本发明公开了一种光纤混合气体定量测量系统，该系统中计算机控制数据采集卡产生TOF调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路输入光纤可调谐激光器，光纤可调谐激光器在TOF驱动电路的作用下输出窄带探测光，探测光经光纤耦合器分成两路，其中一路探测光进入测量气室，经微弱信号检测电路的输出经数据采集卡送至计算机进行分析处理；另一路探测光进入光纤光栅阵列，经光电转换之后的信号由数据采集卡采集至计算机完成TOF调制中心和调制宽度的控制。本发明的光纤气体检测系统灵敏度高、成本低、能够测试光纤混合气体、测试结果精度高、该系统适用领域广，具有良好的应用前景。
1.一种光纤混合气体定量测量方法，其特征在于，该方法按照以下步骤：
(1)计算机(12)控制数据采集卡(11)产生TOF调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路(10)输入光纤可调谐激光器(1)，使光纤可调谐激光器(1)输出的探测光波长以待测气体吸收峰为中心，在吸收谱线的线宽范围内做正弦调制；
(3)第一路探测光进入测量气室(6)，经待测气体吸收之后会产生与气体浓度成正比的二次谐波信号，经气体吸收后的探测光由第二光电探测器(7)进行光电转换，然后由微弱信号检测电路(8)提取二次谐波信号的幅值，微弱信号检测电路(8)的输出数据经数据采集卡(11)送至计算机(12)进行分析处理；
(4)第二路探测光进入光纤光栅阵列(3)，光纤光栅阵列(3)置于恒温箱(9)中，探测光经光纤光栅阵列(3)之后由第一光电探测器(4)进行光电转换，第一光电探测器(4)输出为光纤光栅阵列(3)的透射光谱，由数据采集卡(11)采集至计算机(12)，计算机通过监测分析光纤光栅阵列(3)透射光谱的形状，调整控制TOF调制信号的大小，使TOF输出光中心波长始终以待测气体吸收峰为中心，在待测气体吸收线宽范围内稳定地扫描。
2.一种光纤混合气体定量测量系统，其特征在于，该系统包括：光纤可调谐激光器(1)、光纤耦合器(2)、光纤光栅阵列(3)、第一光电探测器(4)、探测器驱动电路(5)、测量气室(6)、第二光电探测器(7)、微弱信号检测电路(8)、恒温箱(9)、TOF驱动电路(10)、数据采集卡(11)和计算机(12)；计算机(12)控制数据采集卡(11)产生TOF调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路(10)输入光纤可调谐激光器(1)，光纤可调谐激光器(1)在TOF驱动电路(10)的作用下输出探测光，探测光经光纤耦合器(2)分成两路，其中一路探测光进入测量气室(6)，经待测气体吸收之后由第二光电探测器(7)进行光电转换，然后由微弱信号检测电路(8)提取二次谐波信号的幅值，微弱信号检测电路(8)的输出经数据采集卡(11)送至计算机(12)进行分析处理；另一路探测光进入光纤光栅阵列(3)，经光纤光栅反射之后由第一光电探测器(4)进行光电转换，光电转换之后的信号由数据采集卡(11)采集至计算机(12)，光纤光栅阵列(3)置于恒温箱(9)中；
所述光纤可调谐激光器(1)由980nm泵浦光源(101)、波分复用器(102)、光纤可调谐滤波器(103)、掺铒光纤(104)、第一隔离器(105)、第二隔离器(106)、光纤耦合器(107)和第三隔离器(108)组成；980nm泵浦光源(101)产生的泵浦光经波分复用器(102)加至掺铒光纤(104)，掺铒光纤产生自发辐射的宽带光，经过第一隔离器(105)、光纤耦合器(107)、第二隔离器(106)加至光纤可调谐滤波器(103)进行选频，滤波器的出射光经波分复用器(102)再次进入掺铒光纤形成正反馈，产生激光，激光经光纤耦合器(107)和第三隔离器(108)输出。
3.根据权利要求2所述的一种光纤混合气体定量测量系统，其特征在于，所述测量气室(6)包括进气口(601)、出气口(602)、第一光纤准直器(603)、第二光纤准直器(604)、第三光纤准直器(605)、第四光纤准直器(606)、第五光纤准直器(607)和第六光纤准直器(608)；入射光由第一光纤准直器(603)转换成平行光，经过气室之后，由第二光纤准直器(604)接收耦合入光纤，再经第三光纤准直器(605)接收耦合入光纤、第四光纤准直器(606)接收耦合入光纤、第五光纤准直器(607)接收耦合入光纤之后，由第六光纤准直器(608)射出气室。
