一种多组分气体检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多组分气体检测系统及方法，包括：频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。具有系统简单稳定、检测灵敏度高、快速响应及时间分辨率高等优点。快速响应及时间分辨率高等优点。快速响应及时间分辨率高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种多组分气体检测系统及方法


[0001]本申请属于光谱学气体传感
，具体涉及一种多组分气体检测系统及方法。

技术介绍

[0002]光谱学气体传感技术通过测量分子的指纹吸收光谱来分析气体浓度，是一种非接触式在线检测手段，目前成熟的光谱学气体传感技术主要根据光源的性质不同而分为两类：基于窄线宽激光器的可调谐激光光谱技术和基于宽带非相干光源的宽谱测量技术。前者得益于高度相干激光的低损耗传播特性，可以通过长距离吸收作用实现较高的检测灵敏度，但激光器波长的有限调谐范围通常只能针对一、两种气体组分；后者由于光源的输出光谱可以覆盖几百纳米的波长范围，能够进行多组分同时检测，但此类系统后端一般采用光谱仪来采集吸收光谱，需要较长的扫描时间，另外非相干光的传播距离远远达不到激光的水平，使得检测灵敏度大大降低。
[0003]飞秒光学频率梳，其超高速时域脉冲、宽光谱覆盖范围、严格等间距排列的频域梳齿以及高度相干的激光特性，完美结合了传统窄线宽激光器和宽带非相干光源的优势，为光谱学研究提供了全新的技术手段，有望实现集多组分、高灵敏度、快速响应特点于一身的气体传感系统。近十几年来，该研究领域快速发展，包括空间色散光谱、迈克尔逊干涉光谱、双光学频率梳光谱在内的三类现有频率梳光谱测量技术，已经展现出在气体探测领域的巨大应用潜力。然而，目前的相关系统均涉及复杂的宽带光谱采集和计算过程，且通常采用空间光路完成光信号的准直、干涉、接收等处理，存在系统庞大而精密、机械稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求极高而成本不菲的问题。
[0004]综上，目前三类主要的频率梳光谱测量技术弥补了传统光谱学气体传感技术无法兼顾多组分、高灵敏度、快速响应特点的缺陷，但都仍然存在一定的不足和改进空间。

