CN100432655C - 基于光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于线性腔光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备。本发明以980纳米激光作为泵浦源，光纤布拉格光栅对构成反馈腔，在拉锥光纤中传播的光能量在外界空气中形成倏逝场拖尾，光能量的损耗对一些气体的浓度敏感，测量线性腔光纤激光器的输出光功率得到气体的浓度。本发明适用于不同种类气体浓度的测量。由于信号光在激光腔内来回震荡，增加了传感的有效光程，本发明极大地提高了气体浓度测量精度。同时由于信号光功率被激光器放大，非常有利于长距离信号传输。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及了一种基于线性腔光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备。
背景技术
随着科学技术的进步和工业化的发展，人类生活环境的污染也在不断增加，其中大气污染是极为严重的问题之一，人们的生活环境中存在着各种有害有毒、易燃易爆的气体，从家用可燃性气体到工业、交通运输业中排放的各种有害气体，乃至频繁引起煤矿爆炸的原凶甲烷，都需要高精度的气体传感器进行测量。
光纤气体传感器相比于其他气体传感器有如下优势：(1)适合于长距离的在线测量；(2)适合于测量可燃易爆气体或工作于易燃环境以及在强电磁干扰环境下测量；(3)传感单元结构简单，稳定可靠；(4)易于组成光纤传感网络。因此，近二十年来光纤传感器在气体传感方面涌现出很多应用方案，如利用Lambert-Beer定律的光纤光谱吸收法以及在此原理上改进的光纤倏逝波损耗法。上述方法往往需要利用几何光学的方法增加光在待测气体中的行程以提高测量精度，这对传感器集成和封装非常不利。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种易于集成和封装的基于线性腔光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备。
本发明的方法包括以下步骤：
1、确定待测气体在1525～1565纳米光通讯波段的光谱吸收峰位置，根据该吸收峰位置，设计光纤布拉格光栅，使之反射峰位置对准该气体吸收峰，反射率大于等于99％。
2、将两个相同参数的光纤布拉格光栅分别熔接在两段掺铒光纤的一端，两段掺铒光纤的另一端通过拉锥光纤光连接，光纤布拉格光栅、拉锥光纤和掺铒光纤构成反馈谐振腔；将波长为980纳米泵浦光经过单向隔离器由谐振腔一端对该谐振腔进行泵浦，谐振腔另一端作为激光输出端。
3、将作为传感元的拉锥光纤置于充满待测气体的气室中，当线性腔光纤激光器工作时，信号光在谐振腔内来回震荡，经过拉锥光纤时，倏逝波拖尾暴露在待测气体中，由于信号光波长正好落在气体吸收峰上，光能量被待测气体吸收损耗，损耗方程满足Lambert-Beer定律：
I＝I0exp(-αrnL)，(1)
其中，I为输出光光强，I0为入射光光强，α为气体吸收系数，r为倏逝波拖尾占总光能比例，n为气体浓度，L为信号光在待测气体中经过的有效光程。从公式(1)可以看出，激光器腔内损耗与气体浓度成指数关系。由于激光器出光功率与激光器腔损有关，因此光功率大小反映了气体浓度大小。
4、在气室中充入不同浓度的待测气体样本，检测对应的激光输出强度，确定浓度与激光输出强度关系；考虑到测量的为低浓度气体，可以认为气体浓度与激光输出强度呈线性关系：
I＝An+B，(2)
其中，I为激光输出强度，n为气体浓度。
5、将需要检测浓度的待测气体充入气室，根据公式(2)，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度。
实现上述方案的设备包括：一置于气室内直径D为1～3微米、长度L为5～15厘米的拉锥光纤，拉锥光纤的两端分别与掺铒光纤光连接，掺铒光纤的另一端分别设有光纤布拉格光栅。980纳米波长的泵浦源通过单向隔离器与一光纤布拉格光栅光连接，光电二极管与另一光纤布拉格光栅光连接。
本发明主要适用于在光通讯谱段(1525～1565纳米)有光谱吸收峰的低浓度(体积比1～5％)气体的高精度测量。由于激光器腔内的谐振效应，使传感的有效腔长大大增加，从而极大地提高了测量精度。又由于激光器对信号光的放大作用，使光信号远距离传输的能力得以增强，十分适合于远距离传感的应用场合。同时，本发明还兼具有抗电磁干扰、适于分布式方案、结构简洁易于集成等优点。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
以检测二氧化碳浓度为例，选定二氧化碳气体在光通讯波段的光谱吸收峰位置为1538纳米，设计并制作两个反射峰位置为1538纳米、反射率为99％的光纤布拉格光栅。
如图1和2所示，一置于气室6内直径为2微米、长度为10厘米的拉锥光纤5，拉锥光纤5的两端分别与掺铒光纤4和7光连接，掺铒光纤4和7的另一端分别设有光纤布拉格光栅3和8，980纳米波长的泵浦源1通过单向隔离器2与一光纤布拉格光栅3光连接，光电二极管9与另一光纤布拉格光栅8光连接。
980纳米波长的DFB激光器工作，线性腔光纤激光器开始出光。在气室中充入不同浓度的待测气体样本，检测对应的激光输出强度，确定浓度与激光输出强度关系；考虑到测量的为低浓度气体，可以认为气体浓度与输出光功率的呈线性关系：
I＝An+B，(2)
其中，I为激光输出功率，n为气体浓度。
将传感器安装在矿山、隧道、煤气站等测量场所，将外界气体充入气室，用光电二极管测出光功率值，利用公式(2)得到被测地区的气体浓度。
本方案具有测量精度高、适合远距离传感、抗电磁干扰和结构简洁等优点。
Claims (2)
1、基于线性腔光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)根据待测气体，确定该气体在1525～1565纳米光通讯波段的光谱吸收峰位置；根据该吸收峰位置，设计光纤布拉格光栅，使之反射峰位置对准该气体吸收峰，反射率大于等于99％；
(2)将两个相同参数的光纤布拉格光栅分别熔接在两段掺铒光纤的一端，两段掺铒光纤的另一端通过拉锥光纤光连接，光纤布拉格光栅、拉锥光纤和掺铒光纤构成反馈谐振腔；将波长为980纳米泵浦光经过单向隔离器由谐振腔一端对该谐振腔进行泵浦，谐振腔另一端作为激光输出端；
(3)将作为传感元的拉锥光纤置于气室中，在气室中充入不同浓度的待测气体样本，检测对应的激光输出强度，确定浓度与激光输出强度关系；所述的待测气体样本为低浓度气体，气体浓度与激光输出强度呈线性关系：I＝An+B，其中，I为激光输出强度、n为气体浓度；
(4)将需要检测浓度的待测气体充入气室，根据(3)确定的气体浓度与激光输出强度的关系，通过测定激光输出强度确定待测气体浓度。
2、采用权利要求1方法所使用的设备，其特征在于该设备包括一置于气室内的拉锥光纤，拉锥光纤的两端分别与掺铒光纤光连接，掺铒光纤的另一端分别设有光纤布拉格光栅，980纳米波长的泵浦源通过单向隔离器与一光纤布拉格光栅光连接，光电二极管与另一光纤布拉格光栅光连接；所述的拉锥光纤直径为1～3微米、长度为5～15厘米。
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