一种光纤光热气体传感装置及方法与流程

本发明涉及一种光纤光热气体传感装置及方法。

背景技术：

吸收光谱法是一种常用气体测量方法，特定波长的光通过待测气体时一部分光能量被待测气体吸收，吸收能量与待测气体浓度正相关，吸光度是入射光波长的函数。波长调制光谱技术wms对入射光的波长进行高频调制，经过气体吸收后其透射光信号含有一系列谐波信号，解调这些谐波信号就能得到气体浓度信息，同时采用高频检测降低了1/f噪音。如果对透射光信号在调制频率处解调将得到一次谐波信号1f，1f信号有很强的背景信号，因为波长调制通常采用调制激光二极管的驱动电流的方法，在调制波长的同时还会调制激光强度，称为剩余强度调制，从而给1f吸收信号带来较强的背景。而2f受背景信号影响小，所以wms技术通常解调透射光的2f谐波信号，但wms-2f信号强度通常比1f小很多。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种一次谐波信号解调后没有背景信号的光纤光热气体传感装置及方法。

本发明中的光纤光热气体传感装置包括中红外泵浦激光器、近红外探测激光器、耦合组件、红外宽波段空芯光纤以及光热信号探测解调组件，所述中红外泵浦激光器以及所述近红外探测激光器通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤相连接，所述红外宽波段空芯光纤通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件相连接，所述红外宽波段空芯光纤内填充待测气体。

所述耦合组件包括近红外-中红外双路耦合组件以及近红外单路耦合组件，所述中红外泵浦激光器以及所述近红外探测激光器通过所述近红外-中红外双路耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤相连接，所述红外宽波段空芯光纤通过所述近红外单路耦合组件与所述光热信号探测解调组件相连接。

所述近红外-中红外双路耦合组件包括第一气室、二向色镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及第一光纤准直镜，所述第一气室适配连接设置在所述红外宽波段空芯光纤的输入端，所述二向色镜与所述第一气室相对应设置，所述中红外泵浦激光器的发射端、所述第一聚焦透镜以及所述二向色镜依次相对应设置，所述第一光纤准直镜的输入端与所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述第一光纤准直镜的输出端、所述第二聚焦透镜以及所述二向色镜依次相对应设置，所述近红外单路耦合组件包括第二气室、准直透镜以及近红外光纤耦合镜，所述第二气室适配设置在所述红外宽波段空芯光纤的输出端，所述第二气室、所述准直透镜以及所述近红外光纤耦合镜的输入端依次相对应设置，所述近红外光纤耦合镜的输出端通过光纤与所述光热信号探测解调组件相连接。

所述近红外-中红外双路耦合组件包括第一对尾气室以及红外宽波段光纤合束器，所述红外宽波段空芯光纤的输入端适配插置在所述第一对尾气室内，所述红外宽波段光纤合束器的输入端分别与所述中红外泵浦激光器的输出端以及所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述红外宽波段光纤合束器的输出端连接第一输出光纤，所述输出光纤适配插置在所述第一对尾气室内并与所述红外宽波段空芯光纤的输入端适配对应设置，所述近红外单路耦合组件包括第二对尾气室以及第二输出光纤，所述红外宽波段空芯光纤的输出端适配插置在所述第二对尾气室内，所述第二输出光纤的输入端适配插置在所述第二对尾气室内并与所述红外宽波段空芯光纤的输出端适配对应设置，所述第二输出光纤的输出端与所述光热信号探测解调组件相连接。

所述光热信号探测解调组件近红外光电探测器，所述近红外光电探测器与所述近红外单路耦合组件相连接。

本发明还包括偏振控制器、光纤分束器、压电陶瓷环以及第二光纤合束器，所述光纤分束器的输入端与所述近红外探测激光器的输出端光纤连接，所述偏振控制器适配设置在所述光纤分束器与所述近红外探测激光器之间，所述光纤分束器的一个输出端与所述近红外-中红外双路耦合组件光纤连接，所述光纤分束器的另一个输出端通过第三输出光纤与所述光热信号探测解调组件相连接，所述第三输出光纤中的一段适配缠绕在所述压电陶瓷环上，所述第二光纤合束器的输入端分别与所述第三输出光纤以及所述近红外单路耦合组件相连接，所述第二光纤合束器的输出端与所述近红外光电探测器的输入端相连接。

