[发明专利]一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法，具体讲是一种内腔式的利用激光波长扫描的光谱吸收性气体检测方法和系统。

背景技术

现代工业发展的同时也引发了一系列安全和环境污染等社会问题，例如，工业生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的气体的种类和数量随着工业的发展而越来越多，这些气体中，有毒性气体和可燃性气体不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾和使人中毒的危险。伴随着世界各国大力发展煤炭工业，煤矿爆炸事故日益增加。此外汽车工业的蓬勃发展，家庭液化石油气、煤气和天然气的广泛使用对环境污染提出更为严峻的挑战。对这些气体迅速准确的检测将有效地防止此类恶性事件的发生。

气体浓度的快速准确检测是环保监控、安全生产、医疗监护、工业过程必不可少的关键技术，在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗等行业以及环保工程和生物工程等方面都有着广泛的应用，气体传感器的研究已经受到极大的重视。

目前主要存在如下几种气体传感器形式：氧化物半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、有机半导体气体传感器、石英振子气体传感器、场效应气体传感器、热催化气体传感器、表面声波气体传感器、光学气体传感器、气相色谱分析传感器等。

随着经济与科技的发展，人们对气体传感器提出了越来越高的要求，传统的气体传感器渐渐暴露了自身的一些弱点，如半导体气体传感器普遍存在易中毒测量精度低、抗干扰能力差的问题，而且在石油、化工等易燃易爆环境中使用这类传感器还会带来安全方面的隐患。因此，开发先进的新型的气体传感器成为一项紧迫的任务，而近年来迅速发展的光纤气体传感器具有传统气体传感器无可比拟的优点，由于光纤传感器具有体积小，抗干扰能力强，测量精度高，可远离现场检测等优点，因此能可靠用于工业现场条件的光纤气体传感器日益得到人们的重视。而光谱吸收型光纤气体传感器又是当前主要采用的检测方式。

光谱吸收型光纤气体传感器又采用以下的方式来实现气体的检测：直接吸收型，差分吸收法，扫描式吸收法，二次谐波法，内腔式气体检测法等，直接吸收型和差分吸收法，结构简单，但灵敏度不高，扫描式吸收法和二次谐波法，测量精度较高，而且也是目前比较常用的方法，但电路结构复杂，不利于多路复用；内腔式气体检测法，将气室引入谐振腔内部，大大提高了检测精度，但技术还不够成熟，成本也比较高。

<激光与红外>2002，32(3)：p193～196.作者为喻洪波，廖延彪，靳伟，何海律，名称为“光纤化的气体传感技术”，文章中提到了多种气体检测技术，直接吸收型和差分吸收法，结构简单，但灵敏度不高，扫描式吸收法和二次谐波法，测量精度较高，而且也是目前比较常用的方法，但电路结构复杂，不利于多路复用；内腔式气体检测法，将气室引入谐振腔内部，大大提高了检测精度，但技术还不够成熟，成本也比较高。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种波长扫描的内腔式气体检测系统和方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种波长扫描的内腔式气体检测系统，包括980nm泵浦源、WDM(980/1550nm波分复用器)、掺铒光纤、准直器、气室、全反镜、布拉格光栅、压电陶瓷、隔离器、光电探测器、放大及滤波电路、数据采集卡和计算机，其特征在于980nm泵浦源通过尾纤连接到WDM的980nm一端，WDM的公共端连接到掺铒光纤上；掺铒光纤的另一端接到准直器上，准直器的后面是气室，由准直器将光注入到气室中；气室中装有待测气体，气室的后端装有全反镜；WDM的1550nm端通过尾纤和光纤光栅相连，光纤光栅固定在压电陶瓷上；光纤光栅另一端和隔离器相连，隔离器的另一端和光电探测器连接，光电探测器输出端连接放大及滤波电路，放大及滤波电路后面连接数据采集卡；数据采集卡和计算机相连，通过数据采集卡将信号送入计算机进行数据处理；压电陶瓷和数据采集卡相连接，由计算机经由数据采集卡提供驱动电压作用到压电陶瓷上。

所述的数据采集卡包括模拟输入和模拟输出部分，为通用型数据采集卡，如上海仪可电子科技有限公司生产的PCI-2113A。

一种利用上述气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：

1)将气体检测系统连接好，将标准气体充入气室；打开计算机和数据采集卡的电源，调试数据采集卡使其能正常进行数据采集和模拟输出；

2)将980nm泵浦源电源打开，将功率计接到隔离器的输出端，检查由全反镜和光栅构成的谐振腔的激光输出是否正常；使用光谱仪接到隔离器输出端，粗略测量并确定波长；