[发明专利]基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤光栅的近红外吸收浓度传感器信号解调方法，属于传感器与检测技术领域。

背景技术

光谱吸收式光纤气体传感机理是基于气体在近红外波段的选择吸收特性，利用气体在石英光纤透射窗口(0.8μm-1.7μm)内的吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，得到气体的浓度。

国外对光谱吸收式光纤气体传感器的研究起源于20世纪80年代初。由于光源技术发展的限制，最初十年左右的研究，光源都是选用LED宽带光源。(K.Chan，H.Ito，H.Inaba，et al.An Optical-Fiber-Based Gas Sensor for Remote Absorption Measurement of Low-Level CH₄ Gasin the Near-Infrared Region.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，2(3)，1984)采用InGaAsP LED做光源，结合介电干涉滤波器或单色仪，2千米的传输光纤进行传光，利用甲烷气体在1.66μm的近红外吸收，所用气室长度为50厘米，得到的探测灵敏度是700ppm。分布反馈式(DFB)激光器的出现，利用激光器的高功率特性和可调谐性并结合谐波检测技术，使光纤气体传感器的精度有了很大提高。如(V.Weldon，J.O’Gorman，P.Phelan，et al.H₂S and CO₂ gas sensing using DFB laser diodes emitting at 1.57μm.SENSORS AND ACTUATORS B，29，1995)研制成功用于监测二氧化碳(CO₂)以及硫化氢(H₂S)的光学式气体检测仪，在仪器中，利用1.573μm的DFB激光器作为光源，两种仪器的灵敏度分别为：CO₂为100×10^-6，H₂S优于安全爆炸限10×10^-6。但是气体传感波段的DFB激光器成本居高不下，对于单点光纤气体传感系统，如此高的成本将限制它与其他类型的传感器竞争。人们开始利用光纤宽带和易于成网的特点进行多点光纤气体传感器的研究，使得多个光纤气体传感探头共用同一激光光源或者同一信号处理设备，大大降低成本。如(G.Stewart，C.Tandy，D.Moodie，et al.Design of a fibre optic multi-point sensor for gas detection.SENSORS AND ACTUATORS B，51，1998)报道了利用空分复用方式工作的多点光纤气体传感技术，试验结果显示在复用数量不多的情况下，它的精度与单点系统相当；(M.ZavrSnik，G.Stewart.Coherence Addressing of Quasi-Distributed Absorption Sensors by the FMCW Method.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，18(1)，2000)发表了基于相干复用串联的光纤气体传感复用系统，但是由于串联系统本身固有结构的限制，这个系统的各传感单元间串扰复杂，测量数目及测量灵敏度都不是很高。

最近几年，由于光纤激光器的发展，它输出波长的可调谐性和高功率特性使其成为光纤气体检测的可选光源，如(G.Whitenett，G.Stewart，H.B.Yu，et al.Investigation of a Tuneable Mode-Locked Fiber Laser for Application to Multipoint Gas Spectroscopy.JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，22(3)，2003)提出了基于锁模光纤激光器的光纤气体传感器模型。另外，由于气体在近红外波段的吸收比较弱，高灵敏度光谱吸收技术也是光纤气体检测的研究重点，内腔吸收光谱分析技术和衰荡光谱分析技术应用于光纤气体检测系统可以提高测试灵敏度，但是，系统的稳定性有待进一步提高。