所述光热信号探测解调组件还包括电信号分路器，所述电信号分路器的输入端与所述近红外光电探测器的输出端相连接，所述电信号分路器的一个输出端分路上依次连接设置低通滤波器、pid控制器以及压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器与所述压电陶瓷环相连接，所述电信号分路器的另一个输出端分路上依次连接设置锁相放大器、数据采集卡以及激光控制器，所述激光控制器与所述中红外泵浦激光器相连接。

本发明中的光纤光热气体传感方法将泵浦光与探测光合束经过待测气体，泵浦光激发待测气体的吸收，产生光热效应，探测光测量气体吸收泵浦激光后产生的折射率变化，探测光的相位在经过产生光热效应的待测气体介质后发生周期性变化，采集探测光的相位信息，并进行解调，得到光热光谱一次谐波信号。

所述泵浦光的波长或功率被周期性调制，探测光的波长保持固定且远离待测气体的吸收线。

所述光热光谱一次谐波信号的峰-峰值与气体浓度在系统线性范围内成正比。

本发明的有益效果在于：本发明采用泵浦-探测双光源配置，待测气体吸收周期性调制的泵浦光的能量后由于光热效应折射率发生周期性变化，当探测光的光路与泵浦光重合时，气体折射率的变化会导致探测光的相位发生周期性变化，通过解调探测光的相位信息，可以获得待测气体的浓度。相比于波长调制吸收光谱技术，本发明避免直接测量经过气体吸收的透射光强，因此探测光相位的解调信号不受泵浦光的剩余强度调制的影响。

本发明中采用的激光器、光电探测器、光纤组件等具有价格便宜、技术成熟的优点，同时采用红外宽波段空芯光纤，将泵浦光、探测光和待测气体同时禁锢在光纤微米级空芯内，提高泵浦光能量密度，因此极大提高了探测灵敏度。

红外宽波段空芯光纤还具有传输光谱范围宽、传输损耗小、保持单模传输的优点。

说明书附图

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中近红外-中红外双路耦合组件的连接结构示意图例一；

图3是本发明中近红外-中红外双路耦合组件的连接结示意图例二；

图4是本发明中近红外单路耦合组件的连接结构示意图例一；

图5是本发明中近红外单路耦合组件的连接结构示意图例二；

图6是本发明中光热信号探测解调组件的连接结构示意图；

图7是本发明中中红外空芯光纤的机构示意图例一；

图8是本发明中中红外空芯光纤的机构示意图例二；

图9为本发明中典型的测量结果示意图。

具体实施方式

具体实施例一：

如图1所示，本发明中的光纤光热气体传感装置包括中红外泵浦激光器1、近红外探测激光器2、耦合组件、红外宽波段空芯光纤3以及光热信号探测解调组件4，所述中红外泵浦激光器1以及所述近红外探测激光器2通过所述耦合组件与所述红外宽波段空芯光纤3相连接，所述红外宽波段空芯光纤3通过所述耦合组件与所述光热信号探测解调组件4相连接，所述红外宽波段空芯光纤3内填充待测气体。

所述耦合组件将中红外泵浦光、近红外探测光与所述红外宽波段空芯光纤3耦合；所述中红外泵浦激光器1发出的激光用于激发待测气体的光热效应，所述近红外探测激光器2发出的激光用于感应气体光热效应后的折射率变化；所述红外宽波段空芯光纤3的纤芯是中空的，填充待测气体；所述光热信号探测解调组件4用于测量近红外探测激光的相位变化，并解析待测气体的浓度。

所述耦合组件包括近红外-中红外双路耦合组件5以及近红外单路耦合组件6，所述中红外泵浦激光器1以及所述近红外探测激光器2通过所述近红外-中红外双路耦合组件5与所述红外宽波段空芯光纤3相连接，所述红外宽波段空芯光纤3通过所述近红外单路耦合组件6与所述光热信号探测解调组件4相连接。

