[实用新型]高选择性光纤气体传感器

说明书

(1)技术领域

本实用新型涉及一种传感器，尤其是光纤气体传感器。

(2)背景技术

利用气体分子在红外波段的光谱吸收及配合光纤低损耗远距离传输的特点，采用光纤光谱特性检测各种有害、易爆气体，由于其具有本质安全性，还可以进行遥测和多点分布式检测，是气体检测中一种很有发展前景的方法。传统的光谱吸收测量法有双波长差分法、滤波器匹配法、相关光谱法，等等。气体测量遇到的一个难题是如何消除干扰气体对测量结果的影响。在气体检测区中如果存在干扰气体，它的光谱吸收恰好也落在检测系统光源的光谱范围内，这一干扰气体就会影响传感器的输出。采用双波长差分检测法这一问题尤为严重。使用滤波器匹配法可以在一定程度提高测量的选择性，但对某些吸收谱线间隔不均匀气体无法应用，有一定局限性。以往的相关光谱法是在光路上增加一个气体参考测量腔，其中充满被测气体，它通过调制参考腔，在输出端可以得到幅度与测量腔被测气体浓度有关的交流信号。由于参考腔的吸收谱线与被测气体精确匹配，这种测量方法有较好的选择性。但现有调制参考腔的方法为机械式或通过压电陶瓷改变腔内气体浓度，机械式不便实用，而压电陶瓷片调制度很低，通常只有1％左右，对传感器性能影响很大。

(3)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用新相关光谱检测法，可消除干扰气体对传感器输出产生影响，大幅度提高系统调制度的高选择性光纤气体传感器。

本实用新型设有光源、滤波器、透镜、光纤、测量腔、光纤分路器、参考腔、探测器、放大器。所说的光源为可覆盖气体吸收谱线的宽带光源，与滤波器组合，光经透镜耦合进入光纤并传至测量腔，光纤分路器(耦合器)将测量腔的出射光分为二束。二束光中一路耦合进充满100％浓度被测气体的参考腔，另一路光直接接光电探测器。光经过充满气体的参考腔后被再次吸收，然后送入另一探测器检测其强度。探测器的输出端接差分运算放大器的输入端。

从测量腔出射的光包含可能存在的被测气体和干扰气体两部分信息。分束后再经过参考腔的光信号被被测气体再次吸收，探测器接收到的这路光强信号记为I₁。另一路直接被光电探测器接收的光信号强度记为I₂。调整测量腔与参考腔耦合系数、光纤分路器分光比、探测器放大倍数等参数，使测量腔在没有被测气体时输出为平衡状态(I₁＝I₂)。当测量腔内有被测气体时，传感器的差分输出I₁-I₂只与被测气体的浓度有关，而干扰气体对传感器输出不会产生影响。

(4)附图说明    

图1为本实用新型组成示意图。

图2为探测器电路原理图。

图3为差分运算放大器电路原理图。

(5)具体实施方式

如图1所示，光源1为一个输出光谱可以覆盖被测气体吸收谱线的宽光谱低相干性光源，如发光二极管或大功率白炽灯。滤波器2起到消除气体吸收光谱以外光谱成分作用，对提高系统信噪比有益。然后光经透镜耦合进传输光纤，进入气体测量腔3。测量腔3输出光纤与光纤分路器4的输入光纤连接，经光纤分路器4后分为两路光，一路与参考腔5的输入光纤连接后进入探测器6，另一路光纤直接与探测器6连接，两个探测器信号经放大器后输出信号分别为I₁和I₂。输出信号I₁、I₂再经差分运算放大器7。光纤分路器4的分光比由后续参考腔插入损耗及探测器放大倍数决定，应选择分光比使测量腔无被测气体时传感器输出(I₁-I₂)/(I₁+I₂)＝0。

显而易见，本实用新型应用新的相关光谱检测方法，与传统的相关光谱检测方法不同，新装置不对参考腔施加调制，这在使用上能大大简化参考腔制作的复杂性并降低系统成本，也减少了传感系统误差的一个来源。更重要的一个优点是，本方法通过两路信号相减产生的等效调制，其调制度与参考腔长度成正比，一般可达20％以上，大大提高了传统相关光谱检测方法可达到的调制度，对提高气体传感的灵敏度有很大帮助。同时，新的检测方法对抑制干扰气体对输出结果影响的效果明显，可以构成具有高选择性的气体浓度检测系统。