專利名稱：基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全光學的基于分布反饋光纖激光器(DFB-FL)的光聲光譜氣體檢 測系統(tǒng)，具體講是一種利用分布反饋光纖激光器作為光學微音器進行光聲光譜氣體檢測的 系統(tǒng)。
背景技術：
光聲效應是基于物質吸收調制光后通過無輻射熱馳豫放熱而激發(fā)出聲波的效應， 早在1880年Bell等就發(fā)現(xiàn)了光聲效應。在諸多進行氣體濃度檢測的吸收光譜法中，光聲光 譜技術具有以下優(yōu)點測試范圍廣。光聲技術是檢測物質通過無輻射躍遷直接吸收的光能 信號，而不是測量透射過樣品的光能信號，這樣樣品對入射光的反射、散射不會影響到測量 結果，完全不透明和高散射的樣品也能測量，測量范圍幾乎遍及樣品的所有狀態(tài)，比如氣、 液、固、凝膠、粉末、薄膜、膠體等，但早期由于光聲效應太弱，一致沒有得到重視，直到20實 際70年代，隨著激光技術和微弱信號探測技術的發(fā)展，特別是1971年Kreuzer利用可調諧 激光器做光源，測得濃度低至10-7 μ g/L的氣體吸收譜，并從理論上分析了使用激光光源 和高靈敏度微弱信號探測器可對氣體光聲光譜檢出限數量級達到10_13，在此以后，光聲光 譜測量得以迅速發(fā)展。另一個優(yōu)點就是光聲信號強度在樣品吸收光能沒達到飽和的情況 下，與入射光強度成正比，隨著激光技術的發(fā)展，提高入射光的能量以增加檢測靈敏度變得 相對容易。由于光聲光譜分析儀具有的高靈敏度、大動態(tài)范圍、實時檢測等突出優(yōu)點，使得人 們對光聲光譜檢測技術有極大興趣，不斷開發(fā)新光源，研究聲傳感技術和微弱信號檢測技 術，完善光聲光譜理論，使得基于光聲光譜技術的分析儀各方面性能有了顯著提高，近幾年 來，在工農業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測、軍事戰(zhàn)場上對微量氣體監(jiān)測領域相繼開發(fā)了不少基于光聲光 譜的氣體檢測裝置。光聲光譜氣體分析儀主要由六部分組成單色光源、調制器、光聲池、 聲傳感器、信號放大及檢測，數據記錄和傳輸。商用定型的光聲光譜儀很少，在實際應用中 一般需要根據研究對象及實驗室的條件自行設計搭建。光聲效應激發(fā)的光聲信號由高靈敏 度的聲傳感器來探測，通常使用駐極體式電容微音器。一般設計的光聲光譜儀其單色光源、 信號的放大和檢測系統(tǒng)位于現(xiàn)場，但在一些特殊場合，如1)強磁電和放射性的環(huán)境，由于 物理特性制約著普通麥克風的操作，外部的強電磁場的影響能夠引起這些設備功能的喪失 甚至破壞他們。傳統(tǒng)的微音器，包括電容器、駐極體和動態(tài)的微音器，使用依靠含電容器或 線圈的電子線路。這些在微音器中的電子組件對電子的或電磁的干擾是非常敏感的；2)瓦 斯環(huán)境，比如在煤礦挖掘現(xiàn)場。現(xiàn)場中電火花是禁止出現(xiàn)的，這意味著需要將相干光源的激 發(fā)放在遠程，將光源遠程放置，通過光纖導入到光聲池中，也就意味著電子的微音器存在安 全的隱患；3)在環(huán)境污染物監(jiān)測和戰(zhàn)場環(huán)境中毒物檢測應用中，因為氣體檢測設備分散布 置，現(xiàn)場往往不能提供電源，這就需要提供現(xiàn)場無源、結構小巧、集成度和高靈敏性高的光 聲池，以實現(xiàn)檢測的便捷。<中國電機工程學報>2008,28(34) :p40 46.作者為云玉新、陳偉根、孫才新、潘
3柳，名稱為“變壓器油中甲烷氣體的光聲光譜檢測方法”文章中提出了一種基于光聲效應的 新型微量氣體檢測技術，具有靈敏度高，選擇性好，動態(tài)檢測范圍大等優(yōu)點，但這種檢測技 術受限于測量環(huán)境，當存在外部的電磁場時，嚴重影響到測量精度，甚至檢測設備的功能會喪失。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種全光學的基于分布反饋 光纖激光器(DFB-FL)的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)。本發(fā)明的技術方案是按以下方式實現(xiàn)的—種基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源、調制器、 光聲池、980泵浦半導體激光器(LD)、波分復用器(WDM)、分布反饋光纖激光器(DFB-FL)、隔 離器(ISO)和波長解調系統(tǒng)，相干光源通過自帶尾纖連接到調制器，調制器通過較長的普 通光纖連接到氣體環(huán)境的光聲池，光強周期性變化的單色光作用于待測氣體，產生微小聲 音，組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導體激光器通過尾纖和波分復用器的980nm端相連 接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固 定在光聲池里，其一端經普通光纖連接到波分復用器的公共端上；波分復用器的1550nm端 和隔離器相連接，隔離器輸出端經普通光纖和遠端的波長解調系統(tǒng)相連接。所述的波長解調系統(tǒng)是通用的波長解調儀，如美國Optiphase公司生產的型號為 0PD-4000的波長解調儀。本發(fā)明氣體檢測系統(tǒng)在使用時，將本發(fā)明系統(tǒng)中的光聲池置于需要檢測的氣體環(huán) 境或將氣體抽取到光聲池中，利用全光纖的分布反饋光纖激光器作為微小聲音傳感器取代 電子的微音器，當單色光進入光聲池，待測氣體吸收光后，產生微小聲音，聲壓引起DFB-FL 波長的漂移，通過檢測波長的漂移從而確定聲壓，進而推出氣體的濃度。具體講即相干光源 產生單色光后，通過調制器，光強產生周期性的變化，通過較長的普通光纖連接到遠端的光 聲池，注入光聲池，與待測氣體作用，產生聲音。