[发明专利]基于复合腔光纤激光器的高灵敏度内腔气体检测仪

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种复合腔光纤激光器技术的有源腔光纤气体检测系统，使用基于有源复合腔技术对气体浓度进行高灵敏度的实时在线检测。

背景技术

在工业生产和日常生活中，不可避免地会产生一些易燃、易爆、有害的气体，这些气体不仅会严重威胁生产安全，也会对生态环境造成一定的危害。因此，需要及时对这些气体的浓度进行迅速准确的检测，防止不利于安全生产和人们生活的事件发生，研究高精度的气体检测技术势在必行。

传统的气体传感器主要是包括半导体式、电化学式、催化燃烧式、固体电解质式等，这类气体传感器价格便宜，易于操作，但测量范围较小，精度低，且每一到两周需要校正一次，长期可靠性差，使用寿命较短；后来发展起来的气相色谱法气体分析仪，检测精度高，但存在取样困难、测量周期长、不能在线测量、实时性差等缺点。近年来兴起的红外瓦斯传感器，可以实现远距离实时检测，但是存在温度飘移、受潮湿影响较大，容易受到其他气体成分交叉吸收的影响等问题。

随着光纤传感和光通讯技术的发展，基于窄带光谱吸收的光纤气体传感器因抗电磁干扰、体积小、耐高温、耐腐蚀等众多优异的特性而受到广泛的关注。它使用光导纤维作为传感器件或信号传输媒介，特别适用于在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、强腐蚀性等极端恶劣条件下的测量。目前比较成熟的光电子器件大多数工作在近红外波段，但气体分子在近红外波段的吸收一般比较弱，尤其像一氧化碳等气体，吸收系数甚至为10^-23量级，这就限制了痕量气体的检测灵敏度。为了提高灵敏度，采用锁相放大技术来探测微弱信号，这样可以在一定程度上提高检测灵敏度，但电路结构复杂，也给检测系统带来了不稳定性。另外一种有效的方法就是采用长光程池增加气体的吸收光程，这样造成传感探头非常庞大，而且系统的响应时间增长，长期稳定性比较差。

作为一种新型的光纤气体传感方法, 有源内腔法将气体吸收池引入激光器的谐振腔内, 并使激光器的激射波长与待测气体的吸收光谱相对应, 激光在谐振腔内振荡过程中多次经过待测气体, 从而将较小的气体吸收池长度等效为很大的有效吸收光程，在不需增加传感探头尺寸的情况下，极大地提高了气体检测的灵敏度。

发明内容

本发明主要目的是设计一种用于气体检测的光纤激光有源复合腔高灵敏度气体检测系统。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种基于复合腔光纤激光器的高灵敏度内腔气体检测仪，其特征是它包括复合腔分布反馈式光纤激光器和与之配合的光信号解调装置，其特征是所述光信号解调装置包括与复合腔分布反馈式光纤激光器输出端连接的光电探测器，在光电探测器和计算机之间设置采集卡；在掺铒光纤和光纤π相移光栅之间设置有气体吸收池；

复合腔分布反馈式光纤激光器包括泵浦光源、WDM、第一光纤光栅、掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅；其中由第一光纤光栅和第二光纤光栅这两个光纤布拉格光栅和一个光纤π相移光栅联合构成的一个复合腔作为谐振腔；泵浦光源与WDM的980端相连，WDM的1550端和光纤环型器的入射端相连， WDM公共端依次与第一光纤光栅、掺铒光纤、光纤π相移光栅以及第二光纤光栅串联；所述复合腔分布反馈式光纤激光器所产生的激光波长与光纤π相移光栅中心窗口波长一致；第一光纤光栅，第二光纤光栅和光纤π相移光栅两端均分别被固定在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上。

本方案的具体特点还有，第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器均与信号发生器电连接，信号发生器分别通过控制施加在第一压电微位移器，第二压电微位移器和第四压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致，信号发生器产生一个模拟电压信号控制压电微位移器的伸缩量。

环型器的公共端和第三光纤光栅相连，第三光纤光栅固定在第三压电微位移器上，第三压电微位移器与信号发生器电连接，信号发生器通过控制施加在第三压电微位移器上的电压来调整第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅以及光纤π相移光栅中心波长保持一致。

信号发生器是具有锯齿波输出功能的信号发生器，信号发生器与计算机电联接。信号发生器采用计算机控制的信号发生器，能够根据计算机控制指令输出不同频率、不同直流分量以及波幅的锯齿波电压信号。

光纤π相移光栅是在光纤上刻写一段光栅，在光栅中间位置产生一个相位为π的相移，从而使得光栅谱中间打开一个非常窄的窗口。

所述复合腔分布反馈式光纤激光器在信号发生器输出的锯齿波驱动下，输出波长能够覆盖待测气体的至少一个吸收峰。