專利名稱：：監(jiān)視與控制燃燒過程的方法與設備的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及監(jiān)視與控制燃燒過程的方法與設備，具體涉及應用可調諧二極管激光吸收光i普法監(jiān)控燃燒過程。
背景技術：
：在美國，所產(chǎn)生的電功率中有很大百分比是來自燃燒發(fā)電設備。類似地，世界范圍內的電力生產(chǎn)也多數(shù)依靠煤為初始能源。煤在可以預見的未來很可能仍將作為初始能源，只要是仍存在著因儲存核能生產(chǎn)作業(yè)中的廢料涉及到長期性的環(huán)境問題以及太陽能發(fā)電的低效率問題。此外，整個世界上煤的現(xiàn)有儲量按當前的發(fā)電率至少足用200年。但是，現(xiàn)今存在著并將繼續(xù)有著減小燃煤發(fā)電過程的排污和提高其總效率的強烈要求。傳統(tǒng)上，發(fā)電廠與其他工業(yè)燃燒設備中，燃燒過程的效率與排污的水中是以例如非分散型紅外(NDIR)光度測定法一類技術，通過對提取的氣體試樣進行測量而間接測定的。提取采樣系統(tǒng)并不特別適用于閉環(huán)控制的燃燒過程，這是由于在氣體提取與最終分析二者的時間之間存在著顯著的延時，此外，提取過程一般會導致單一點上的測量結果，而此結果則可能或不可能代表高度變化與動態(tài)性的燃燒室內所測物質的實際濃度?；诩す獾墓鈱W類傳感器業(yè)已用來解決與提取測量技術有關的問題?；诩す獾臏y量技術可以在現(xiàn)場實施，還能提供適于動態(tài)過程控制的高速反饋優(yōu)點。用來測量燃燒氣體成分、溫度與其他燃燒參數(shù)的一種特別看好的技術是可調諧二極管激光吸收光譜法(TDLAS)。TDLAS通常用在近紅外與中紅外區(qū)工作的二極管激光器來實施。適用的激光器業(yè)已在電信工業(yè)的應用中廣泛地研制成功，因而能迅即供TDLAS應用。以不同程度適用于傳感與控制燃燒過程的TDLAS的各種技術業(yè)已開發(fā)成功。周知的技術為波長調制光鐠法、調頻光譜法與直接吸收光譜法。每種方法都是根據(jù)探測器在激光業(yè)已傳遞過燃燒室并在表征此過程或燃燒室中存在的氣體的特殊波段被吸收后所接收到的激光光量與性質之間的預定關系。為此探測器所接收的吸收光傳用來測定所分析的各種氣體量以及相關的燃燒參數(shù)如溫度。例如，VonDrasek等的美國專利申請系列No.2002/0031737Al提出了將可調諧二極管激光器用來監(jiān)視和/或控制高溫過程。VonDrasek此專利申請的特征在于用直接吸收光鐠法測定眾多的燃燒物質、溫度與其他參數(shù)。Calabro的美國專利No.5813767提出了類似的系統(tǒng)用來監(jiān)控燃燒室中進行的燃燒與產(chǎn)生的污染物。Calabro利用一種間接光諳技術，其中將所觀察到的吸收特性曲線形狀的多普勒傳線增寬用作溫度分析基礎。Teichert、Fembolz與Ebert將作為周知的試驗室分析技術的TDLAS推展為可操作的現(xiàn)場技術方案，到用來傳感滿負荷的燃煤發(fā)電設備鍋爐火球內某些燃燒參數(shù)。上述三位作者在他們的論文"SimultaneousinsituMeasurementofCO、H20andGasTemperatureinaFull-Sized,Coal-FiredPowerPIautbyNear-InfraredDiodeLasers,"(AppliedOptics,42(12):2043，20April2003)中，提出了對燃煤發(fā)電設備有效地實現(xiàn)直接吸收光譜法，同時討論了由于這種燃煤過程的規(guī)模極大及其激烈的性質帶來的某些技術問題。尤其是一些典型的燃煤發(fā)電設備具有直徑達10-20米的燃燒室，這類設備燃燒粉碎的煤，使得由于高的粉塵負荷妨礙了激光透過而在同時又極端的耀眼，由于寬廣波段上的吸收、顆粒所致散射或折射率波動引起的光束轉向，導致通過這種處理室的光的總透過率急劇變動。還存在著來自燃燒中的煤粒的熱背景輻射，這種輻射會干擾探測器信號。這類發(fā)電設備的外部環(huán)境也會給TDLAS傳感或控制系統(tǒng)的實施帶來問題。例如，任何電子的、光學的或其他的敏感光譜元器件，都必須遠離強熱或加以合適的屏蔽與冷卻。盡管在上述條件下極難實施TDLAS系統(tǒng)，但TDLAS卻是特別適合監(jiān)視與控制燃煤過程。本發(fā)明便是用來解決一或多個上述實施TDLAS時的問題。
發(fā)明內容本發(fā)明的一個方面是傳感設備，它包括一或多個具有選定的激光頻率的二極管激光器、與此二極管激光器的輸出光耦合的復用器，而此復用器又與一投射側光纖光耦合。復用的激光經(jīng)投射側光纖傳至一與處理室有效關聯(lián)的投射光學件，此處理室則可以是燃煤或燃氣發(fā)電設備的燃燒室或鍋爐。此投射光學件定向成通過處理室投射復用的激光輸出。此外，由此處理室有效定向的是與上述投射光學件作光通信的捕集光學件，用來接收通過此處理室投射的復用激光輸出。在此用到的"耦合"、"光耦合"或"與…作光通信"，定義為兩配對部件的功能關系，這里的光可以從第一部件傳至第二部件，通或不通過中間部件或自由空間。此捕集光學件光耦合到一將復用激光輸出傳至分用器的光纖。此分用器分用激光并將選擇了激光頻率的光光耦合至一探測器，使此探測器對所選激光頻率之一敏感?