980nm的半導體激光器，和WDM的980nm端 連接，從WDM的公共端輸出，通過較長的普通光纖連接到DFB-FL，WDM的1550端連到隔離器 上，隔離器輸出端連接到波長解調系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術所用的光聲光譜氣體檢測原理如圖(1)所示，相干光源輻射出能夠被待 測氣體吸收的單色光，經過調制器的調制變成光強周期性改變的單色光，進入光聲池，氣體 吸收單色光后，引起它的周期性無輻射弛豫，宏觀上表現(xiàn)為壓力的周期性變化，即形成聲 波；聲傳感器探測到壓力波后將其轉變?yōu)殡娦盘?，該電信號由鎖相放大器或Boxcar積分器 來檢測，并記錄下來，也可以送給遠程計算機分析處理或存盤。本發(fā)明的具體作用原理如下980nm的半導體激光器，產生980nm的激光，通過WDM 進入DFB-FL，作為泵浦光，激發(fā)DFB-FL，產生1550nm附近的窄線寬的激光，當聲音作用到 DFB-FL上時，DFB-FL的波長改變，相干光源產生的可被探測氣體吸收的單色光，經過調制 后形成光強周期性改變的激光，進入光聲池后，被氣體吸收，產生聲波，受到聲壓的影響，封 裝好的DFB-FL的波長也發(fā)生周期性的改變，由于WDM的濾波作用，前向的DFB-FL光只進入 隔離器(IS0)，再進入波長解調系統(tǒng)，我們可以將波長的變化解調出來，這樣波長的變化反 應了聲壓的強度，而聲壓的強度和氣體的濃度有著直接的關系，通過合適的算法即可表示
4出氣體的濃度。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點在具有光聲光譜方法高靈敏度的同時，無電子組件連接 在光纖探頭上，任何的電磁性或靜電干擾對微音器不起作用，可在強電磁、放射性環(huán)境中正 常使用；全光纖的聲音探測系統(tǒng)，不與瓦斯等易燃易爆氣體發(fā)生作用，可用于特殊氣體環(huán)境 的檢測；基于光纖的系統(tǒng)，便于多個復用，組成網絡，實現(xiàn)多點的遠距離監(jiān)控。


圖1是現(xiàn)有技術光聲光譜氣體檢測的結構示意圖。其中1、相干光源、2、調制器、3、光聲池、4、微音器、5、信號放大及檢測部分，6、數 據記錄和傳輸部分。圖2是本發(fā)明氣體檢測系統(tǒng)的結構示意圖。其中7、相干光源、8、調制器、9、普通光纖，10、光聲池、ll、980nm半導體激光器 泵浦，12、波分復用器(WDM)，13、普通光纖，14、分布反饋光纖激光器(DFB-FL)，15、隔離器 (IS0)，16、波長解調系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。實施例本發(fā)明實施例如圖2所示，包括相干光源7、調制器8、光聲池10、980泵浦半導體 激光器(LD) 11、波分復用器(WDM) 12、分布反饋光纖激光器(DFB-FL) 14、隔離器(ISO) 15和 波長解調系統(tǒng)16，相干光源7通過自帶尾纖和調制器8相連接，調制器8通過較長普通光纖 9連接到遠端的光聲池10，輸出的光強周期性變化的激光作用于待測氣體，產生微小聲音， 組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導體激光器(LD) 11通過尾纖和波分復用器(WDM) 12的 980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器(DFB-FL) 14 作為探測聲音的傳感器固定在光聲池10里，其一端經較長的普通光纖13連接到遠端的波 分復用器(WDM) 12的公共端上；波分復用器(WDM) 12的1550nm端和隔離器(ISO) 15相連 接，隔離器(ISO) 15輸出端經普通光纖和波長解調系統(tǒng)16相連接。
權利要求
一種基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源、調制器、光聲池、980泵浦半導體激光器、波分復用器、分布反饋光纖激光器、隔離器和波長解調系統(tǒng)，相干光源通過自帶尾纖連接到調制器，調制器通過較長的普通光纖連接到氣體環(huán)境的光聲池，光強周期性變化的單色光作用于待測氣體，產生微小聲音，組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導體激光器通過尾纖和波分復用器的980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里，其一端經普通光纖連接到波分復用器的公共端上；波分復用器的1550nm端和隔離器相連接，隔離器輸出端經普通光纖和遠端的波長解調系統(tǒng)相連接。
全文摘要
基于分布反饋光纖激光器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，屬氣體檢測技術，包括相干光源及分布反饋光纖激光器等，相干光源通過自帶尾纖和調制器相連接，調制器通過普通光纖連接到光聲池組成聲音信號激發(fā)光路；980泵浦半導體激光器通過尾纖和波分復用器的980nm端相連接以及后續(xù)光路組成檢測光路，其特征在于分布反饋光纖激光器作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里，其一端經普通光纖連接到波分復用器的公共端上；波分復用器的1550nm端和隔離器相連接，隔離器輸出端經普通光纖和遠端的波長解調系統(tǒng)相連接。本發(fā)明可在強電磁、放射性環(huán)境中正常使用，可用于特殊氣體環(huán)境的檢測；便于多個復用，組成網絡，實現(xiàn)多點的遠距離監(jiān)控。
文檔編號G01N21/17GK101936878SQ20101023861
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權日2010年7月28日
發(fā)明者公培軍, 孔德龍, 宋復俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學