如图2、图4所示，所述近红外-中红外双路耦合组件5包括第一气室51、二向色镜52、第一聚焦透镜53、第二聚焦透镜54以及第一光纤准直镜55，所述第一气室51适配连接设置在所述红外宽波段空芯光纤3的输入端，所述二向色镜52与所述第一气室51相对应设置，所述中红外泵浦激光器1的发射端、所述第一聚焦透镜53以及所述二向色镜52依次相对应设置，所述第一光纤准直镜55的输入端与所述近红外探测激光器2的输出端光纤连接，所述第一光纤准直镜55的输出端、所述第二聚焦透镜54以及所述二向色镜52依次相对应设置。所述近红外单路耦合组件6包括第二气室61、准直透镜62以及近红外光纤耦合镜63，所述第二气室61适配设置在所述红外宽波段空芯光纤3的输出端，所述第二气室61、所述准直透镜62以及所述近红外光纤耦合镜63的输入端依次相对应设置，所述近红外光纤耦合镜63的输出端通过光纤与所述光热信号探测解调组件4相连接。

如图6所示，所述光热信号探测解调组件4包括近红外光电探测器41，所述近红外光电探测器41通过第二光纤合束器74与所述近红外单路耦合组件6相连接。

如图1所示，本发明还包括偏振控制器71、光纤分束器72、压电陶瓷环73以及第二光纤合束器74，所述光纤分束器72的输入端与所述近红外探测激光器2的输出端光纤连接，所述偏振控制器71适配设置在所述光纤分束器72与所述近红外探测激光器2之间，所述光纤分束器72的一个输出端与所述近红外-中红外双路耦合组件5光纤连接，所述光纤分束器72的另一个输出端通过第三输出光纤75与所述光热信号探测解调组件4相连接，所述第三输出光纤75中的一段适配缠绕在所述压电陶瓷环73上，所述第二光纤合束器74的输入端分别与所述第三输出光纤75以及所述近红外光纤耦合镜63相连接，所述第二光纤合束器74的输出端与所述近红外光电探测器41的输入端相连接。

如图6所示，所述光热信号探测解调组件4还包括电信号分路器42，所述电信号分路器42的输入端与所述近红外光电探测器41的输出端相连接，所述电信号分路器42的一个输出端分路上依次连接设置有低通滤波器43、pid控制器44以及压电陶瓷驱动器45，所述压电陶瓷驱动器45与所述压电陶瓷环73相连接，所述电信号分路器42的另一个输出端分路上依次连接设置有锁相放大器46、数据采集卡47以及激光控制器48，所述激光控制器48与所述中红外泵浦激光器1相连接。

在本具体实施例中，除空芯光纤外，本发明中的其它光纤连接均由近红外波段的普通单模光纤8完成。

具体实施例二：

本具体实施例与具体实施例一的主要区别在于：如图3、图5所示，所述近红外-中红外双路耦合组件5包括第一对尾气室56以及红外宽波段光纤合束器57，所述红外宽波段空芯光纤3的输入端适配插置在所述第一对尾气室56内，所述红外宽波段光纤合束器57的输入端分别与所述中红外泵浦激光器1的输出端以及所述近红外探测激光器2的输出端相光纤连接，所述红外宽波段光纤合束器57的输出端与第一输出光纤58连接，所述红外宽波段空芯光纤3的输入端适配插置在所述第一对尾气室56内，并于所述第一输出光纤58的输出端对接耦合，所述近红外单路耦合组件6包括第二对尾气室64以及第二输出光纤65，所述红外宽波段空芯光纤3的输出端适配插置在所述第二对尾气室64内，所述第二输出光纤65的输入端适配插置在所述第二对尾气室64内并与所述红外宽波段空芯光纤3的输出端对接耦合，所述第二输出光纤65的输出端与所述光热信号探测调解组件4相连接。

在本发明中，所述红外宽波段空芯光纤3可以为空芯反谐振光纤。如图7所示，所述空芯反谐振光纤包括纤芯区91和包层区，所述包层区由内包层和外包层93共同组成；所述内包层区由单层排列的毛细管92组成，相邻所述毛细管92之间不接触，无节点；所述纤芯区91填充待测气体，由所述内包层围绕而成；所有材料均为二氧化硅。所述空芯反谐振光纤，包层毛细管92数目一般为6-8个，围绕住一个直径50-100微米的纤芯区91，所述毛细管92壁厚一般为1微米左右。该空芯反谐振光纤的第一反谐振通光带从1.6微米延续到中红外波段，可以实现近似单模传输。光纤总长度为120厘米，为了减小传感器空间，光纤盘绕成弯曲半径15厘米，且弯曲损耗较小。