；蛘撸鲜鰝鞲性O備也可使各激光二極管在該復用器與探測器光耦合到該分用器的輸出光纖之前與一不同的相對應的輸入光纖耦合。上述投射側光纖可以是單模光纖而捕集光纖可以是多模光纖。或者，上述傳感設備還可包括一投射側光路徑選擇裝置，它與投射側光纖耦合且對與處理室有效關聯(lián)的多于一對的投射與捕集光學件的復用激光輸出作路徑選擇。上述光路徑選擇裝置可為光開關、分光器或其他當前通用的電信光路選擇設備。或者，此傳感設備還可包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，它接收探測器的輸入并應用周知的激光光譜技術，根據(jù)探測器數(shù)據(jù)測定燃燒參數(shù)。此傳感設備還可具有根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的輸出改變燃燒參數(shù)的裝置。例如此傳感設備可以對燃燒輸入例如氣流、燃料流或催化劑或化學試劑添加物提供閉環(huán)控制，而這種控制依據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)確定的燃燒參數(shù)。響應此數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。上述傳感設備可將一中階梯光柵用于此復用器或分用器中。復用器或分用器的其他元器件還可包括光波導與準直/聚焦光學件。與準直/聚焦光學件耦合的反射式中階梯光柵通常見有一紋槽間距和閃耀角，給多個范圍的廣為分開的波長提供同步分用。適用的中階梯光柵通常能夠復用或分用從等于或大于670nm的波長至等于或小于5200nm的波長。為了實現(xiàn)上述目標，此中階梯光柵應在衍射級從第二級到至少第四級下工作。這樣的中階梯光柵通常具有紋槽間距約171.4線/mm而閃耀角約52.75°?；蛘?，此傳感設備可以具有光耦合到少于全部二極管激光器上的復用器，同時還包括與此復用器輸出以及與任何未復用的二極管激光器的獨立輸出耦合的光耦合器。在這一非限制性的實施例中，上述光耦合器將通過選定長度的傳輸光纖與投射光學件光通信。例如，此傳輸光纖可以由長度。米的實現(xiàn)，并由CorningSMF28光纖制成，這樣將保證在波長小于1240nm特別是在760nm時，在通過此傳輸光纖傳送時不會成為多模的。上述傳感設備還可包括用機械方法操縱一段捕集側光纖以使模噪聲最小。用來由機械方式操縱一段捕集側光纖的適當裝置包括具有與捕集側光纖的縱軸線平行的軸的馬達，此馬達接附到光纖上，提供圍繞上述縱軸線的旋轉作用。這種旋轉運動可以包括以至少10Hz的速率作轉過+360。與-360。的擺動，以有效地均化所發(fā)送的信號而由此減少捕集側的模噪聲?；蛘撸藗鞲性O備還可包括與捕集光學件關聯(lián)的捕集側校直機構，用以為捕集光學件相對于復用激光輸出的投射方向提供校直，此準直機構可以加大捕集光學件從投射光學件接收的和由此耦合到捕集側光纖的激光量。此準直機構可以包括一裝置用來讓此捕集光學件沿一第一軸線以及與此第一軸線正交的第二軸線傾斜，而此第一與第二軸線兩者基本上都與復用激光輸出的投射方向正交?？梢圆捎貌竭M馬達使此捕集光學件傾斜，同時還可使一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上此捕集側機構關聯(lián)，并從上述探測器接收與耦合到此探測器的復用激光輸出強度相關的數(shù)據(jù)，而使此捕集側校直機構將捕集光學件校直。也可以換一種方式，將獨立的校直光束投射到此捕集光學件上用作校直基準。可以在傳感設備的投射側實現(xiàn)一類似的校直機構，用來校直投射光學件并調節(jié)已復用的激光輸出的投射方向。本發(fā)明的另一個方面是一種傳感燃燒過程的方法，包括在多個選擇的激光頻率下提供激光，復用此激光，于投射側光纖中將此復用激光傳至一處理位置。此處理位置可以是燃燒室，例如燃氣或燃煤的發(fā)電設備的鍋爐。在將復用激光傳至此處理位置后，此方法還包括通過燃燒過程將此復用激光投射，于捕集側光纖中接收此復用激光，分用此復用激光并將此分用激光的頻率傳送給探測器?；蛘?，此方法還包括根據(jù)此探測器的輸出測定燃燒參數(shù)以及依據(jù)此測定的燃燒參數(shù)控制燃燒過程。本發(fā)明的另一個方面是-基于二極管激光器光譜法氣體傳感設備的中階梯光柵，此設備包括多個一個的具有選擇激光頻率的二極管激光器，此種激光器光耦合到一輸入中階梯光柵，具有選擇槽紋間距與選擇閃耀角提供給在選擇激光頻率下的激光進行復用。前述設備還包纖「此外，有一投射光學件光耦合該光纖的遠端且以此投射光學件有效地與一處理室關聯(lián)，而此處理室可以是一燃燒室，同時此投射光學件還取向成使此激光通過此處理室投射。此設備還包括一與上述投射光學件光通信的輸出中階梯光柵，而此輸出中階梯光柵具有的選擇槽紋間距與選擇的閃耀角則提供用來分用選擇激光頻率下的激光。此外，有敏感上述選擇激光頻率之一的多于一個的探測器與輸出中階梯光柵光耦合。本發(fā)明上述方面的設備還可包括與此投射光學件光通信且與輸出中階梯光柵光通信的捕集光學件。再有，一或多個準直光學件可光耦合于此中階梯光柵與對應探測器之間。此激光二極管光譜法氣體傳感設備的中階梯光柵可以有一槽紋間距和閃耀角，得以同步地分用復用多個范圍的廣為分開的波長。