[發明專利]一種基于光纖放大器的差分吸收光譜氣體檢測裝置

有效

• 申請號: 201910373871.0
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN110044837B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 王寅;徐鵬;李彬;姚鴻熙
• 申請（專利權）人: 南京安控易創計算機科技有限公司
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01N21/01
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 沈旻

本發明公開了一種基于光纖放大器的差分吸收光譜氣體檢測裝置，其包括寬帶紅外光源、步進電機、波長調制盤、長程氣體吸收池、光功率放大模塊、光電探測模塊和控制器。波長調制盤對寬帶紅外光源發射的寬帶紅外光進行波長選取，使以不同波長為中心的窄帶探測光束依次進入長程氣體吸收池內，光束被由光纖耦合鏡、波分復用器、光纖放大器、光纖準直鏡構成的光功率放大模塊功率放大后再次入射到氣體吸收池內，該光束在吸收池內多次反射折轉直到光束從氣室中出射并到達光電探測模塊。本發明將低功耗寬帶紅外光源與長光程氣體吸收池有效結合，充分發揮寬帶紅外光源波段寬、結構簡潔、價格低廉的優勢，實現低成本的高靈敏度多組分氣體檢測裝置。

技術領域

本發明屬于差分吸收光譜氣體檢測領域，涉及一種基于光纖放大器的差分吸收光譜氣體檢測裝置，主要應用于工業危險氣體監測預警以及大氣環境監測等領域。

背景技術

紅外吸收光譜技術已經廣泛應用于氣體檢測之中，與采用激光器作為主動探測光源相比，寬帶紅外光源(如氙燈、發熱電阻等)具有輻射波段寬、結構簡潔以及價格低廉等優點。然而，寬帶紅外光源在輻射紅外波段探測光的同時會大量發熱，如果采用大功率寬帶紅外光源，一方面大大增加檢測系統的發熱能耗，另一方面將不得不采用制冷系統來控制光源溫度，從而抬高檢測系統的復雜性以及相應的造價成本。采用功耗較小的寬帶紅外光源雖然有效降低了系統的發熱能耗并可以省去制冷系統，但是由于輻射的探測光能較小，且寬帶紅外光源往往發光面積大、出射光發散角大，不易被簡單光學系統準直，使得真正到達光電探測器光敏面處的探測光功率很小，難以引起探測器的響應。特別是與長光程氣體吸收池相結合時，由于光程較長，探測光束隨著傳輸的距離大量發散，到達光電探測器光敏面處的信號光更加微弱。然而，長光程氣體吸收池是增強系統痕量氣體檢測靈敏度的有效模塊，而寬帶紅外光源的上述特性卻阻礙了其與長光程氣室的結合使用，大大降低了檢測系統的靈敏度。當前，尚缺少基于寬帶紅外光源與長光程氣體吸收池相結合使用而形成的高靈敏度痕量氣體檢測裝置。如果采取一定的技術手段，將低功耗寬帶紅外光源與長光程氣體吸收池有效結合，充分發揮寬帶紅外光源輻射波段寬、結構簡潔、價格低廉的優勢，可以突破傳統紅外氣體檢測方法的瓶頸，基于紅外吸收光譜技術實現低成本的高靈敏度多組分氣體檢測裝置。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：

將結構簡單、價格低廉的低功耗寬帶紅外光源與長光程氣體吸收池有效結合，在探測光束傳輸的中途對其進行適當的增益，從而保證最終到達探測器光敏面處的探測光功率；同時，利用寬帶紅外光源的寬波段輻射特性，采用多波長調制的差分吸收光譜方法，對氣體吸收池內多個組分的氣體同時進行檢測。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種基于光纖放大器的差分吸收光譜氣體檢測裝置，其包括：

窄帶探測光束發射模塊，用于發射待測氣體組分特征吸收波長和參考波長的窄帶探測光束到氣體吸收池中，其中待測氣體組分在該參考波長處無吸收特征；

氣體吸收池，其容納待測氣體且包括一組反射鏡，窄帶探測光束在氣體吸收池內的反射路徑依次經過反射鏡上的多個光束入射點；

至少一個光功率放大模塊，包括光纖耦合鏡、第一波分復用器、第二波分復用器、多個光纖放大器及光纖準直鏡，其中光纖耦合鏡穿設在反射鏡上對應于一個光束入射點處，光纖耦合鏡輸入端為光功率放大模塊輸入端口，接收窄帶探測光束，光纖耦合鏡輸出端連接至第一波分復用器輸入端，第一波分復用器輸出端分別連接至各光纖放大器輸入端，所有光纖放大器輸出端皆連接至第二波分復用器輸入端，光纖準直鏡穿設在反射鏡上對應于反射路徑中的后續光束入射點處，第二波分復用器輸出端連接至光纖準直鏡輸入端，光纖準直鏡輸出端為光功率放大模塊輸出端口，光纖準直鏡使經功率放大的窄帶探測光束對準反射路徑中的下一光束入射點射出，波分復用器的分光波長和光纖放大器的放大波長分別與窄帶探測光束波長相對應；

光電探測模塊，用于探測從氣體吸收池出射的窄帶光束，生成相應電信號；