本发明属于空气中颗粒污染物的检测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的高精度空气中颗粒物浓度检测方法。
背景技术
近些年，雾霾天气已经对人们的生活和身体健康造成了严重影响，对于颗粒物检测技术的研究刻不容缓。检测颗粒物浓度的核心技术就是设计准确可靠的传感器。相比国内来说，国外对光电传感器的研究起步较早，技术也比较成熟，光电传感器已经广泛应用于军事、航天航空、工业控制和检测技术等领域。目前，空气中pm2.5的检测方法主要有重量法、微量振荡天平法、β射线吸收法、光散射法等，这些方法使用的传感器比较复杂，而且比较昂贵、受外界因素的影响比较大。
技术实现要素：
本发明为解决目前国内外有关颗粒物浓度检测装置存在的结构复杂、价格昂贵、受外界因素影响较大等问题而提供了一种基于光纤传感的高精度空气中颗粒物浓度检测方法，该方法采用掺铒光纤放大器(edfa)来补偿损耗并增加测量系统的衰减时间，有效解决了光脉冲曲线上升、脉冲峰值数量少等问题，具有灵敏度高、测量范围广、分析速度快、操作简单、成本低廉和方便实时检测等特点，可用于汽车尾气排放测量、室内烟雾浓度的测量、环境污染指数测量、火灾报警等。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于光纤传感的高精度空气中颗粒物浓度检测方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器、对准气室和第二光纤耦合器构成光纤环腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和信号源相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，当信号源产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二隔离器和对准气室，光纤环腔中90％的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤环腔中10％的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，对准气室内填充有标注气体样品或待测气体样品，随着对准气室中微小颗粒物浓度的逐渐增大，光纤环腔内损耗随之增大，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知颗粒物浓度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立颗粒物浓度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合颗粒物浓度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品中颗粒物的浓度，进而实现对空气中pm2.5的检测。
优选的，所述掺铒光纤放大器由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的wdm耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和wdm耦合器输出的光脉冲分别接在wdm耦合器的三个端口。
优选的，所述对准气室具有四个端口，分别为进光口、出光口、进气口和出气口，其中进光口通过光纤与第二隔离器相连，出光口通过光纤与第二光纤耦合器相连，进气口与标准气体样品或待测气体样品相通，出气口与气体收集装置或外界大气相通。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用掺铒光纤放大器来补偿光脉冲耦合到光纤环腔中时的耦合损耗并增加测量系统的衰减时间，进而有效提高了测量的精度；
2、本发明的测量系统在恒温条件下进行，对弯曲、应变、折射率等其它因素交叉传感不敏感；
3、本发明的测量系统具有良好的线性响应，并且该检测方法有效解决了脉冲曲线上升、脉冲峰值数量少等问题，具有灵敏度高、损耗小、可以进行较小浓度的颗粒物检测等特性，远远超出了市面上已有的pm2.5检测仪的综合性能；
4、本发明检测灵敏度高、测量范围广、分析速度快、操作简单、成本低、方便实时监测，可用于汽车尾气排放测量、室内烟雾浓度的测量、环境污染指数测量、火灾报警等。
附图说明
图1是本发明中测量系统的光路连接图；
图2是不同颗粒物浓度的衰荡曲线峰值点变化曲线；
图3是光纤腔衰荡光谱系统衰减时间与颗粒物浓度的关系曲线。
图中：1-信号源，2-半导体激光调制器，3-激光源，4-第一隔离器，5-第一光纤耦合器，6-3.6km单模光纤，7-掺铒光纤放大器，8-第二隔离器，9-对准气室，10-第二光纤耦合器，11-光电探测器，12-示波器，13-光纤。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例