4.根据权利要求2所述的一种光纤混合气体定量测量系统，其特征在于，所述微弱信号检测电路(8)由前置放大器(801)、第一带通滤波器(802)、放大器(803)、第二带通滤波器(804)、同步积分器(805)、锁相放大器(806)、低通滤波器(807)和参考调理电路(808)组成；微弱信号经前置放大器(801)、第一带通滤波器(802)、放大器(803)和第二带通滤波器(804)进入同步积分器(805)；计算机(12)控制数据采集卡(11)输出参考信号，经参考信号调理电路(808)后分别进入同步积分器(805)和锁相放大器(806)，同步积分器(805)输出的方波信号经锁相放大器(806)后转变成直流信号，然后经低通滤波器(807)滤波后输出至计算机。
一种光纤混合气体定量测量系统及测量方法
技术领域：
[0001] 本发明属于气体测量领域，涉及一种光纤混合气体测量系统及测量方法。背景技术：
[0002] 光谱吸收型光纤气体传感器现有技术分析：
[0003] 目前的光谱吸收型光纤气体传感器主要用于单一气体测量。普遍存在的问题是测试灵敏度较低，对环境中不同气体存在交叉敏感现象，很难实现环境中多组分混合气体的测量。为提高系统对不同气体测量的选择性，目前常采用两种方法：
[0004] (1)采用激光二极管做为探测光源的气体检测系统：激光二极管的输出光波长范围很窄，其宽度可以做到比气体吸收线宽还窄的程度。因此能够实现对待测气体的高选择性测量，同时测量灵敏度较大。缺点是只能实现单一气体的测量。
[0005] (2)采用可调谐激光器做为探测光源的气体检测系统：系统由可调谐激光器、测量气室、光电转换器、信号处理电路及调制信号产生电路构成。其中可调谐激光器的调谐范围可以达到几百纳米。可以实现混合气体测量。缺点是价格极其昂贵，极大地限制了其在实际中的应用。当前光纤气体检测系统灵敏度低，成本高，普遍只能测量单一气体。发明内容：
[0006] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种光纤混合气体定量测量方法，该方法按照以下步骤：
[0007] (1)计算机12控制数据采集卡11产生光纤可调谐滤波器(TOF)调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路10输入光纤可调谐激光器1，使光纤可调谐激光器1输出的探测光波长以待测气体吸收峰为中心，在吸收谱线的线宽范围内做正弦调制；
[0008] (2)探测光经光纤耦合器2分成两路；
[0009] (3)第一路探测光进入测量气室6，经待测气体吸收之后会产生与气体浓度成正比的二次谐波信号，由第二光电探测器7进行光电转换，然后由微弱信号检测电路8提取二次谐波信号，微弱信号检测电路8的输出数据经数据采集卡11送至计算机12进行分析处理；
[0010] (4)第二路探测光进入光纤光栅阵列3，光纤光栅阵列3置于恒温箱9中，探测光经光纤光栅阵列3之后由第一光电探测器4进行光电转换，第一光电探测器4输出为光纤光栅阵列3的透射光谱，由数据采集卡11采集至计算机12，计算机通过监测分析光纤光栅阵列3透射光谱的形状，调整控制TOF调制信号的大小，使TOF输出光中心波长始终以待测气体吸收峰为中心，在待测气体吸收线宽范围内稳定地扫描。
[0011] 一种光纤混合气体定量测量系统，该系统包括：光纤可调谐激光器1、光纤耦合器2、光纤光栅阵列3、第一光电探测器4、探测器驱动电路5、测量气室6、第二光电探测器7、微弱信号检测电路8、恒温箱9、TOF驱动电路10、数据采集卡11和计算机12；计算机12控制数据采集卡11产生TOF调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路10输入光纤可调谐激光器1，光纤可调谐激光器1在TOF驱动电路10的作用下输出波长调制的探测光，探测光经光纤耦合器2分成两路，其中一路探测光进入测量气室6，经待测气体吸收之后由第二光电探测器7进行光电转换，然后由微弱信号检测电路8提取二次谐波信号的幅值，微弱信号检测电路8的输出经数据采集卡11送至计算机12进行分析处理；另一路探测光进入光纤光栅阵列3，经光纤光栅反射之后由第一光电探测器4进行光电转换，光电转换之后的信号由数据采集卡11采集至计算机12，光纤光栅阵列3置于恒温箱9中。