合適的中階梯光柵可以(去)復用具有從波長^670nm直到濾長"200nm的光信道。這種中階梯光柵可以從二極工作到四級衍射，并可以具有約171.4線/mm與約52.75。閃耀角的槽紋間距。本發(fā)明的另一個方面是傳感燃燒過程的方法，包括提供多個選擇頻率下的激光、由中階梯光柵復用此激光、通過燃燒過程投射此復用激光，由中階梯光柵分用此復用激光，將分用激光的頻率傳送給一探測器。此方法還可包括根據(jù)此探測器的輸出確定燃燒參數(shù)并依據(jù)所測定的燃燒參數(shù)控制燃燒過程。本發(fā)明的另一個方面是一用于二極管光譜法的投射側光學系統(tǒng)，包括一個以上具有選擇激光頻率的二極管激光器，每個二極管激光器耦合到不同輸入光纖的一端。此投射側光學系統(tǒng)還包括一復用器，此復用器光耦合到個數(shù)少于全部輸入光纖的另一端，且由此復用器將復用激光輸出給投射側光纖。一般，這些二極管激光器與復用器將罩入一遠離燃燒處理室的氣候調節(jié)室內。上述投射側光纖還包括一光耦合著投射側光纖遠端以及一未復用的輸入光纖遠端的耦合器，由此耦合器結合復用的激光與未復用的激光且將此結合的光輸出給一傳輸光纖。通常，上述耦合器是位于燃燒過程進行處的附近。上述投射側光學系統(tǒng)還包括一耦合此傳輸光纖的投射光學件。典型的情形下，用于此投射側光學系統(tǒng)中的所有光纖為單模光纖?？梢赃x擇這種傳輸光纖的長度使噪光最小。特別是當波長較短例如760nm的激光已與波長較長例如1240-5200nm的激光復用，且此復用的光束已沿合運的市售通信光纖傳輸，而這種通信光纖在整個傳輸光鐠上又未顯現(xiàn)出高比例的彎曲與其他傳輸損耗時，則較短的波長在傳輸較遠的距離時有可能變?yōu)槎嗄５?。這樣，可以選擇傳輸光纖的長度得以最小限度地形成模噪聲。例如長度。米且為CorningSMF28的傳輸光纖，能夠將波長760nm的激光從上述耦合器傳至投射光學件而不會引入有影響的多模行為。本發(fā)明的另一方面是用于二極管激光光譜法的捕集側光學系統(tǒng)，它包括光耦合到捕集側多模光纖的捕集側光學件以及用機械方式操縱一段捕集側光纖以使捕集側模噪聲最小的裝置。上述機械式操縱可以是使捕集側模光纖繞其縱軸線旋轉。以此方式機械式操縱這段捕集側多模光纖的裝置可以是與此多模光纖相結合的馬達，使得有一段光纖相對于馬達的軸位置固定地保持住而此馬達軸則重復地轉過+360°與-360。。此馬達軸的旋轉頻率可以是至少10Hz而能有效地均化所傳輸?shù)男盘?，以減少捕集側模噪聲的影響。本發(fā)明的另一個方面是二極管激光器光譜法氣體傳感設備，它包括具有選擇激光頻率的二極管激光器、與此二極管激光器耦合的投射光學件，此投射光學件能有效地與一處理室相關聯(lián)且取向成能將激光沿通過此處理室的投射光束投射。本發(fā)明的這個方面還包括一與此投射光學件光通信的用以接收通過此處理室投射的激光的捕集光學件以及一與此捕集光學件光耦合的光纖。此外，該捕集光學件有效地與一捕集側校直機構結合，此校直機構使捕集光學件相對于該投射光束校直，以增大通過此捕集光學件從投射光學件接收的且與光纖耦合的激光量，同時此捕集光學件還有效的與一敏感此選擇的激光頻率與上述光纖光耦合的探測器結合。上述捕集側校直機構可包括使捕集光學件沿第一軸線和與此第一軸線正交的第二軸線傾斜的裝置，而此笫一與第二軸線都與投射光軸基本正交。此用來使捕集光學件傾斜的裝置可以是步進馬達。上述二極管激光光語法氣體傳感設備也可以包括為投射光學件投射而為捕集光學件接收的校直光軸以及一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，此系統(tǒng)有效地與探測器和捕集側校直機構結合，從此接收器接收與校直光束強度有關的數(shù)據(jù)，且使此捕集側校直機構將捕集側光學件與投射光束校直以將與此探測器耦合的校直光束強度最大化。本發(fā)明這方面的二極管激光光i普法的氣體傳感設備還可包括一用來使投射光學件校直和調節(jié)投射光束方向的投射側校直機構。此投射光學件基本上可按前面相對于捕集光學件所述的實施。本發(fā)明的另一個方面是校直二極管激光光譜法氣體傳感光學系統(tǒng)的方法。此方法包括提供校直光束、將此校直光束通過一處理室投射、由捕集光學件接收此校直光束，此捕集光學件則與上述處理室有效地結合。此方法還包括將此校直光束通過一光纖與探測器耦合以及測定從捕集光學件耦合到光纖的校直光束的強度。再有，此方法還包括校直此捕集光學件以使從捕集光學件耦合到此光纖的校直光束強度最大化。這一使二極管激光器光語法氣體傳感光學系統(tǒng)校直的方法還包括使此捕集光學件沿第一軸線和與此第一軸線正交的第二軸線?；蛘?，可由一投射光學件將此準直光束投射，此投射光學件則可作同樣的校直，使得從捕集光學件耦合到光纖的上述校直光束進一步最大化。本發(fā)明的再另一個方面是由可調諧二極管激光器吸收光譜法來傳感燃燒過程中NO的方法。此NO傳感法包括提供波長約670nm的激光、使此激光于投射側光纖內傳至燃燒位置、將此激光投射過一燃燒過程、于一捕集側光纖中接收此激光。此方法還包括將上述激光沿捕集側光纖內傳至一探測器而由此探測器產(chǎn)生一與傳于此探測器的與這束激光有關的信號。除此，此方法還包括據(jù)上述信號計算N02濃度并據(jù)此N02濃度測定NO濃度。