专利名称：一种基于光纤干涉仪的新型气体检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体检测系统，具体讲是一种基于光纤干涉仪的新型气体检测系 统。
背景技术：
环境污染是近年来全世界广泛关注的焦点问题，在各种环境污染中，大气污染最 为突出。随着现代化工业社会的迅猛发展，大气中的二氧化碳，二氧化硫等有害气体日益增 多，如何对这些气体成分做出准确的定量分析已迫在眉睫。目前，国内外气体检测技术发展迅速，检测方法也随被测对象的不同而有所差别。 目前已经认识的大气污染物约有100多种，这些污染物以分子和颗粒物两种形式存在于大 气中。现在用光学检测气体浓度的方法主要有以下几种1、差分吸收光谱技术差分吸收光谱技术(DOAS)是根据大气中痕量气体成分在紫 外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和浓度。利用差分技术可消除大气湍流对 信号的影响，不同污染物之间的干扰和湿度、气溶胶的干扰，能够满足连续监测的要求。目 前DOAS技术存在的技术问题是如何获取高质量的测量光谱。由于该技术是一种弱光谱检 测技术，要求整个系统对各种随机噪声有较好的屏蔽效果，所以影响测量光谱的因素比较
^^ ο2、红外吸收原理光穿过气体时，特征频率谱线光能就会被气体吸收，从而使该频 率的光的能量减弱。光线能量减弱的程度与气体浓度和光线在气体中经过的路程成比例， 这个关系服从从lam-bert-beer定律。进而计算出气体浓度。它克服了以往检测方法容易 中毒老化、易受环境因素影响的缺点，同时它还具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优
点ο3、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术可调谐激光二极管激光吸收光谱技术是 最近发展起来的一种高灵敏、高分辨率的大气痕量气体吸收光谱检测技术。通过调节电流 的大小控制激光波长扫描待测气体吸收峰，测出被测气体吸收峰和吸收峰外的信号进行对 比，用非线性最小二乘法对所测得谱线进行拟合，从而得出被测气体的成分和浓度。其主要 优点是灵敏度高，，在大气痕量气体检测、工业过程控制、污染源排放检测等方面得到了广 泛地应用。对大多数痕量气体分子，其检测限一般都可达到99B量级，甚至991量级。4、激光光声技术光声光谱(PAs)技术基于光声效应，声学波产生自气体对光辐射 的吸收。通过激光二极管发射脉冲激光束在气室中产生光声波，经高灵敏度的声检测器检 测声波的幅值，利用声波幅值与气体浓度的对应关系求出气体的浓度。光声光谱技术是一 种理想的无背景噪声信号技术，具有探测灵敏度高、动态范围大，以及光声光谱探测器的响 应率几乎同波长无关等优点。近年来，随着激光技术的发展，激光光声光谱技术也逐渐成熟 起来。半导体激光器和高灵敏度的声波检测器的实用化，使光声光谱技术得到重视。与传 统的光谱监测方法不同，光声技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出 来的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情况下，很小的吸收能也可以被声波检测器检测。虽然光声光谱法检测技术近年来发展迅速，但仍有一些关键问题亟待解决。采用开放式光 声腔有利于实现现场连续采样和检测，但必须采用声共振工作模式，要维持这种工作模式 必须解决有关技术问题。由于现场环境变化，光声光谱系统在测量时特别容易受到其他干 扰气体的影响，如何排除不同成分气体的谱线重叠和干扰是提高该方法精确度的一个关键 问题。中国西部科技2009年1月《中旬》第08卷第02期总第163期作者为敦超超、韩 东鑫、白怀燕名称为“基于光的杨氏干涉实验的大气污染物排放浓度的检测讨论.，，在理论 上给出一种用干涉原理测量空气中污染气体的浓度的方法。但这种检测技术容易受到环境 的影响，严重影响到测量的精确度。

发明内容
本发明为了克服外在环境的影响，提出了一种全光学的一种基于光纤干涉仪的新 型气体检测系统。本发明的技术方案是按以下方式实现的一种基于光纤干涉仪的新型气体检测系统，由半导体激光器、隔离器、1*2耦合器、 气室、普通光纤和相位解调系统组成，其特征在于半导体激光器的尾纤接入隔离器，隔离器 的输出端与普通光纤相连，普通光纤的另一端与1*2耦合器的输入端相连接，1*2耦合器的 两个同向输出端分别与两根普通光纤相连，其中一根普通光纤中间串接气室；两根普通光 纤的输出端与相位解调系统相连接，通过相位解调系统测出经两路普通光纤输出的两束光 的光相位差，间接求出气体的折射率，进而求出气体的浓度。