在本发明中，所述中红外泵浦激光器1选用了波长3.6微米的中红外带间级联激光器，该激光器的输出波长可以通过改变驱动电流进行调制，可调谐波段覆盖甲醛的吸收基带；所述近红外探测激光器2选用了波长1.56微米的近红外激光器，波长固定，且远离待测甲醛和其它干扰气体（如水）的吸收波长。在光热传感中，所述中红外泵浦激光器1的驱动电流叠加了一个高频正弦调制，调制频率和调制幅度通过测试获得最高的探测信噪比进行优化选择，同时中心波长扫过待测气体特征吸收峰获得完整的光谱信号。将激光器改为其它波长，可以实现其它不同种类气体的探测。

在具体实施例一中，中红外泵浦激光、近红外探测激光分别从光纤两端耦合进入所述红外宽波段空芯光纤3，所述近红外探测激光器2采用光纤尾纤输出，所述中红外泵浦激光器1的输出为空间光，所述近红外-中红外双路耦合组件5同时将中红外泵浦光和近红外探测光耦合到所述红外宽波段空芯光纤3中。如图2所示，所述中红外泵浦激光器1输出的准直光束10依次经过所述第一聚焦透镜53、所述二向色镜52、所述第一气室51，会聚在所述红外宽波段空芯光纤3的端面处，进入纤芯；近红外探测光通过普通单模通讯光纤8传输，该近红外探测光由所述光纤准直镜55转换成空间光束，依次经过所述第二聚焦透镜54、所述二向色镜52、所述第一气室51，最终的焦点落在所述红外宽波段空芯光纤3的端面处，进入纤芯。其中所述二向色镜52对中红外光有高透过率，对近红外光有高反射率。

近红外探测光在所述红外宽波段空芯光纤3内传导，并从另一端出射，由近红外单路耦合组件6再收集到普通单模通讯光纤8。如图4所示，近红外探测激光经所述红外宽波段空芯光纤3输出后，穿过所述第二气室61、经所述准直透镜62准直、最终被所述近红外光纤耦合镜63收集到普通单模通讯光纤8中。所述第一气室51与所述第二气室61通过法兰分别固定在所述红外宽波段空芯光纤3的两端，且内部气体与光纤空芯相通，光纤与气室之间的法兰连接气密性高，光纤空芯与外部环境没有直接接触，气室在靠近输入/输出空间光束一侧装有光学窗口片。

在具体实施例二中，所述中红外泵浦激光器1以及所述近红外探测激光器2都可以选择光纤尾纤输出。如图3所示，所述中红外-近红外双路耦合组件5使用光纤元件，中红外光路上依次设有中红外实芯光纤20、所述红外宽波段光纤合束器57、所述第一对尾气室56，近红外光路依次设有近红外普通单模光纤8、所述红外宽波段光纤合束器57、所述第一对尾气室56，所述红外宽波段光纤合束器57将两种波段的激光合束到实芯光纤58中并输出。近红外探测光在所述红外宽波段空芯光纤3内传导，并从另一端出射，如图5所示，所述近红外探测激光单光路耦合组件6连接所述红外宽波段空芯光纤3的另一侧，依次设有第二对尾气室64和近红外普通单模光纤8。所述红外宽波段空芯光纤3与实芯光纤采用对接耦合，中间不使用空间光元件，大大缩小了传感器的体积。所述的第一对尾气室56、第二对尾气室64将空芯光纤与实芯光纤直接对接、固定，两根光纤之间留有空隙，方便向所述红外宽波段空芯光纤3填充/抽出待测气体。

在本发明中，所述红外宽波段空芯光纤3也可以为内表面涂层空芯光纤，如图8所示，所述内表面涂层空芯光纤的最外层94是玻璃或塑料保护层，中间为反射层95，其材料为金属银，最里为介电涂层96，材料是碘化银，中心区域97是填充待测气体。所述内表面涂层空芯光纤的空芯的中心区域97直径一般为200-500微米，传导光波长达到2-16微米，对5微米波长以上的光束有较好的单模传输，但是该种空芯光纤弯曲损耗较大，应避免弯曲。

在本发明中，待测气体通过压差驱动填充到红外宽波段空芯光纤3的纤芯中，中红外泵浦激光的部分能量被气体分子吸收，分子被激发到高能态，随后通过分子碰撞等非辐射过程释放能量回到基态，一部分能量转化为分子动能，造成局部温度上升，气体折射率变化。近红外探测激光穿过此区域时，受变化的折射率影响，其相位发生变化。最终近红外探测光离开光纤时，其相位的变化量是光热作用在整个光纤长度上的累积结果。

