[發明專利]基于光纖傳感的高精度空氣中顆粒物濃度檢測方法

在審

• 申請號: 201810854573.9
• 申請日: 2018-07-30
• 公開（公告）號: CN108872148A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 劉玉芳;王芳;馬濤;楊亞萍;王明遠;王旭;李蕾
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一種基于光纖傳感的高精度空氣中顆粒物濃度檢測方法，隨著對準氣室中微小顆粒物濃度的逐漸增大，光纖環腔內損耗隨之增大，脈沖信號的衰減時間發生相應改變，根據多組已知顆粒物濃度的標準氣體樣品通過檢測得到對應標準氣體樣品的衰蕩時間，建立顆粒物濃度與衰蕩時間的線性關系曲線，然后根據測得的待測氣體樣品的衰蕩時間并結合顆粒物濃度與衰蕩時間的線性關系曲線得到待測氣體樣品中顆粒物的濃度，進而實現對空氣中PM_2.5的檢測。本發明檢測靈敏度高、測量范圍廣、分析速度快、操作簡單、成本低、方便實時監測，可用于汽車尾氣排放測量、室內煙霧濃度的測量、環境污染指數測量、火災報警等。

技術領域

本發明屬于空氣中顆粒污染物的檢測技術領域，具體涉及一種基于光纖傳感的高精度空氣中顆粒物濃度檢測方法。

背景技術

近些年，霧霾天氣已經對人們的生活和身體健康造成了嚴重影響，對于顆粒物檢測技術的研究刻不容緩。檢測顆粒物濃度的核心技術就是設計準確可靠的傳感器。相比國內來說，國外對光電傳感器的研究起步較早，技術也比較成熟，光電傳感器已經廣泛應用于軍事、航天航空、工業控制和檢測技術等領域。目前，空氣中PM_2.5的檢測方法主要有重量法、微量振蕩天平法、β射線吸收法、光散射法等，這些方法使用的傳感器比較復雜，而且比較昂貴、受外界因素的影響比較大。

發明內容

本發明為解決目前國內外有關顆粒物濃度檢測裝置存在的結構復雜、價格昂貴、受外界因素影響較大等問題而提供了一種基于光纖傳感的高精度空氣中顆粒物濃度檢測方法，該方法采用摻鉺光纖放大器(EDFA)來補償損耗并增加測量系統的衰減時間，有效解決了光脈沖曲線上升、脈沖峰值數量少等問題，具有靈敏度高、測量范圍廣、分析速度快、操作簡單、成本低廉和方便實時檢測等特點，可用于汽車尾氣排放測量、室內煙霧濃度的測量、環境污染指數測量、火災報警等。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，基于光纖傳感的高精度空氣中顆粒物濃度檢測方法，其特征在于：由依次通過光纖相連的第一光纖耦合器、3.6km單模光纖、摻鉺光纖放大器、第二隔離器、對準氣室和第二光纖耦合器構成光纖環腔，第一光纖耦合器依次通過光纖與第一隔離器和激光源連接，該激光源依次通過線路與半導體激光調制器和信號源相連，第二光纖耦合器通過光纖與光電探測器相連，該光電探測器通過線路與示波器相連，當信號源產生一系列脈沖波接入半導體激光調制器，半導體激光調制器控制激光源的輸出功率和波長，經調制后的光脈沖串經由第一隔離器和第一光纖耦合器的10％端口耦合到光纖環路中，依次經過3.6km單模光纖、摻鉺光纖放大器、第二隔離器和對準氣室，光纖環腔中90％的輸出光經第二光纖耦合器接入第一光纖耦合器，光纖環腔中10％的輸出光經第二光纖耦合器由光纖環路接入光電探測器，衰減脈沖的輸出周期性序列被光電探測器轉換成電信號，最終顯示在數字示波器上，對準氣室內填充有標注氣體樣品或待測氣體樣品，隨著對準氣室中微小顆粒物濃度的逐漸增大，光纖環腔內損耗隨之增大，脈沖信號的衰減時間發生相應改變，根據多組已知顆粒物濃度的標準氣體樣品通過檢測得到對應標準氣體樣品的衰蕩時間，建立顆粒物濃度與衰蕩時間的線性關系曲線，然后根據測得的待測氣體樣品的衰蕩時間并結合顆粒物濃度與衰蕩時間的線性關系曲線得到待測氣體樣品中顆粒物的濃度，進而實現對空氣中PM_2.5的檢測。

優選的，所述摻鉺光纖放大器由一段低增益的摻鉺光纖、泵浦激光器和三端口的WDM耦合器組成，低增益的摻鉺光纖、泵浦激光器和WDM耦合器輸出的光脈沖分別接在WDM耦合器的三個端口。

優選的，所述對準氣室具有四個端口，分別為進光口、出光口、進氣口和出氣口，其中進光口通過光纖與第二隔離器相連，出光口通過光纖與第二光纖耦合器相連，進氣口與標準氣體樣品或待測氣體樣品相通，出氣口與氣體收集裝置或外界大氣相通。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

1、本發明采用摻鉺光纖放大器來補償光脈沖耦合到光纖環腔中時的耦合損耗并增加測量系統的衰減時間，進而有效提高了測量的精度；