[發明專利]準分布式光纖氣體濃度檢測系統及方法

在審

• 申請號: 201710859903.9
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107449755A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 孫超;丁建軍;楊飄;章盛
• 申請（專利權）人: 江漢大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 李滿

1.一種準分布式光纖氣體濃度檢測系統，它包括激光發生器(1)、光環形器(2)、光探測器(3)和處理器(4)，其特征在于，它還包括第一光耦合器(5)、第二光耦合器(6)、第三光耦合器(7)、第一反射型開放氣室(8)、第二反射型開放氣室(9)和第三反射型開放氣室(10)，其中，激光發生器(1)的激光信號輸出端連接光環形器(2)的第一通信接口，光環形器(2)的第二通信接口連接第一光耦合器(5)的第一光信號耦合接口，第一光耦合器(5)的第二光信號耦合接口連接第一反射型開放氣室(8)的光信號接口，第一光耦合器(5)的第三光信號耦合接口連接第二光耦合器(6)的第一光信號耦合接口，第二光耦合器(6)的第二光信號耦合接口連接第二反射型開放氣室(9)的光信號接口，第二光耦合器(6)的第三光信號耦合接口連接第三光耦合器(7)的第一光信號耦合接口，第三光耦合器(7)的第二光信號耦合接口連接第三反射型開放氣室(10)的光信號接口，第三光耦合器(7)的第三光信號耦合接口為光耦合器擴展接口。

2.根據權利要求1所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述第一反射型開放氣室(8)、第二反射型開放氣室(9)和第三反射型開放氣室(10)均包括準直器(11)、自聚焦透鏡(15)、反射鏡(16)、氣室底座(12)、設置在底座一端的支撐塊(13)、設置在底座另一端的支撐板(14)，所述支撐塊(13)上設置準直器(11)和自聚焦透鏡(15)，所述支撐板(14)內側面設置反射鏡(16)，所述準直器(11)的激光信號輸出端、自聚焦透鏡(15)和反射鏡(16)為同軸設置，所述自聚焦透鏡(15)位于準直器(11)的激光信號輸出端與反射鏡(16)之間。

3.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述自聚焦透鏡(15)與反射鏡(16)之間的距離范圍為0.9～1.2cm。

4.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述反射鏡(16)為鍍金反射鏡。

5.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述激光發生器(1)輸出的激光為近紅外波長段激光。

6.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述激光發生器(1)輸出的激光的波長范圍為780nm～2500nm。

7.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述激光發生器(1)輸出的激光的頻率范圍為1KHZ～100MHZ。

8.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述處理器(4)用于對光探測器(3)輸出的激光感應電信號中的脈沖二次諧波信號進行鎖定放大解調，得到與氣體濃度成比例的電壓強度信號，并根據已知的氣體濃度與電壓強度信號的對應關系，確定反射型開放氣室中的氣體濃度。

9.根據權利要求2所述的準分布式光纖氣體濃度檢測系統，其特征在于：所述處理器(4)根據光探測器(3)輸出的激光感應電信號在時域上的不同脈沖的電壓強度來區分當前激光感應電信號是哪一個反射型開放氣室的反饋信號。

10.一種利用權利要求1所述準分布式光纖氣體濃度檢測系統的氣體濃度檢測方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：激光發生器(1)輸出近紅外波長段激光；

步驟2：激光發生器(1)輸出的近紅外波長段激光通過光環形器(2)依次經過第一光耦合器(5)、第二光耦合器(6)、第三光耦合器(7)；

步驟3：第一光耦合器(5)將上述近紅外波長段激光耦合輸入第一反射型開放氣室(8)，第二光耦合器(6)將上述近紅外波長段激光耦合輸入第二反射型開放氣室(9)，第三光耦合器(7)將上述近紅外波長段激光耦合輸入第三反射型開放氣室(10)；

步驟4：第一反射型開放氣室(8)、第二反射型開放氣室(9)和第三反射型開放氣室(10)中的入射近紅外波長段激光經過準直器(11)和自聚焦透鏡(15)變為平行激光，第一反射型開放氣室(8)、第二反射型開放氣室(9)和第三反射型開放氣室(10)中所述平行激光穿透待測氣體，待測氣體對平行激光的光強進行吸收，光強度減弱的激光信號入射至反射鏡(16)，反射鏡(16)與平行激光垂直，根據光的反射定律，反射光沿原路返回，再次穿透待測氣體，待測氣體對反射光的光強進行吸收，光強度減弱的反射光通過自聚焦透鏡(15)匯聚到一點，最后通過準直器(11)和對應的第一光耦合器(5)、第二光耦合器(6)、第三光耦合器(7)返回至光環形器(2)；

步驟5：光強度減弱的反射光通過光環形器(2)輸入到光探測器(3)，光探測器(3)將光強度減弱的反射光轉換成對應的激光感應電信號；

步驟6：所述處理器(4)對光探測器(3)輸出的激光感應電信號中的脈沖二次諧波信號進行鎖定放大解調，得到與氣體濃度成比例的電壓強度信號，并根據已知的氣體濃度與電壓強度信號的對應關系，確定反射型開放氣室中的氣體濃度；

所述處理器(4)根據光探測器(3)輸出的激光感應電信號在時域上的不同脈沖的電壓強度來區分當前激光感應電信號是哪一個反射型開放氣室的反饋信號。