详情

原文传递一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置及方法

专利名称：	一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置及方法
摘要：	本发明公开了一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置及方法，包括第一激光器、第一隔离器、第一耦合器、声光调制器、传感光纤、第二掺铒光纤放大器、第二激光器第二耦合器、扰偏器、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、脉冲发生器，通过扫频技术，将传感光纤上每一个检测点进行多次扫描，实现死区的有效抑制。探测脉冲信号在传感光纤中产生背向瑞利散射信号，通过检测反射的瑞利散射信号相位信息，得到传感光纤沿线上气体的浓度和成分信息。本发明方法简单，可以实现高精度的气体浓度信息的检测，而且对多种气体检测具有相同的适用性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	盐城工学院
发明人：	徐东超;周锋;王新宇;戚志澳;祁欣玥;王如刚
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-08T00:00:00+0800
申请号：	CN201910696003.6
公开号：	CN110426369A
代理机构：	南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	彭雄
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	224051 江苏省盐城市希望大道中路1号
主权项：	1.一种基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：包括第一激光器(100)、第一隔离器(101)、第一耦合器(102)、声光调制器(103)、第一掺铒光纤放大器(104)、环形器(105)、传感光纤(106)、第二掺铒光纤放大器(107)、第二隔离器(108)、第二激光器(109)、激光控制器(110)、锁相放大器(111)、第二耦合器(112)、扰偏器(113)、第三耦合器(114)、第四耦合器(115)、第五耦合器(116)、第一光电探测器(117)、第二光电探测器(118)、信号采集卡(119)、信号处理及显示单元(120)、脉冲发生器(121)、信号处理及显示单元(122)，其中，所述第一激光器(100)、第一隔离器(101)、第一耦合器(102)、声光调制器(103)、第一掺铒光纤放大器(104)、环形器(105)、传感光纤(106)、第二掺铒光纤放大器(107)、第二隔离器(108)、第二激光器(109)、激光控制器(110)、锁相放大器(111)依次连接，所述第二耦合器(112)分别与第一耦合器(102)、扰偏器(113)、第三耦合器(114)连接，所述第四耦合器(115)分别与环形器(105)、第三耦合器(114)、第五耦合器(116)连接，所述第五耦合器(116)分别与扰偏器(113)、第一光电探测器(117)连接，所述第二光电探测器(118)分别与第三耦合器(114)、信号采集卡(119)连接，所述信号处理及显示单元(120)分别与第一激光器(100)、信号采集卡(119)连接，所述脉冲发生器(121)分别与声光调制器(103)、信号采集卡(119)连接，所述信号采集卡(119)分别与第一光电探测器(117)、锁相放大器(111)、信号处理及显示单元(122)连接第一激光器100发出的激光信号经第一隔离器101进入第一耦合器102，第一耦合器(102)将激光信号分成两束信号第一束激光信号第束激光信号，第一束激光信号作为本振信号进入第二耦合器(112)，第二束激光信号进入声光调制器103)，声光调制器(103)将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器(104)中，经第一掺铒光纤放大器(104)放大后的脉冲信号进入环形器1051#端口，从环形器(105)2#端口输出进入传感光纤106，在传感光纤(106)中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器1052#端口进入环形器105，从环形器1053#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器115，第四耦合器将背向瑞利散射信号分成两束信号第一束背向瑞利散射信号第束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器第二耦合器将本振信号分成两束信号第一束本振信号第束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器(114)，第三耦合器(114)输出的信号进入第一光电探测器118后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡119中从第二耦合器112输出的第二束本振信号进入扰偏器113中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器116，从第五耦合器(116)输出的信号进入第二光电探测器117后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡119中信号采集卡119输出的一路信号进入到锁相放大器111，锁相放大器(111)输出的信号连接到激光控制器110，激光控制器(110)的输出信号驱动第二激光器109，从第二激光器(109)输出的激光信号通过第二隔离器108进入第二掺铒光纤放大器107，经第二掺铒光纤放大器(107)放大的信号进入传感光纤(106)，在传感光纤(106)中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器107输出的信号，产生相位调制现象，从环形器1052#端口输入到传感光纤(106)中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息121产生的脉冲电信号连接到声光调制器(103)的电信号输入端驱动光调制器103工作，(121)和120输出的同步信号连接到信号采集卡119的同步信号输入端以保持信号采集卡(119)、声光调制器(103)和第一激光器(100)处在同步状态，120连接第一激光器(100)，驱动第一激光器(100)进行扫频控制，信号采集卡输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元120，获得传感光纤沿线上的气体浓度信息。 