上述NO傳感法可以按下述方法實施通過由二極管激光器產(chǎn)生波長約1340nm的激光，再由準相位匹配的周期性接入的波導將此激光倍頻，提供波長為670nm的激光。適用的波導是準相位匹配的周期性探詢的鈮酸鋰波導。圖l是本發(fā)明傳感設備的示意圖。圖2是本發(fā)明傳感設備的示意圖，其特點是位于遠處的部件與鄰近燃燒室的部件光耦合。圖3例示以具有多個傳感柵為特征的本發(fā)明的一個方面。圖4例示先有技術的單光束氣體探測設備。圖5例示先有技術的多光束氣體探測設備。圖6例示將中階梯光柵用于本發(fā)明中。圖7例示本發(fā)明的基于中階梯光柵的二極管激光器光譜法氣體傳感設備。圖8例示適于用來使模噪聲最小化的投射側光學系統(tǒng)。圖9例示與氣體傳感設備耦合的光纖。圖IO例示投射光學件與捕集光學件間的光損耗。圖ll例示光纖系統(tǒng)的角形受光錐。圖12是本發(fā)明準直機構的示意圖。具體實施例方式如圖l所示，本發(fā)明一實施形式是適用于傳感、監(jiān)視與控制燃燒過程的傳感設備10。此傳感設備10利用產(chǎn)生選擇頻率在近紅外或中紅外光鐠段的激光的一系列可調諧二極管激光器12所發(fā)出的激光，執(zhí)行可調諧激光吸收光譜法(TDLAS)，各可調諧二極管激光器12的輸出耦合一獨特的光纖，它可以是單模光纖14并通向復用器16。在此用到的"耦合"、"光耦合"或"與…作光通信"，定義為兩配對部件的功能關系，這里的光可以從第一部件傳至第二部件，通或不通過中間部件或自由空間。在復用器16內，所產(chǎn)生頻率中的某些或所有的激光被復用形成具有多個選擇頻率的復用探測光束。此復用的探測光束耦合到投射側光纖18內，傳至一與處理室有效結合的投射光學件20或準直儀，此處理室在圖1中是燃燒室22。投射光學件20定向成使復用的探測光束通過燃燒室22。通過整個燃燒室22而與投射光學件22光通信的是捕集光學件24。此捕集光學件24最好與投射光學件20基本上相對且有效地與燃燒室22結合。捕集光學件24定位并取向成可接收通過燃燒室22投射的上述復用探測光束。捕集光學件24光耦合一捕集側光纖26，它傳送復用探索光束的為捕集光學件24接收的這部分給一分用器28。在分用器28內，為捕集光學件24接收的這部分復用探測光束被分用，而各個波長的分用激光則耦合到一輸出光纖30內。各輸出光纖30又光耦合一探測器32，這通常是對所產(chǎn)生的且復用形成上述探測光束的激光的選擇頻率之一敏感的光電探測器。探測器32根據(jù)在探測器頻率下傳送給它的光的性質與數(shù)量產(chǎn)生一電信號，來自各探測器32的電信號一般在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34中數(shù)字化并進行分析。后面將要詳細討論到，此數(shù)字化與已分析的數(shù)據(jù)可用來傳感處理室內的物理參數(shù)，包括但不限于燃燒室22內各種氣體的濃度以及此室內的燃燒溫度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34還可用來通過反饋環(huán)路36將信號發(fā)送給燃燒控制設備38以有效地控制選擇過程參數(shù)，在燃燒過程，所控制的過程參數(shù)可以包括燃料(例如粉碎的煤)的供給速率、氧供給速率、催化劑或化學試劑的添加率。在傳感設備IO的投射側與捕集側兩側上將電子與光學元器件用光纖耦合，就能使精細的與溫度敏感的裝置如可調諧二極管激光器12、探測器32以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34位于具有穩(wěn)定工作環(huán)境的控制室內。這樣，只需將較結實的投射與捕集光學件20、24置于燃燒室24的嚴荷環(huán)境附近。圖2示意地給出了光纖耦合的復用傳感系統(tǒng)40中所有元器件的布設情形。此傳感系統(tǒng)40—般包括系統(tǒng)機架42、斷接盒44、具有投射光學件48的發(fā)送機頭46、具有捕集光學件50且與光纖連接的接收機頭、系統(tǒng)機架42最好位于距離燃燒室54例如lkm的遙控室內。此遙控室一般應具有適度的環(huán)境。系統(tǒng)機架42包括激光器56、探測器58、波長復用器60與波長分用器62。此系統(tǒng)機架42內還裝有系統(tǒng)電子器件與控制軟件(圖2中未示明)。系統(tǒng)機架42內或也可以設置一準直光源64。將系統(tǒng)支架42與斷接盒44連接的光纖是通常標準的單模通信光纖。這種光纖價廉、易購得、損耗低且能使光纖導引到各個現(xiàn)有的用來操作光的電信元器件，例如光開關、分光器與波分復用器。如果不經(jīng)光纖耦合，激光就必須自始至終通過自由空間導引到燃燒室54,而這是很難實施的，否則敏感的電子與光學元器件就不得不位于燃燒室54的鄰近。圖2中還示明一斷接盒44，它是位于鍋爐附近的加固的機殼，其中包含光開關、分光器以及如下所述可用來將光信號導引到成對的、多個發(fā)送機一接收機頭的耦合器(總記為66)。圖2所示的第三組系統(tǒng)元器件是發(fā)送機與接收機頭46、50。這些機頭46、50中的光學件與電子器件需將光纖68中的光變換為校直光束，并將此光束精確地引導通過燃燒室54,使此光束俘獲到燃燒室54的遠側再耦合入光纖70。為完成上述過程所選擇的光學件取決于傳輸距離、燃燒區(qū)的擾動、擾動對所傳送的光束的影響、光纖70的芯子直徑。