技术实现思路

[0005]本申请实施例的目的是提供一种多组分气体检测系统及方法，以解决相关技术中存在的空间光路复杂而稳定性差、光谱采集效率低且噪声大、对频率梳光源稳定性要求过高而开发成本高的技术问题。
[0006]根据本申请实施例的第一方面，提供一种多组分气体检测系统，其特征在于，包括：频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；
电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。
[0007]进一步地，所述可调谐光学滤波器为具有覆盖所述光学频率梳完整输出光谱的宽工作波长范围、与目标气体分子单支吸收谱线宽度相近的窄带通带宽的光学滤波器。
[0008]进一步地，所述双通道光路结构包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器，所述测量通道中设置有气体吸收池。
[0009]进一步地，所述光电检测模块为平衡光电探测器，用于根据所述参考光和所述测量光，分别输出表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号。
[0010]进一步地，所述平衡光电探测器为高速光电探测器。
[0011]进一步地，所述电信号处理模块包括双通道锁相放大器，所述双通道锁相放大器分别提取表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号的幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号，其输出为两路直流信号。
[0012]进一步地，所述电信号处理模块还包括射频信号源和双通道混频器，所述射频信号源用于提供两路标准频率信号，通过所述双通道混频器分别对所述光电检测模块输出的电信号进行拍频，拍频后再输入到所述双通道锁相放大器。
[0013]根据本申请实施例的第二方面，提供一种检测方法，应用于上述的多组分气体检测系统，包括：步骤1）通过所述频率梳光源模块，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；步骤2）通过所述光纤分束器将所述窄带探测光平均分为两束，分别于双通道光路结构中的两个通道传输，输出参考光和测量光；步骤3）通过光电检测模块将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；步骤4）通过电信号处理模块从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；步骤5）通过计算模块根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。
[0014]进一步地，该检测方法包括单一组分测量和多组分准同步测量两种工作模式，其中：A）在单一组分高速测量模式下，设定目标气体组分，完成所述可调谐光学滤波器的通带设置后，执行步骤2）
‑
步骤5），得到目标气体浓度；B）在多组分准同步测量模式下，根据不同组分气体吸收波长，改变所述可调谐光学滤波器的通带，实现所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的对准，对于其中的每一种目标组分，执行步骤2）
‑
步骤5）；循环所述可调谐光学滤波器的不同通带设置，通过所述窄带探测光波长与不同组分吸收峰的时分复用对准，实现多组分气体的准同步测量。
[0015]本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：由上述实施例可知，本申请的系统未涉及空间光路结构、完整光谱线型获取过程和光信号时域干涉过程，系统内各模块之间仅通过单模光纤和电信号线连接，具备系统简单、抗干扰能力强、稳定性好、成本低的特点。本申请的系统充分利用了光学频率梳超宽光
谱特性，结合可调谐滤波器实现窄线宽探测光信号的波长调谐，灵活、快速地选择和切换光学频率梳的输出光信号波长，利用高频信号处理技术快速检测气体吸收造成的脉冲能量衰减，具有多组分、高灵敏、快速响应气体传感的特点。
[0016]应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
[0017]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0018]图1是根据一示例性实施例示出的一种多组分气体检测系统的框图；图2是根据一示例性实施例示出的另一种多组分气体检测系统的框图；图3为根据一示例性实施例示出的多组分气体检测方法的流程示意图；图4为根据一示例性实施例示出的二氧化碳单一组分高速测量实例的系统运行流程图；图5为根据一示例性实施例示出的二氧化碳、乙炔、水蒸气、氨气四种目标气体的多组分准同步测量实例的系统运行流程图。
[0019]图中的附图标记有：1、频率梳光源模块；11、光学频率梳；12、可调谐光学滤波器；2、光纤分束器；3、双通道光路结构；31、光学衰减器；32、气体吸收池；4、光电检测模块；41、平衡光电探测器；5、电信号处理模块；51、双通道锁相放大器；52、射频信号源；53、双通道混频器；6、计算模块；7、数据采集卡。
具体实施方式
[0020]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多组分气体检测系统，其特征在于，包括：频率梳光源模块，包括光学频率梳和可调谐光学滤波器，由所述可调谐光学滤波器选择所述光学频率梳在预定波长处的输出模式作为窄带探测光；光纤分束器，用于将所述窄带探测光平均分为两束光；双通道光路结构，用于将所述两束光于两个通道传输，分别输出参考光和测量光；光电检测模块，用于将所述参考光、所述参考光与所述测量光的差分信号分别转换成电信号；电信号处理模块，用于从所述电信号中提取幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号；及计算模块，用于根据所述表征目标气体浓度的信号，计算目标气体浓度。2.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述可调谐光学滤波器为具有覆盖所述光学频率梳完整输出光谱的宽工作波长范围、与目标气体分子单支吸收谱线宽度相近的窄带通带宽的光学滤波器。3.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述双通道光路结构包含参考通道与测量通道，所述参考通道中设置有光学衰减器，所述测量通道中设置有气体吸收池。4.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述光电检测模块为平衡光电探测器，用于根据所述参考光和所述测量光，分别输出表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号。5.根据权利要求4所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述平衡光电探测器为高速光电探测器。6.根据权利要求1所述的一种多组分气体检测系统，其特征在于，所述电信号处理模块包括双通道锁相放大器，所述双通道锁相放大器分别提取表征参考光强度的电信号、表征参考光与测量光强度差值的电信号的幅值信息，得到表征目标气体浓度的信号，其输出为两路直流信号。7.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志伟，严国锋，饶云江，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：