本发明气体检测系统在使用时，将所测量的气体充入气室，气体的充入会改变光 的折射率，半导体激光器发出的光经过隔离器，进入耦合器，经过耦合器后光被分成两路， 由于气体的充入改变了光的折射率，与另一路不加气室的折射率不同，这样会使两路光产 生光程差，最终这两路光都进入相位解调系统，测出相位差，间接求出气体的折射率，进而 求出气体的浓度。本发明的具体作用原理如图1所示半导体激光器(1)发出激光，通过其尾纤进 入隔离器(2)，隔离器(2)的输出端与普通光纤(6)相连，普通光纤(6)的另一端与1*2耦 合器(3)的一端相连，光就经过隔离器(2)进入1*2耦合器(3)，经过1*2耦合器(3)后光 被分成两束，1*2耦合器(3)的两个同向输出端分别与普通光纤(7)、⑶相连，这两束光就 进入普通光纤(7)、(8)，普通光纤(8)与一个气室(4)相连，气室(4)的另一端与普通光纤 (9)相连，普通光纤(9)和普通光纤(7)的输出端与相位解调系统(5)相连，那两路光就进 入了相位解调系统，通过相位解调系统测出相位差，间接测出气体的折射率，进而求出气体 的浓度。从耦合器(3)出来，光被分成两路，一路通过普通光纤(7)直接连接相位解调系统 (5)，设此路从耦合器(3)出来到相位解调系统的光纤长度为I1，在普通光纤(7)传输的折 射率为ηι，则此路光从耦合器(3)出来到进入相位解调系统(5)的光程为[1L = Ii1I1 ；另 一路光从耦合器(3)出来，经过普通光纤(8)进入气室(4)，再经过普通光纤(9)进入相位 解调系统(5)，设普通光纤(8)、气室(4)、普通光纤(9)的长度分别为I2U3 I4，光在他们中 传输的折射率分别为I^rvn1，则此路光从耦合器(3)出来到进入相位解调系统(5)的光 程为[1]2 = Ii1Ijn2IjniI4,这两路光会有光程差Δ 1，会发生干涉。叫是普通光纤中的折射率，H2是气室中的折射率，会随着气体的浓度的变化而变化。通过相位解调系统(5)检测出 相位的变化，因为η” 1” 12、13、I4是定量，是不变的，只有η2是变量，因此我们可以求出η2, 又因为折射率与气体的浓度有关，我们进而可以求出气体的浓度。本发明具有以下的优点利用光干涉原理，通过光纤传导，相位解调系统解调相位 的变化，进而确定气体的浓度。半导体激光器出来的光被分成两束，相干性好，干涉明显， 相位解调系统解调相位精确度高，使最终的结果精确度高，误差小；用光纤传导使光不再受 环境的影响，能抗强磁力，抗强辐射，使最终的应用性更强；此发明装置也比较简单，容易操 作。


图1是本发明气体检测系统的结构示意图。其中1、半导体激光器2、隔离器3、1*2耦合器4、气室5、相位解调系统6、普通光纤7、普通光纤8、普通光纤9、普通光纤
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例本发明实施例如图1所示，由半导体激光器(1)、隔离器(2)、1*2耦合器(3)、气 室、普通光纤和相位解调系统组成，其特征在于半导体激光器(1)的尾纤接入隔离器(2)， 隔离器(2)的输出端与普通光纤(6)相连，普通光纤(6)的另一端与1*2耦合器(3)的输 入端相连接，1*2耦合器(3)的两个同向输出端分别与两根普通光纤(7)、⑶相连，其中一 根普通光纤⑶中间串接气室⑷；两根普通光纤(7)、(9)的输出端与相位解调系统(5) 相连接，通过相位解调系统(5)测出经两路普通光纤(7)、(9)输出的两束光的光相位差，间 接求出气体的折射率，进而求出气体的浓度。
权利要求
一种基于光纤干涉仪的新型气体检测系统，由半导体激光器、隔离器、1*2耦合器、气室、普通光纤和相位解调系统组成，其特征在于半导体激光器的尾纤接入隔离器，隔离器的输出端与普通光纤相连，普通光纤的另一端与1*2耦合器的输入端相连接，1*2耦合器的两个同向输出端分别与两根普通光纤相连，其中一根普通光纤中间串接气室；两根普通光纤的输出端与相位解调系统相连接，通过相位解调系统测出经两路普通光纤输出的两束光的光相位差，间接求出气体的折射率，进而求出气体的浓度。
全文摘要
一种基于光纤干涉仪的新型气体检测系统，属气体检测技术领域，由半导体激光器、隔离器、1*2耦合器、气室、普通光纤和相位解调系统组成，其特征在于半导体激光器的尾纤接入隔离器，隔离器的输出端与普通光纤相连，普通光纤的另一端与1*2耦合器的输入端相连接，1*2耦合器的两个同向输出端分别与两根普通光纤相连，其中一根普通光纤中间串接气室；两根普通光纤的输出端与相位解调系统相连接，通过相位解调系统测出经两路普通光纤输出的两束光的光相位差，间接求出气体的折射率，进而求出气体的浓度。本发明的优点在于系统具有抗辐射、抗腐蚀、抗电磁干扰，在有害环境中能安全运行，不受环境的影响。
文档编号G01N21/45GK101968441SQ20101028186
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者孔德龙, 宋复俊, 常军, 张燕, 王伟杰, 王宗良 申请人:山东大学