[發明專利]一種氣體折射率的測量方法

有效

• 申請號: 201711121495.3
• 申請日: 2017-11-14
• 公開（公告）號: CN107941754B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 盧平
• 申請（專利權）人: 陳志忠
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 蘇州潤桐嘉業知識產權代理有限公司 32261
• 代理人: 趙麗麗

1.一種氣體折射率的測量方法，該測量裝置包括寬譜光源、電光調制器和計算器，寬譜光源輸出端連接第一光纖耦合器，第一光纖耦合器的一個輸出端與氣體測量池連接，第一光纖耦合器的另一路進入一電光調制器，所述電光調制器的輸出端和所述氣體測量池的輸出端經過經過第二光纖耦合器合束，第一光纖耦合器、氣體測量池、電光調制器和第二光纖耦合器構成一個馬赫曾德干涉儀，馬赫曾德干涉儀的輸出端連接色散補償光纖，兩路光經色散補償光纖后產生延時，經過延時的光信號入射到高速光電探測器上，高速光電探測器將光信號裝換成微波信號并通過低噪放放大，低噪放輸出端連接微波功分器，微波功分器將一部分微波信號注入到電光調制器中，同時將另一部分微波信號輸入頻譜儀，頻譜儀末端連接計算機；

其特征在于：通過電光調制器，第二光纖耦合器，色散補償光纖，高速光電探測器，低噪放和微波功分器構成光電振蕩器環路，將光信號裝換成微波信號并測量輸出微波信號的中心頻率；通過設置的氣體測量池，能夠改變馬赫曾德干涉儀光程差，從而改變光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率，根據微波信號中心頻率的變化量來得到待測氣體的折射率；

通過在氣體測量池中注入待測氣體導致馬赫曾德干涉儀光程差的改變，從而改變光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率，根據微波信號中心頻率的變化量來得到待測氣體的折射率，氣體折射率測量系統的工作流程如下：上電后，調制器驅動板通過程序自動控制強度光調制器工作在線性工作點，調制器工作點確定后，先不將待檢測氣體充入到氣體檢測池中，此時記錄光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率為f1,將待檢測氣體充入到氣體檢測池中，再次記錄光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率為f2；

寬譜光源經過馬赫曾德干涉儀后，將發生干涉，干涉條紋的輸出在頻域上可表示為：

寬譜光源的電場可表示為：

式中ω為光源頻率，則光源的光功率譜密度可表示為：

T(ω)＝|E(ω)|² (2)

光源經干涉以后，光路1中的氣體測量池在注入待測氣體前后，由于光路中氣體折射率的變化，導致各光譜成份產生了一定的延時，在頻域上可表示為：

E₁(ω)＝A₁E(ω)e^jωΔτ (3)

上式中A₁為光路1的幅度衰減系數，Δτ為待測氣體相對與測量池中無氣體時折射率的變化而引入的延遲量，可表示為：

式中c為光速，n為待測氣體的折射率，d為氣體測量池中兩個自聚焦透鏡之間的距離，干涉儀的光路2被射頻信號調制，被調制后的光在頻域上可表示為：

上式中A₂為光路2的幅度衰減系數，ξ為射頻信號的角頻率，為調制的載波和邊帶之間的相位差，兩路光經過干涉儀的第二個耦合器后，輸出為：

干涉儀的輸出經過一段色散光纖延時后，光載波發生了一個時延，該時延線的電場傳遞函數可表示為：

H(ω)＝|H(ω)|e^-jφ(ω) (7)

φ(ω)為色散光纖延遲引入的相位，根據泰勒級數展開，該相位可表示為：

式中，τ(ω₀)為中心頻率為ω₀時的群時延，β為光纖的色散，其單位為ps²/km，β可表示為：

式中D(ps/km/nm)為光纖的色散系數，λ₀為光源波長；

光電振蕩器輸出的響應函數可表示為：

H_RF(ξ)＝∫T(ω)[H^*(ω)H(ω+ξ)+H(ω)H^*(ω-ξ)]dω (10)

由式(6)——(9)可得響應函數為：

上式中H(ω)為理想的光電振蕩器的響應函數，可表示為

H(ξ)＝∫T(ω)exp[-jξβL(ω-ω₀)]dω (11)

由此可知，光電振蕩器輸出的微波信號的中心頻率可表示為：

根據式(4)可得，待測氣體的折射率為：

由上式可知，根據光電振蕩器輸出的射頻信號的頻率，光源的中心波長，氣體測量池中兩自聚焦透鏡之間的距離，色散光纖的色散值和長度就能夠得到待測氣體的折射率。