。
[0012]在一种实施方式中，所述光纤环形器将若干对应不同气体吸收峰值波长的光纤布拉格光栅连接到所述环形腔掺铥光纤激光器内。
[0013]进一步地，所述系统可以用于实现卤素氢化物以及气体浓度的高灵敏度检测。
[0014]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0015]1、本专利技术实现了全光纤化，有效地缩小了气体传感装置的体积，降低了系统的复杂度，提高装置的结构稳定性；
[0016]2、本专利技术既可以实现混合气体组分的精准识别，又可以达到气体浓度检测的目的，市场前景好，实现方式简单；
[0017]3、本专利技术具有良好的技术转化基础，有望被广泛地应用于诸如水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、臭氧等大气环境气体成分的监测；本专利技术实现了广泛的社会效益。
附图说明
[0018]图1为单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统的结构示意图；
[0019]图2为不同浓度混合气体对应的反射光谱示意图。
[0020]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0021]1：1570nm分布反馈布拉格半导体激光器；
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2：掺铒光纤放大器；
[0022]3：1570/2000nm波分复用器；
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4：第一掺铥光纤；
[0023]5：单向光纤隔离器；
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6：单模光纤；
[0024]7：气室；
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8：三端口光纤环形器；
[0025]9：第二掺铥光纤；
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101：第一光纤布拉格光栅；
[0026]102：第二光纤布拉格光栅；
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103：第三光纤布拉格光栅；
[0027]10k：第k光纤布拉格光栅；
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11：偏振控制器；
[0028]12：光纤输出耦合器；
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13：高精细度电控可调F
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P滤波器；
[0029]14：光谱分析仪；
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15：扫描式F
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P干涉仪。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。
[0031]与
技术介绍
相比，本专利技术提供的单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，可以有效地扩展系统的功能，降低光纤气体浓度检测系统的使用成本。
[0032]参见图1，本专利技术设计的单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统主要包括：掺铥光纤激光器、气体光纤传感结构和监测装置三大部分。
[0033]其中，掺铥光纤激光器包括：157本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，其特征在于，所述系统包括：由1570/2000nm波分复用器、第一掺铥光纤、单向光纤隔离器、纤芯/包层直径为10/125μm的单模光纤、气室、光纤环形器、第二掺铥光纤、若干光纤布拉格光栅、偏振控制器、输出耦合器和电控可调F
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P滤波器共同组成的环形腔掺铥光纤激光器，还包括由光谱分析仪和扫描式F
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P干涉仪组成的监测装置；分布反馈布拉格半导体激光器输出的1570nm激光，经掺铒光纤放大器放大后作为泵浦光，通过1570/2000nm波分复用器耦合进入环形腔掺铥光纤激光器中，所述单向光纤隔离器用于保证2000nm波段激光在此环形腔掺铥光纤激光器中逆时针往返传输，所述2000nm波段激光每次经过所述气室时，均与内部的待测气体充分地相互作用，最终从输出耦合器输出携带气体组成成分和浓度双重信息的激光。2.根据权利要求1所述的一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，其特征在于，所述系统还包括由光谱分析仪和扫描式F
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P干涉仪组成的监测装置。3.根据权利要求1所述的一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，其特征在于，所述电控可调F
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P滤波器用于实现对输出波长的调谐，当前通道处于工作状态时，通过通道的自动切换完成气体种类的识别。4.根据权利要求1所述的一种单频掺铥内腔混合气体组分识别浓度检测光纤传感系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海伟，史伟，白扬博，薛力芳，苗银萍，陈志宏，杨晓苹，
申请(专利权)人：天津欧泰激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：