基于光纤f-p可调谐滤波器的气体传感系统和传感方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于气体种类识别和浓度测量的技术领域，尤其是涉及一种运用光谱技术 和新型算法能够实现气体种类识别和浓度测量的基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感 系统和传感方法。
【背景技术】
[0002] 高品质的空气环境对人体的健康非常重要。但在一些密闭的空间内部，诸如潜艇、 太空舱、地下实验室等，因为很难与外界做到良好的通风，再加上其内部的各种防腐材料和 机电装置可能会缓慢释放有害气体，破坏空气环境，从而对人体的健康构成威胁。有害气体 种类繁多，常见的主要包括甲醛、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化物等。在正常自 然环境下，这些气体的浓度一般都很低，人体自身无法察觉到，但处于某特定环境下的长期 吸入会对人体健康造成伤害。如何对这些有害气体的种类和浓度进行实时检测近年来逐渐 成为科学和工程领域的一个热门课题。
[0003] 专利201110168649. 0通过标准具标定光纤F-P可调谐滤波器的透射波长与驱 动电压之间的关系，再对波长进行解调，得到被探测气体的吸收光谱，这种方法增加了系 统的复杂程度。另外光纤F-P可调谐滤波器的透射波长与驱动电压并不是严格的线性关 系，会存在一定的误差；光纤F-P可调谐滤波器会随着温度的升高而使其透射波长的漂移 现象更加严重，同样会增加测量结果的误差。采用怀特气室或者透镜气室需要十分精确 的平行光，对系统的准直度要求极高，且光功率损耗较大，所占用的体积也相对较大。专 利200910071001. 4采用光纤有源内腔作为光源，由于光纤有源内腔的特点，只能检测 1550nm附近的几种气体，因此能测量的气体种类相对较少。另外，专利200910071001. 4 只提到对气体种类的识别，而不能测量气体的浓度。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种新型探测气体种类和浓度 的系统和探测方法。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感系统，该系统包括SLED光源、光隔离 器、光纤F-P可调谐滤波器、1:9光纤耦合器、可调光纤衰减器、空芯光子晶体光纤、小型抽 气泵、平衡放大光电探测器、数据采集卡和计算机；其中所述SLED光源，用于发出连续的近 红外光，提供系统所需的光信号；所述光隔离器连接在SLED光源与光纤F-P可调谐滤波器 之间，用于隔离反射光以保护光源；所述光纤F-P可调谐滤波器的输出端连接1:9光纤耦合 器的输入端，光纤F-P可调谐滤波器的驱动电压输入端连接数据采集卡的信号输出端，用 于对SLED光源发出的光信号进行光谱扫描，获得光源光谱的强度信息；所述1:9光纤耦合 器的输入端连接光纤F-P可调谐滤波器的输出端，将光信号分成参考光和探测光，较弱的 一路作为参考光与可调光纤衰减器的输入端连接，较强的一路作为探测光与空芯光子晶体 光纤的输入端连接；所述可调光纤衰减器的输出端连接平衡放大光电探测器的端口一，用 于调节参考光的功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；所述空芯光子晶体光纤 的输出端连接平衡放大光电探测器的端口二，用于承载被探测的气体；所述小型抽气泵的 抽气口连接空芯光子晶体光纤的出气口，用于从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同 时环境中的被探测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤；所述平衡放 大光电探测器的输出端连接数据采集卡的采集输入端，将参考光与探测光相减，滤除噪声 和背景光，然后将携带气体信息的微弱光信号转换为电信号并进行放大；所述数据采集卡， 用于驱动光纤F-P可调谐滤波器的压电陶瓷管移动，来控制光纤F-P可调谐滤波器输出的 光波长，同时采集平衡放大光电探测器输出的电信号并送入计算机内进行数据处理。