基于光纤传感的高精度空气中颗粒物浓度检测方法，由依次通过光纤13相连的第一光纤耦合器5、3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、第二隔离器8、对准气室9和第二光纤耦合器10构成光纤环腔，掺铒光纤放大器7由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的wdm耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和wdm耦合器输出的光脉冲分别接在wdm耦合器的三个端口，第一光纤耦合器5依次通过光纤13与第一隔离器4和激光源3连接，该激光源3依次通过线路与半导体激光调制器2和信号源1相连，第二光纤耦合器10通过光纤13与光电探测器11相连，该光电探测器11通过线路与示波器12相连，当信号源1产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器2，半导体激光调制器2控制激光源3的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器4和第一光纤耦合器5的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、第二隔离器8和对准气室9，光纤环腔中90％的输出光经第二光纤耦合器10接入第一光纤耦合器5，光纤环腔中10％的输出光经第二光纤耦合器10由光纤环路接入光电探测器11，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器11转换成电信号，最终显示在数字示波器12上，对准气室9具有四个端口，分别为进光口、出光口、进气口和出气口，其中进光口通过光纤13与第二隔离器8相连，出光口通过光纤13与第二光纤耦合器10相连，进气口与标准气体样品或待测气体样品相通，出气口与气体收集装置或外界大气相通，对准气室9内填充有标注气体样品或待测气体样品，随着对准气室中微小颗粒物浓度的逐渐增大，光纤环腔内损耗随之增大，脉冲信号的衰减时间发生相应改变，根据多组已知颗粒物浓度的标准气体样品通过检测得到对应标准气体样品的衰荡时间，建立颗粒物浓度与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的待测气体样品的衰荡时间并结合颗粒物浓度与衰荡时间的线性关系曲线得到待测气体样品中颗粒物的浓度，进而实现对空气中pm2.5的检测。
本发明的原理基于光纤环腔衰荡光谱技术，信号源产生的一系列脉冲波通过“模拟调制输入”端口输送到半导体激光调制器调制成脉冲光，经第一光纤耦合器进入光纤环腔，通过光纤环腔内3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、第二光纤隔离器、对准气室，从第二光纤耦合器的一端出来，接入光电探测器。为了提高衰荡时间的测量精度，有必要增加脉冲个数。所以用一个掺铒光纤放大器来补偿光纤环路的损耗。通过不同长度掺铒光纤的放大器实验，发现掺铒光纤过长会产生激光，掺铒光纤太短，增益不够、脉冲间隔比较小。因此，在实验室搭建了长度为2m的掺铒光纤的光放大器和980nm泵浦激光器。在相同条件下，对比了放置在腔内和腔外的edfa的衰减光谱，当edfa放置在腔内时，脉冲信号的峰值强度更大、数量更多，更有利于检测到衰荡时间。与常规的crd信号处理相比，腔内带有edfa的衰荡系统对颗粒度浓度测量灵敏度的提高有很大改善。
时域分析法通常是通过监测引入到光纤回路的光脉冲的衰减寿命来确定光纤环路内的光损耗。在flrds系统中，调制的脉冲光通过第一光纤耦合器进入光纤环路，然后在光纤环路内多次往返，在每次往返过程中，由于光纤衰荡腔内损耗少量的光会丢失，其结果是环形腔内的光随时间呈指数衰减，光腔衰荡信号可表示为：
it＝i0exp(-t/τ)(1)
其中i0为初始光强，τ为光腔衰荡时间。
指数衰减信号由光电探测器检测记录每次经过第二耦合器的少量泄漏光得到。在颗粒度浓度测量实验中，光纤衰荡腔内衰减随着颗粒度浓度的变化而变化，当环形腔内的损耗越低，衰减时间τ越大。因此τ反映了由颗粒度浓度变化引起的损耗，并且可以通过测量τ获得。光腔的衰减时间τ被定义为光衰减到其初始强度的1/e所需的时间，该表达式为
式中，d为光纤环腔的长度，c为光速，n是光纤环腔的折射率，a是每次腔衰荡过程中的总损耗，包括光纤衰荡腔固有损耗和镜头与高反射镜面对接的损耗。在光纤环形腔内，光纤环形腔的固有损耗主要来自光纤环腔的吸收、光纤耦合器的插入损耗、光纤的散射损耗和光纤的连接损耗。
光电探测器和示波器用于监测每次往返的衰减信号和记录分析数据。在实验室中，用烟雾环境来模拟雾霾环境进行了实验。图2为颗粒物浓度在0～1mg/cm3范围内的光脉冲衰减曲线峰值点变化曲线。由图可以看出，随着颗粒物浓度的增大，衰减曲线也逐渐衰落。通过拟合10组颗粒物浓度与衰荡时间τ的关系(如图3所示)，发现衰荡时间与颗粒物浓度呈现良好的线性关系，即衰荡时间可以反映颗粒物浓度的变化。实验结果表明，加入低增益低噪声掺铒光纤的edfa在衰荡腔内进行信号放大时，能够增加了脉冲个数、提高颗粒物浓度测量的灵敏度。从结果可以看出，该flrds系统中，颗粒物浓度与衰荡时间的相关系数为0.99424。该光纤环形腔衰荡光谱系统结构紧凑、成本低、便于实时测量，可用于空气中pm2.5的检测，为工业监测、环境监测等领域提供方便。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。