光纖芯子直徑最好有50微米，但這是所折衰的結果較大的纖芯可俘獲較多的激光而同時也會截獲更多的背景光。于捕集(接收器)側上作光纖耦合具有若干優(yōu)點。特別是只有在與激光處于同一位置且按同一方向行進的光才會聚焦到光纖70內。這樣就能顯著減少所傳感的背景光量。在另一實施形式中，可將光俘獲到若干接收器光纖之一中，而光開關或其他的光路徑選擇裝置則可從一根光纖中選擇光束通到探測器58。在捕集側應用光纖耦合要求精確地保持發(fā)送機與接收機光學件的對準誤差(發(fā)送機與接收機兩者指向小于0.5毫弧度)。下面討論的校直系統(tǒng)易于在嚴荷的發(fā)電設備環(huán)境中滿足上述公差要求。此投射光學件48與捕集光學件52最好都是專門設計的，并相對于660-1650nm的波長進行過像差校正，以使多個激光信號能在同一時刻有效的傳輸和接收。具有多組傳感光學件的傳感設備再來參看圖1，其中示意描繪的實施形式的特征是，具有多于一組的與單一燃燒室22結合的投射光學件20與捕集光學件24。復用的探測光束可以由路徑選擇裝置選定路徑，此路徑選擇裝置如圖l所示對各組投射光學件20可以是一光開關72。適用的路徑選擇裝置包括光開關與分光器，光開關可以用來為探測光束選擇以最小衰減按預定順序通過各組投射捕集光學件的路徑；分光器用來同步地將部分探測光束分送到各組光學件。類似的一種光路徑選擇裝置在圖1中是作為一種多模光開關74示明的，可以用在此系統(tǒng)的捕集側，以將各捕集光學件24接收的部分的復用探測光束選定通向捕集側分用器28的路徑，盡管圖1表明的實施形式只示明兩組投射與捕集光學件，但此系統(tǒng)可以使用任意多組投射與捕集光學件。在此系統(tǒng)的投射側與捕集側應用光纖耦合以及分用/復用探測光束，可以由一組激光器12與探測器32來實現(xiàn)多組投射與捕集光學件。如果不引入光復用技術，對于每對發(fā)送器/接收器全部都要求校正不同組的激光器、探測器與光纜。正如后面將詳細討論到的，多對發(fā)送器/接收器允許在整個燃燒室22或別處實現(xiàn)一或多個二維傳感柵，例如用于傳感下游的氣體過程，圖3例示了兩個高度簡化的傳感柵，即一個火球傳感柵76和一個下游傳感柵78。此外，本發(fā)明的光纖耦合性質具有允許采用現(xiàn)有的通信元器件的有益效果。例如可以用纖維光學開關可以用來為復用探測光束選擇到不同位置的路徑用于測量?？梢詮脑S多的供應商處作為現(xiàn)有的元器件立即購到1XN光開關(N可以高達8)。對于N高達16的這類光開關可以專門訂貨。在整個燃燒室內的不同位置處可以采用一個開關和多對投射與捕集光學件序列探測氣體種類。對于只需要平均結果的情形?？稍试S對不同的光路進行序列的探測。但在某些應用中則要求整個傳感柵作即時的探測。例如某些燃燒過程流顯示出高頻率的波動，或者這種過程流可以只是短時間的存在激波管或激波N2洞。在這種情形下，可用lxN分光器將探測光束分成N分支，每個分支占據(jù)此傳感柵的不同位置。由于整個傳感柵是同時被照明，故可以很快地產(chǎn)生二維分析結果。但同時進行二維分析則可能要求在捕集側的各個元器件對于各個光束路徑是重現(xiàn)的，包括分用器；電子器件如A/D卡，在某種程序上還有計算機。這樣，以具有光開關或分光器為特點的上述實施形式使多少簡化了由粗層折X射線攝影方法對所探測區(qū)二維橫剖面作重現(xiàn)的工作。利用二極管激光器對氣體濃度作層折X射線攝影是周知技術，但在本發(fā)明中由于采用了波長復用的探測光束還獲得了另外的優(yōu)點。波長復用的光束能同時進行多于一條吸收謙26線的光i脊分析。于是，依賴于多于一條吸收鐠線的TDLAS技術，例如在溫度測定中，便將如下面詳細討論的能夠在整個傳感柵上進行。溫度與氣體種類濃度兩者都能用這種方法繪出圖像。層析X射線攝影法在SCR與SNCR中的特殊應用上述的粗層析X射線攝影的特殊應用示意地表明于圖3中，同時涉及到在SCR(選擇催化還原)與SNCR(選擇非催化還原)中注射氨，以從燃煤或燃氣發(fā)電鍋爐的排出物中將NOx還原。在這種應用中，將氨或脲注射器80置入鍋爐排出物的物流中。為了使NOx的濃度最低，可將過量的氨(或脲)加入這種排出物中。NOx是受到嚴格管制的極其有害的一族空氣污染物。加入的氨以化學方法使NOx還原，作為其產(chǎn)物形成了無害的氮氣與水。但是必須使所添加的過量氨(或脲)最小化，這是由于這類化合物本身是有毒的空氣污染物且頗為昂貴。通常，過量濃度〈3-5ppm的氨為理想。但在發(fā)電設備燃燒排放物中，NOx的分布是不均勻的，也非暫穩(wěn)的。此外，任何時間都可能堵塞一或多個氨注射器，導致氨濃度局部減少從而只是局部地滲過濃集的NOx。由于能通過上述的下游TDLAS柵78傳感監(jiān)視氨或NOx的空間濃度，本發(fā)明便可探測與減少不均勻的氨分布。這樣，在二維的氣體種類濃度下同時通過注射器作分別的控制來優(yōu)化氨的注射柵78，便可優(yōu)化SCR/SNCR法。上述探測器與氨注射器可以鏈接到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上，對此氨注射器提供自動反饋控制。優(yōu)化的氨滑流探測系統(tǒng)，例如上述的這種，最好還能監(jiān)視NOx濃度。NOx包括NO與N02。不幸的是，耐用的NIR二極管激光器只能觸及到發(fā)生在1.7-1.8mp區(qū)中NO諧波躍近。