[发明专利]一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统及方法

说明书

本发明属于光电检测技术领域，公开了一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统及方法。该系统包括可调谐激光光源、隔离器、出射透镜、入射透镜、光电探测器、电信号线、示波器、光纤、有序排列光纤束、光纤束；本发明提出的基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量方法，解决了当前混合气体成分流速和流量无法测量的难题。检测方法各个环节均不与气体流体接触，不破坏气体流体原流动状态，并且传感设备不会受到气体流体污染。采用有序排列光纤束作为光接收装置，光纤间排列紧密、间距小，有效提高测量分辨力，并且耐腐蚀，不易受电磁干扰，可以应用在苛刻的检测环境。运用差分信号处理方法，有效抑制共模噪声信号，提高信噪比。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统及方法。

背景技术

气体流速和流量检测广泛存在于工业生产和日常生活中，包括石油化工产业中气体产品传输过程、家用燃气表对用户燃气使用量的计量等。在诸多气体流速和流量检测背景中，被检气体不仅包括单一气体介质情况，还包括混合气体情况，如机动车尾气检测。对于混合气体介质，目前气体流速和流量检测方法只能实现混合气体整体流速和流量的测量，无法实现对混合气体中的一种或多种成分气体流速和流量的选择性测量。

发明内容

为了解决现有气体流速和流量测量方法存在的不足，本发明提出一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量方法，旨在实现对混合气体中的一种或多种气体流速和流量的选择性测量，为特殊场合下的气体流速和流量测量提供一种新颖可靠的解决方法。

本发明提出一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统，包括可调谐激光光源、隔离器、出射透镜、入射透镜、光电探测器A、光电探测器B、电信号线A、电信号线B、示波器、光纤A、光纤B、有序排列光纤束、光纤束A和光纤束B；所述的可调谐激光光源为输出光波长可调节的激光光源，被检气体的光谱吸收波长在其可调范围内；隔离器用于实现光信号沿箭头方向单向传输；光纤A、光纤B、光纤束A、光纤束B、有序排列光纤束均采用宽带光纤，且宽带光纤的可传输光波长范围相同，能够传输被检气体的光谱吸收波长所对应光信号；有序排列光纤束内的光纤按照垂直于气体流速方向依次排列成行，行与行之间依次错落叠放，相邻两行间互相相切的三个光纤的纤芯构成等边三角形；出射透镜与光纤B相连，用于将从隔离器输入进光纤B的光信号发散输出，照射并穿透被检气体；入射透镜与有序排列光线束相连，用于接收穿透被检气体的光信号，并将接收到的光信号传递到有序排列光线束；光电探测器A和光电探测器B能够将被检气体的光谱吸收波长所对应光信号的强度转化成电信号的强度；电信号线A与光电探测器A和示波器相连，用于将光电探测器A产生的电信号传递给示波器；电信号线B与光电探测器B和示波器相连，用于将光电探测器B产生的电信号传递给示波器；示波器用于对光电探测器A和光电探测器B输出的电信号进行实时显示，并对采集到的电信号进行计算处理。

进一步地，上述宽带光纤为光子晶体光纤或掺杂光纤。

上述基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统的方法，包括如下步骤：可调谐激光光源发出光信号经光纤A进入到隔离器，并由隔离器经光纤B进入出射透镜，由出射透镜照射到流经气体管道的混合气体，经过混合气体后，光信号由入射透镜进入有序排列光纤束，由于混合气体中的被检气体对光信号的吸收作用，进入有序排列光线束的光信号强度发生变化，并且，随着混合气体中被测气体沿轴向移动，有序排列光纤束内有序排列的每行光纤依次接收到该光信号强度变化，其中，有序排列光纤束的奇数行光纤接收到的光信号经光线束A传输到光电探测器A，有序排列光纤束的偶数行光纤接收到的光信号经光线束B传输到光电探测器B，光电探测器A产生的电信号经电信号线A传到示波器，光电探测器B产生的电信号经电信号线B传到示波器；通过示波器对两路电信号进行差分运算和频谱分析，即可得到混合气体中的被测气体流速和流量。