在具体实施例一、具体实施例二中，采用马赫-曾德干涉仪来检测光热效应导致的相位变化。如图1所示，所述近红外探测激光器2的输出端为普通单模通讯光纤8，经过所述光纤分束器72后分成两路，一路由所述中红外-近红外双路耦合组件5进入所述红外宽波段空芯光纤3，之后由近红外探测激光单光路耦合组件6耦合回普通单模通讯光纤8中，该路被称为传感臂；另一路经第三输出光纤75绕在所述压电陶瓷圆环73上，通过控制所述压电陶瓷圆环73的电压改变其直径，从而对缠绕在上面的第三输出光纤75的长度进行精密控制，该路被称为参考臂。这两路经所述光纤合束器74整合，发生干涉，相位变化被干涉仪转换为光强度变化。在所述近红外探测激光器2和光纤分束器72之间设有所述偏振控制器71，以保证干涉对比度最大。

所述近红外光电探测器41连接光纤合束器74的输出光纤，其信号被电子信号分路器42分为两路，一路输入锁相放大器46，解调出一次谐波信号（1f），被数据采集卡47采集、处理、存储；另一路经反馈-控制回路输出电压信号给干涉仪参考臂的压电陶瓷圆环73，调节参考臂的光程，使得干涉仪的静态工作点保持在正交点上，提高干涉仪的相位探测灵敏度，本实施例的反馈-控制回路主要包括低通滤波器43、pid控制器42和压电陶瓷驱动器45。数据采集卡47输出调制信号和扫描信号给激光控制器48，激光控制器48驱动所述中红外泵浦激光器1的驱动电流同时控制其温度在正常工作范围。

本发明中的光纤光热气体传感方法是将泵浦光与探测光合束经过待测气体，泵浦光激发待测气体的吸收，产生光热效应，探测光测量气体吸收泵浦激光后产生的折射率变化。

在本方法中，泵浦光的波长或功率被周期性调制，调制频率为f，探测光的波长保持固定，且远离待测气体的吸收线，探测光的相位在经过产生光热效应的气体介质后发生周期性变化。

在本方法中，采集探测光的相位信息，并进行解调，得到光热光谱一次谐波1f信号。

在本方法中，光热光谱1f信号是无背景的，信号的峰-峰值与气体浓度在系统线性范围内成正比。

在本方法中，所述的光谱1f信号无背景是指，在无泵浦激光吸收的气体中没有偏置信号，是接近零的随机噪音。

本发明在此以甲醛气体的检测为例进一步说明：首先将30ppm体积浓度的标准甲醛混合气体填充到红外宽波段空芯光纤3中，控制气压0.55大气压，选择甲醛位于2778.48cm^-1的吸收线，通过调节中红外泵浦激光器1的驱动电流，扫描其波长从2777.8cm^-1到2779.2cm^-1，同时对驱动电流进行正弦调制，频率为8khz，锁相放大器46解调得到1f信号，如图9所示。当中红外泵浦激光器1中心波长移动到远离气体吸收峰的位置，1f信号趋于零，原因是光热光谱的1f信号没有背景。1f信号的峰-峰值会受正弦调制指数的影响，调制指数定义为调制深度和谱线半幅半宽的比值，通过改变加载到驱动电流上的正弦幅度进行调节，调制指数为1.8时，1f信号的峰-峰值最高。1f信号的峰-峰值还受到调制频率的影响，在khz频段，调制频率越高，信号峰-峰值越低，在本实施例中，1f信号在调制频率8khz时的信噪比最高163，甲醛最小探测浓度极限是0.18ppm，根据泵浦光功率1.6mw，锁相带宽1.375hz，计算得到的归一化噪音等效吸收系数为4×10^-9cm^-1whz^-1/2。光热光谱测量信号强度与泵浦光功率呈正比，由于中红外吸收截面强、红外宽波段空芯光纤3进一步提高泵浦光能量密度，当泵浦功率仅为60微瓦时，测量30ppm甲醛仍然获得信噪比9以上的光热信号。

该实验成功实现了1f无背景测量，相比于2f信号，测量结果的信噪比提高了2.4倍，同时中红外泵浦光实现了高灵敏度的甲醛气体测量。

本发明适用于光纤光热气体传感领域。