[0012] 所述光纤可调谐激光器1由980nm泵浦光源101、波分复用器102、光纤可调谐滤波器103、掺铒光纤104、第一隔离器105、第二隔离器106、光纤耦合器107和第三隔离器108组成。980nm泵浦光源101产生的泵浦光经波分复用器102加至掺铒光纤104，掺铒光纤产生自发辐射的宽带光，经过第一隔离器105、光纤耦合器107、第二隔离器106加至光纤可调谐滤波器103进行选频，滤波器的出射光经波分复用器102再次进入掺铒光纤形成正反馈，产生激光，激光经光纤耦合器107、第三隔离器108输出。
[0013] 所述测量气室6包括进气口601、出气口602、第一光纤准直器603、第二光纤准直器604、第三光纤准直器605、第四光纤准直器606、第五光纤准直器607、第六光纤准直器608。入射光由第一光纤准直器603转换成平行光，经过气室之后，由第二光纤准直器604接收耦合入光纤，同理，经第三光纤准直器605、第四光纤准直器606、第五光纤准直器607之后，由第六光纤准直器608射出气室。入射光三次通过气室，延长了气体吸收光程。
[0014] 所述微弱信号检测电路8由前置放大器801、第一带通滤波器802、放大器803、第二带通滤波器804、同步积分器805、锁相放大器806、低通滤波器807和参考信号调理电路808组成；微弱信号经前置放大器801、第一带通滤波器802、放大器803和第二带通滤波器
804输入同步积分器805；计算机12输出信号经数据采集卡11输入参考信号调理电路808，参考信号调理电路808输出的信号分别进入同步积分器805和锁相放大器806，同步积分器
805输出的信号输入锁相放大器806中，锁相放大器806输出的信号进入低通滤波器807后输出。
[0015] 本发明以TOF为调谐元件的可调谐掺铒光纤激光器(EDFL)，以此作为探测光源，探测被测气体。计算机控制数据采集卡产生TOF调制信号，通过TOF驱动电路对TOF的中心波长进行调制，使EDFL输出探测光波长以待测气体吸收峰为中心，在吸收谱线的线宽范围内做正弦调制。探测光经光纤耦合器分成两路，其中一路探测光进入测量气室，经待测气体吸收之后由光电探测器2进行光电转换，然后由微弱信号检测电路提取与浓度成正比的二次谐波信号，微弱信号检测电路的输出经数据采集卡送至计算机进行分析处理。另一路探测光进入光纤光栅阵列，经光纤光栅反射之后由光电探测器1进行光电转换，光电转换之后的信号由数据采集卡采集至计算机。
[0016] 不同气体有不同的吸收光谱。尽管不同气体的吸收光谱可能发生交叠现象，但是对于每种气体某单个吸收线来讲，与气体吸收线重合或交叠的概率几乎为零。因此，探测光波长在被测气体吸收线宽内调制的的特点，使得系统对环境中不同气体具有极高的测试选择性，消除了传统气体检测系统中对不同气体交叉敏感的现象。
[0017] 此外，经证明，波长调制的探测光经待测气体吸收后光信号中的二次谐波分量与待测气体浓度成正比关系，信号中不存在背景信号。而在传统的直接光谱吸收法中，信号中往往存在与被测气体浓度不相关的较强的背景信号，该背景信号会极大地影响系统的测试灵敏度。因此，本发明中通过对探测光进行波长调制，消除背景信号影响，对提高系统的测试灵敏度有着极重要的意义。
[0018] EDFL输出探测光的中心波长由TOF控制。压电陶瓷(PZT)驱动式TOF的输出光中心波长和控制电压之间的关系是非线性的。为稳定TOF输出光调制中心及调制宽度，系统引入参考光纤光栅，其中心波长对应待测气体吸收谱线。探测光以气体吸收谱线为中心扫描时，光电探测器1输出为光纤光栅的透射光谱，通过监测光纤光栅透射光谱，可以控制TOF输出中心波长始终以待测气体吸收峰为中心，在待测气体吸收线宽范围内稳定地扫描。光纤光栅置于恒温箱中，用于保证其中心波长稳定，同时可使其中心波长准确与待测气体吸收峰对准。恒温箱内的温度由计算机控制。
[0019] 本发明以同步累积器为核心的微弱信号检测电路。对系统在小浓度输入气体情况下，系统的微弱响应信号实现了高灵敏度测量。
[0020] 本发明的光纤气体检测系统灵敏度高、成本低、能够测试光纤混合气体、测试结果精度高、该系统适用领域广，具有良好的应用前景。附图说明：
[0021] 图1为本发明的系统结构图；
[0022] 图2为本发明的光纤可调谐激光器示意图；
[0023] 图3为本发明的气室结构图；
[0024] 图4为本发明的微弱信号检测电路图；
[0025] 图5为本发明的TOF控制电压波形及光纤光栅透射光谱图。具体实施方式：