這種躍近太弱，若是在大多數(shù)排放物的流動中存在較低的濃度，就不能探測NO。因此，直接監(jiān)視NO濃度是不實際的。但是，N02是由形成NO的相同過程形成的。這些過程在發(fā)電工業(yè)中周知為熱NOx過程，產(chǎn)生出NO與N02兩者，在通常條件下NO約占NOx總濃度的95%而N02則為余剩的5%。兩者的確切比率一般取決于環(huán)境的溫度和氧化勢。如上所述，這種方法同樣還可用于測定采樣氣體的溫度。但是如所期望的，NO與N02兩者的濃度是相互依隨的。因此，N02可以用作NO的代用分析物質。本發(fā)明能在670nm波長下監(jiān)視N02。此波長是用1340nm分布反饋(DFB)激光器于相位匹配的周期性接入的鈮酸鋰波導倍頻產(chǎn)生的。雖然N02濃度只是NO濃度的5%,但N02吸收強度則要強幾個數(shù)量級。這種就能在鍋爐中存在的NOx的濃度下迅速測出N02，以促進優(yōu)化NO的還原過程?？烧{諧二極管激光器吸收光譜法本發(fā)明應用激光光譜法方面內行人周知的技術執(zhí)行TDLAS。一般為了執(zhí)行TDALS，是使激光通過一目標環(huán)境，再來探測由于目標氣體例如一氧化碳或氧所致的激光在特定波長下的吸收。對所探測出的光進行光鐠分析能識別沿著激光路徑的氣體類型與數(shù)量，直接吸收光鐠法的細節(jié)已描述于Teichoert、Fernholz與Ebert的"SimultaneoussituMeasurementofCO、H20andGasTemperatureinaFull-sized，Coal-FiredPowerPlantbyNear-infraredDiodeLasers"(AppliedOptics,42(12);2043，20April2003)，此參考文獻的整個內容已綜合于此。激光吸收光語法的非接觸性質使之能良好地適用于嚴苛的環(huán)境，如燃媒發(fā)電廠的燃燒區(qū)可是不能用其他探頭的易燃或有毒環(huán)境中。應用激光，能在某些環(huán)境中有可能遇到的出現(xiàn)嚴重衰減(典型的情形有大于99.9%的光損耗)時，提供能獲得可探知的傳光效應所必須的高亮度，為了能更好地經(jīng)受上述目標應用的嚴苛環(huán)境，激光可以通過鎧裝的光纖傳送到目標環(huán)境。為了有效傳感溫度或多個燃燒過程的組分氣體，需要具有多個寬廣頻率的激光的TDLAS性能。所選擇的頻率必須匹配所監(jiān)視的躍遷的吸收譜線。例如在上面的討論中，有效的是在近似排出物NO濃度的670nm波長下監(jiān)視1\02。這還同樣相當有效地可用來在燃煤的電站鍋爐中監(jiān)視氧、水(溫度)與一氧化碳。假定通過燃燒室的激光探測路徑長度等于10米，而各種物質的摩爾分數(shù)為CO(l%)、02(4%)、C02(10%)與H20(10%),則可以選擇適當?shù)奈甄捑€因而可以選擇適當?shù)募す忸l率。出于選頻的目的，可以假定過程溫度為1800。K，它略高于通常在燃煤發(fā)電設備中所觀察到的，以供計算中用作安全系數(shù)的緩沖目的。例如，可以為TDLAS選擇滿足下述準則的三條水吸收譜線；1.分別為在~1000、2000、3000cm—1時的低能態(tài)。2.提供約0.1-0.4附近的吸收，這同樣又導致約20%光束的共振吸收。3.最佳情形是利用1250-1650nm區(qū)的躍近，在此區(qū)域中可購到廉價的、高功率的DFB二極管的通信激光器。4.這些躍近必須良好地分開便于復用。5.所選的波長必須能為現(xiàn)有的(去)復用器柵有效地衍射。在以下波長下存在合適的水吸收譜線。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>可以預料沒有來自任何其他燃燒氣體的干擾。模擬出最可能干擾的物質C02,在1.3-1.4m)i區(qū)不存在強的干擾線。類似地，根據(jù)前面述及并綜合于此的Ebert的工作，可以選擇適當?shù)囊谎趸季€。應用燃煤電站鍋爐中的R(24)線，在1559.562mn處存在合適的一氧化碳線。選擇這條線便避免了水與二氧化碳的干擾。在此波長區(qū)由于它是光通信的C波段，已有的光柵相當有效。此波長上的吸收預期為0.7%。此外，在760.0932nm處可測得氧。最佳的(去)復用光柵效率計算出在此區(qū)域中只為40%,但在合理的測量效率下可以獲得適合的激光功率。如上所述，在TDLAS傳感設備的投射側與捕集側采用光纖耦合時需要嚴格的對準投射光學件與捕集光學件。最好是用選擇的對準波長來實現(xiàn)上述的有效對準。一種可能的對準波長是660nm，這是因為在此相應頻率下可購到高功率(45mw)的二極管而660nm則鄰近14級光柵作業(yè)。其他的對準波長可以同樣地或更適當?shù)卮_定?？偲饋碚f，對于實施于本發(fā)明中的TDLAS,為了復用到探測光束選定的一組合理的波長示明于表2中。應該指出，這組波長是用于適合傳感與控制燃煤發(fā)電設備的TDLAS傳感設備一實施形式的。其他的波長組可以同樣地適用。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>應用復用光束的TDLAS的特殊優(yōu)點具有波長復用探測光束的TDLAS的特殊優(yōu)點是提高了測溫精度，為了由TDLAS作精確的濃度測量，必須知道所監(jiān)視氣體的溫度，分子吸收強度是溫度的函數(shù)。