[0007] 进一步的，以上所述光纤F-P可调谐滤波器，自由光谱范围为1280nm-1620nm，能 够快速扫描获得光源光谱的强度信息。
[0008] 进一步的，以上所述光源光谱的强度信息是指光源光谱的强度大小和相对位置， 不包括强度大小所对应的波长信息。
[0009] 进一步的，以上所述空芯光子晶体光纤用于承载被探测气体，空芯光子晶体光纤 的出气口和进气口分别处在两个密闭的小气室中，每个小气室都有一个气孔，小型抽气泵 从出气口 一侧的一个气孔抽气，被探测气体从进气口一侧的另一个气孔进入小气室，最终 进入空芯光子晶体光纤中。
[0010] 本发明还提出一种基于光纤F-P可调谐滤波器的气体传感方法，该方法包括以下 步骤：
[0011] 第一步、SLED光源发出的光经过光隔离器进入光纤F-P可调谐滤波器，在驱动电 压的控制下，输出连续的光谱强度信息；
[0012] 第二步、光纤F-P可调谐滤波器输出的连续光经过1:9光纤耦合器，将信号光分成 参考光和探测光，参考光进入可调光纤衰减器中，探测光进入空芯光子晶体光纤中；
[0013] 第三步、小型抽气泵从空芯光子晶体光纤的出气口抽出空气，同时环境中的被探 测气体从空芯光子晶体光纤的进气口进入空芯光子晶体光纤中；
[0014] 第四步、探测光进入空芯光子晶体光纤与被探测气体相互作用；可调光纤衰减器 调节参考光功率，使参考光与经过气体后的探测光功率相等；
[0015] 第五步、平衡放大光电探测器将探测光与参考光相减，滤除噪声和背景光，然后将 携带气体信息的微弱光信号转化为电信号并进行放大；
[0016] 第六步、数据采集卡采集平衡放大光电探测器输出的电压信号并送到计算机内进 行数据处理，判断被探测气体的种类和浓度。
[0017] 所述的数据处理具体过程是：为每个吸收峰编号，并记录每个吸收峰的位置和吸 收强度；画出吸收峰编号与吸收峰的位置关系曲线，并进行曲线拟合，得到该曲线的斜率， 然后经过公式计算，归一化到单位驱动周期和单位采样率下的曲线斜率；归一化后的曲线 斜率表示该气体相邻吸收峰之间的平均间距，将该气体的归一化曲线斜率与之前已标定好 的气体归一化曲线斜率作对比，就能得到该气体的种类；把某个吸收峰的强度与之前标定 好的相应吸收峰强度作对比，就能得到该气体的浓度。
[0018] 所述归一化计算公式为
[0019] ⑴
[0020] 式中，L为相邻吸收峰之间的平均间距，K为吸收峰序号与相对位置拟合曲线的斜 率，T为光纤F-P可调谐滤波器的驱动周期，fs为数据采集卡的采样率。
[0021] 所述气体传感方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间的 对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和某个吸收峰的强度就能够得到 该气体的种类和浓度信息。
[0022] 本发明的优点和有益效果：
[0023] (1)采用平衡放大的探测方法，减小了噪声和背景光的影响，提高了信噪比。
[0024] (2)采用空芯光子晶体光纤承载被探测气体，不仅实现了全光纤传感，减小了光功 率的损耗，而且大大缩小了系统的体积，能够使系统微型化，便于携带。
[0025] (3)所述气体传感方法不用标定光纤F-P可调谐滤波器透射波长和驱动电压之间 的对应关系，通过计算某种气体相邻吸收峰之间的平均间距和各个吸收峰的强度就可以得 到该气体的种类和浓度信息，方法新颖，易于实现。
[0026] 本发明实用性强，可广泛应用于需要气体探测的各个场合，尤其是需要实时探测 有害气体种类和浓度的工业领域和航空航天领域，市场前景好，具有良好的技术转化基础； 本发明专利是我们自主知识产权，具有很好的社会效益。
【附图说明】
[0027] 图1为一氧化碳吸收