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0027] 参见图1、2、3、4、5，一种光纤混合气体定量测量系统，该系统包括：光纤可调谐激光器1、光纤耦合器2、光纤光栅阵列3、第一光电探测器4、探测器驱动电路5、测量气室6、第二光电探测器7、微弱信号检测电路8、恒温箱9、TOF驱动电路10、数据采集卡11和计算机12；计算机12控制数据采集卡11产生TOF调制信号，TOF调制信号经TOF驱动电路10输入光纤可调谐激光器1，光纤可调谐激光器1探测被测气体，光纤可调谐激光器1在TOF驱动电路10的作用下输出探测光，探测光经光纤耦合器2分成两路，其中一路探测光进入测量气室6，经待测气体吸收之后由第二光电探测器7进行光电转换，然后由微弱信号检测电路8提取二次谐波信号，微弱信号检测电路8的输出经数据采集卡11送至计算机12进行分析处理；另一路探测光进入光纤光栅阵列3，经光纤光栅反射之后由第一光电探测器4进行光电转换，光电转换之后的信号由数据采集卡11采集至计算机12，光纤光栅阵列3置于恒温箱9中。
[0028] 所述光纤可调谐激光器1由980nm泵浦光源101、波分复用器102、光纤可调谐滤波器103、掺铒光纤104、第一隔离器105、第二隔离器106、光纤耦合器107和第三隔离器108组成。980nm泵浦光源101产生的泵浦光经波分复用器102加至掺铒光纤104，掺铒光纤产生自发辐射的宽带光，经过第一隔离器105、光纤耦合器107、第二隔离器106加至光纤可调谐滤波器103进行选频，滤波器的出射光经波分复用器102再次进入掺铒光纤形成正反馈，产生激光，激光经光纤耦合器107、第三隔离器108输出。
[0029] 所述测量气室6包括进气口601、出气口602、第一光纤准直器603、第二光纤准直器604、第三光纤准直器605、第四光纤准直器606、第五光纤准直器607、第六光纤准直器608。入射光由第一光纤准直器603转换成平行光，经过气室之后，由第二光纤准直器604接收耦合入光纤，同理，经第三光纤准直器605、第四光纤准直器606、第五光纤准直器607之后，由第六光纤准直器608射出气室。入射光三次通过气室，延长了气体吸收光程。
[0030] 所述微弱信号检测电路8由前置放大器801、第一带通滤波器802、放大器803、第二带通滤波器804、同步积分器805、锁相放大器806、低通滤波器807和参考信号调理电路808组成；微弱信号经前置放大器801、第一带通滤波器802、放大器803和第二带通滤波器
804后进入同步积分器805；计算机12控制数据采集卡11输出参考信号，经参考信号调理电路808后分别进入同步积分器805和锁相放大器806，同步积分器805输出的方波信号经锁相放大器806后转换成直流信号，锁相放大器806输出的信号经低通滤波器807滤波后输出至计算机。
[0031] 光纤可调谐激光器1：可调谐光谱范围1525～1610nm，输出波长带宽0-0.04nm，输出光功率大于5mW；光电探测器：雪崩光电探测器(APD)；乙炔：中心波长1530.27nm，带宽0.13nm，反射率95％；一氧化碳：中心波长1567.90nm，带宽0.21nm，反射率97％；二氧化碳：中心波长1572.18nm，带宽0.22nm，反射率97％；恒温箱：温度波动±1℃；测量气室：内径30mm，长度为30cm，等效光程90cm，总传输损耗1.5dB；数据采集卡：USB-6251，16位模拟输入，采集速率最大1.25MS/s；微量进样器：最小刻度0.1ul；
[0032] 本发明对乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氨气、硫化氢和碘化氢气体进行测量结果如下：
[0033] 乙炔：测量分辨力0.5ppm，量程：0-1000ppm；
[0034] 一氧化碳：测量分辨力50ppm，量程：0-5000ppm；
[0035] 二氧化碳：测量分辨力50ppm，量程：0-10％；
[0036] 氨气：测量分辨力2ppm，量程：0-1000ppm；
[0037] 硫化氢：测量分辨力30ppm，量程：0-3000ppm；
[0038] 碘化氢：测量分辨力10ppm，量程：0-1000ppm；
[0039] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