這樣，為了將吸收特點即幅度轉換為濃度，必須知道溫度。以前所從事的測量燃燒物質如CO濃度的某些努力苦于測溫精度不充分而導致量化的誤差。這對于傳統(tǒng)上未結合測溫的基于二極管激光器的氨滑流監(jiān)視尤其如此。在本發(fā)明的傳感系統(tǒng)中，可以通過測量兩或更多個分子水線的強度比來測定溫度，這樣兩條線的積分強度比只是溫度的函數(shù)(假定整個系統(tǒng)恒壓)。這樣，從原理上說，兩條語線能提供精確溫度。但在不均勻溫度分布情形下(例如工業(yè)燃燒過程中通常所見的)，兩條鐠線則不足以確定溫度分布。在這種不均勻溫度分布中，兩條譜線只能確定"路徑平均"溫度、相反，測量(同類物質)的兩條以上鐠線的積分幅度則允許測量溫度的不均勻性。這種方法的一個例子業(yè)已由Sanders、Wang、Jeffries與Hanson在"AppliedOptics"(Vol.40，num.24，20August2001)中，用氧作為探測分子示明，該文的整體內容已綜合于此。最佳的方法依賴于這樣的事實，沿視線測量的峰值強度分布對于平均溫度為500K的路徑是不相同的，例如在此可能一半路徑為300K而另一半為700K。除能較精確地測溫外，應用復用探測光束還能同時監(jiān)視多于一個的燃燒氣體物質，可以更精細地控制燃燒過程?；谥须A梯光柵的設備本發(fā)明得益于使用了較廉價的可普遍購到的設計用于通信工業(yè)中的光學元器件。這種通信元器件能良好地用于由光纖耦合此系統(tǒng)的投射側與捕集側。通信應用中通常采用光復用器，接收波長很近地分開且分開一常數(shù)值(如0.8nm)的許多光束。然后這些光束一般與單模光纖耦合。分用器則進行相反的過程。通信設備一般設計成在1520-1620nm間的波長下工作，而以光學C波段1528-1563nm用到得最多。在分用復用器情形，可以根據(jù)光通過它的方向把相同的物理裝置用于復用或分用。因此，這里所用到的"復用器"或"多路調制器"應理解為包括復用與分用兩種功能。光復用器可以采用幾種實現(xiàn)復用/分用功能的工藝中的任何一種。但是中階梯光柵基的復用器最有利之處在于它可體現(xiàn)到極為簡單與緊湊的設計中。中階梯光柵是較粗的衍射光柵，以異于第一級的級工作，閃耀角通常大于45。。光柵上粗的槽紋間距與高衍射級作業(yè)相結合，形成了可允許裝置緊湊的大的角色數(shù)。某些通信應用可能要求光復用器同時使用相當多地超出C波段的其他波長(例如1310nm)。此外，在通信領域之外的應用，例如本發(fā)明的TDLAS傳感與控制設備可能需要復用寬廣分開波長的激光，例如分開到約為數(shù)百nm。例示中階梯光柵基復用傳感設備的優(yōu)點展示于圖4-7中。圖4例示一氣體傳感設備82，其中將光84從一側導引通過火焰86。此火焰另一側的傳感器88探測此傳輸?shù)墓馔瑫r測定火焰86中的氣體吸收了多少光。在圖4所示裝置中只有單束光通過火焰86?？蛇x擇這種光的波長以與一特定氣體的吸收波長對應。或者這種光可以是日光，它在通過火焰86后例如由棱鏡分成各種波長的光。然后可以測量各有關波長的光吸收。在另一稍較復雜的先有技術中，可用例如圖5所示的裝置將幾個不同的光束90A-90n傳輸過火焰92。各光束90A-90n分別取有關的不同波長，在火焰92另一側的傳感器94A-94n則測量相對于各波長的吸收，指明有關的所選氣體的相對量。采用多個不同的光束會有許多缺點。首先通達到火焰可能受到限制而企圖將許多光束通過受限空間投射即使不是不可能也是很難處理的。其次通常在火焰中存在擾動，同時還存在不均勻的坑。這多個光束即使它們是非常接近地分開，但或不能通過同一采樣空間因而不能產(chǎn)生一致性的可比結果。最后，投較;復^與價昂。、"'一'、、本發(fā)明的中階梯光柵基的傳感設備有著顯著優(yōu)于先有技術之處。中階梯光柵由于能在異于第一級的一些級下工作且具有一般大于45°的閃耀角，從而提供了異乎尋常的靈活性。例如ZoloTechnologies,Inc.Zmux經(jīng)狀化成以利特羅(Littrow)構型于第6級在1545nm下工作，采用的機械劃線的光柵的槽紋間距為171.4線/mm而閃耀角為52.75。。利特羅架的光柵方程為mX=2dsin9b(1)式中，m是級，X是波長，d是劃線間的間距，而0b是閃耀角。對給定的光柵，mX是常數(shù)，對于前述的Zmux光柵，mX=6(1.545)=9.27微米。這種光柵對于1.545微米，6級提供了最優(yōu)效率。但這種光柵對于其他的級同樣提供了很高的效率。例如第7級存在于9.27/7=1.32微米處，這樣，例如Zmux這樣的光柵就能以高效率同時復用C波段的光以及1310nm的光。圖6示明中階梯光柵96復用光98A-98n為準直線100準直成單一光束。與本發(fā)明特別有關的是對于寬廣分開到通常超過數(shù)百nm的波長的復用光在通信領域以外的應用。在例如本發(fā)明的基于TDLAS的氣體傳感設備中，關鍵的問題在于探測光束的所有波長分量要對空間的同一區(qū)域采樣，而為了探測單一物質或是探測多種物質則可能要利用許多波長。對于這類應用，中階梯光柵級的復用器/分用器提供了優(yōu)異的解決方法。