2.根据权利要求1所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述第一激光器(100)和第二激光器(109)均为波长和功率可调谐的激光器。 3.根据权利要求2所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述传感光纤(106)为空芯光子晶体光纤。 4.根据权利要求3所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述传感光纤(106)沿光纤表面制作有作为气体进入空芯光纤的通道小孔。 5.根据权利要求4所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述通道小孔直径为约为1-10.0μm。 6.根据权利要求5所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述第一光电探测器(117)、第二光电探测器(118)为平衡探测器。 7.一种采用权利要求1至6任一所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置的检测方法，其特征在于：第一激光器(100)发出的激光信号经第一隔离器(101)进入第一耦合器(102)，第一耦合器(102)将激光信号分成两束信号，分别为第一束激光信号和第二束激光信号，第一束激光信号作为本振信号进入第二耦合器(112)，第二束激光信号进入声光调制器(103)，声光调制器(103)将第二束激光信号调制成脉冲信号，且信号的频率产生频移，进入第一掺铒光纤放大器(104)中，经第一掺铒光纤放大器(104)放大后的脉冲信号进入环形器(105)的1#端口，从环形器(105)的2#端口输出进入传感光纤(106)，在传感光纤(106)中，脉冲信号产生背向瑞利散射信号，背向瑞利散射信号通过环形器(105)的2#端口进入环形器(105)，从环形器(105)的3#端口输出的背向瑞利散射信号进入第四耦合器(115)，第四耦合器(115)将背向瑞利散射信号分成两束信号，分别为第一束背向瑞利散射信号和第二束背向瑞利散射信号，第一束背向瑞利散射信号进入第三耦合器(114)，第二束背向瑞利散射信号进入第五耦合器(116)；第二耦合器(112)将本振信号分成两束信号，分别为第一束本振信号和第二束本振信号，第一束本振信号进入第三耦合器(114)，第一束背向瑞利散射信号和第一束本振信号在第三耦合器(114)耦合，第三耦合器(114)输出耦合后的信号进入第一光电探测器(118)后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡(119)中；从第二耦合器(112)输出的第二束本振信号进入扰偏器(113)中，经过扰偏的本振信号进入第五耦合器(116)，扰偏的本振信号和第二束背向瑞利散射信号在第五耦合器(116)耦合，从第五耦合器(116)输出的信号进入第二光电探测器(117)后转换成电信号，电信号输入到信号采集卡(119)中；信号采集卡(119)输出的一路信号进入到锁相放大器(111)，锁相放大器(111)输出的信号连接到激光控制器(110)，激光控制器(110)的输出信号驱动第二激光器(109)，从第二激光器(109)输出的激光信号通过第二隔离器(108)进入第二掺铒光纤放大器(107)，经第二掺铒光纤放大器(107)放大的信号进入传感光纤(106)，在传感光纤(106)中，待测气体吸收从第二掺铒光纤放大器(107)输出的信号，产生相位调制现象，从环形器(105)的2#端口输入到传感光纤(106)中的脉冲信号检测相位调制现象的相位信息；脉冲发生器(121)产生的脉冲电信号连接到声光调制器(103)的电信号输入端驱动光调制器(103)工作，脉冲发生器(121)和信号处理及显示单元(120)输出的同步信号连接到信号采集卡(119)的同步信号输入端以保持信号采集卡(119)、声光调制器(103)和第一激光器(100)处在同步状态，信号处理及显示单元(120)连接第一激光器(100)，驱动第一激光器(100)进行扫频控制，信号采集卡(119)输出的另一路信号连接到信号处理及显示单元(120)，获得传感光纤(106)沿线上的气体浓度信息。 8.根据权利要求7所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：显示的数据的时候需要事先标定浓度与相位大小的关系，不同频率下获得的分布式光纤气体传感器的曲线相关度表示为：曲线相关度最小为C＝0.99，得出：其中，C为曲线相关度，W为探测脉宽，Δf为两条曲线之间的频率差。 9.根据权利要求8所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述第一激光器(100)和第二激光器(109)1ms的频移量小于等于0.017M。 10.根据权利要求9所述基于扫频技术的分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述第一激光器(100)和第二激光器(109)的扫频速度小于17M/S。
所属类别：	发明专利