例如上述的中階梯光柵基的復用/分用器就能復用圍繞下面表3給出的中央波長相當寬的一個波長區(qū)，而這里的各個波長區(qū)則對應著不同的光柵級。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>高達以及超過14級的較高級也可以由相應地較窄波長范圍復用。應該注意到，用迅即可以購到的光纖是不能對所有上述這些波長作單模傳輸?shù)?。本發(fā)明的氣體傳感設備104的一個方面示意地表明于圖7中。這個方面凸顯了具有復用激光輸出的TDLAS優(yōu)于前迷先有技術實施形式之處。在圖7中，以寬廣分開波長工作的幾個激光源106A-106n為中階梯光柵108復用到單模光纖110上。來自此光纖110的光為準直儀或投射光學件112校直，通過待分析的樣品114(例如火焰)。在通過樣品114后，此光即為另一種階梯光柵116分用。各個波長的透射光由對應的光電探測器118A-118n探測。激光器106A-106n調諧到窄的光譜區(qū)(例如l-2nm),而為樣品114的吸收則在各掃描的光鐠區(qū)上受到監(jiān)視。依此方式，所測試的氣體就能完全識別并得以定量。其他的參數(shù)如溫度與壓力可以同樣測出。除用于燃燒傳感外，寬廣分開的波長的中階梯光柵復用/分用技術能讓醫(yī)療裝置測量呼氣中的氣體，同時能讓國防裝置檢測化學戰(zhàn)爭毒氣試劑。通過采用中階梯光柵級的復合器以及紅/綠/藍耦合器，還可應用于顯示與微觀工藝。模噪聲本發(fā)明的TDLAS系統(tǒng)的光學系統(tǒng)以及類似裝置，要求根據(jù)寬廣分開的波長來復用信號，由于這在設計中需要減少模噪聲和能高效率地集光，相應地便提出了許多復雜的設計問題。模噪聲在此定義為所探測的光的信號電平的變化，這種變化是來自用于相對所測量的處理室集光和傳光的光纖芯子中不一致時間的與波長變動的光分布。在多模光纖中，不同的模因折射率變化而以不同的速度傳播。于是，光纖中的光纖分布乃是經(jīng)過不同的有效路徑長度的所有傳播模干涉形成的斑點圖。要是聚集并探測此斑點圖中所有的光，則相長干涉與破壞性干涉，正好抵消，因而總的傳輸功率不取決于波長或光纖長度。如果引入了削波、漸暈或其他損耗，則不能恰切相消而探測的功率隨波長和/或時間變化。所探測的功率在光纖的一段長度Z后的一般表示式為P=Po+egEiEjCos[(27Wo厶nyz)/c+厶令y(T，a)](2)式中，P?！らL無關的平均功率；Ei-光在第i個橫模中的振幅；C『第i個與第j個橫模間的重疊整數(shù)；An『第i個與5第j個模之間的折射率差；A(j)i尸第i個與第j個模之間因溫度與應力所致的相移。對于正交集的模而無損耗時，CfO。但是對于任何光束削波或漸暈或任何其他的模相關損耗將使某些Ci產(chǎn)0。這將導致平均傳輸功率起伏。對于具有50微米芯徑的一般的漸變折射率光纖，總的折射率變化An為1%,但在接近光纖芯子中心處的絕大多數(shù)模要耗費大量傳輸時間，因而一般Ani,0.0005。通常市售的光纖GIF50載承約135個模，這在給定了合理的可實現(xiàn)的削幅電平下波長掃描之際，大致足以產(chǎn)生有重要影響的模噪聲。作為具體地模噪聲例子，或者可以考慮這樣一個顯現(xiàn)出模噪聲的最簡單的可能例子；矩形波導，以一個方向只支承最低次模而于正交方向上只支承兩個最低次模最低次模E尸E^expi(kz-rot)cos7cx/2a低次模E2=E20[expi(kz-①t)sin7tx/a沿光纖在z點處的強度為I(x)=lE"E2l2而總功率為尸二一,+i:2l2血(3)上述積分必須包括肖']波與漸暈效應。在沒有削波時，PE+E而無波長相關性。加上削波量來改變積分限則可以證明削波導致一附加項E!E2CosA(j)，其中要是能把單模光纖用于本發(fā)明捕集側的光學系統(tǒng)中，則不會出現(xiàn)模噪聲，但出于以下兩個原因通常需將多模光纖用于本發(fā)明的捕集側光學系統(tǒng)中。第一，在通過測量空間(具有IO米以上測量路徑的燃燒室)后，初始的單模(高斯空間分布)光束的質量顯著惡化。這樣，將這一嚴重畸變的光束耦合到單模光纖內的效率便很低。在通過此測量空間時，主要由于散射與煙怠和飛灰導致光束衰減了3-4個量級而成為不合格情形。這種由于采用單模光纖而另外增大了衰減將使測量成為不可能。第二，火球中的折射光束轉向效應導致光束的位置與指向不穩(wěn)定。在這類影響下，便很難以任何規(guī)則性"對準"單模光纖的芯子。另一方面，單模光纖的芯子則能給出至少25倍于單模光纖靶的橫剖面積。這樣便可顯著減少上述光束的轉向效應。此外，由于到多模光纖內的耦合效率與光的空間模無關，就不會讓光束在通過火球后降低其質量。但是，多模光纖系列中存在的模相關損耗則給設計提出了難題。從多模光纖芯子發(fā)射出的光分布呈現(xiàn)出無規(guī)則的斑點圖，亦即形成了由于光纖中不同模之間相長干涉與破壞性干涉造成的光區(qū)與暗區(qū)的隨機分布圖。要是此斑點圖完全不變地為時間與波長的函數(shù)，就不會帶來問題，但是，假若光束如上所述在多模光纖捕集側的光學系統(tǒng)中任何地方被削波時，此斑點圖特別是作為波長函數(shù)時的緩慢變化便會造成模噪聲，上述削波是不可能避免的而只能加以減少。為此必須另采取措施來減少模噪聲以改進此系統(tǒng)的探測靈敏度。存在幾種減少模噪聲的方法。根據(jù)上式(2)可以按以下所述減少模噪聲(1)減少模相關損耗，即減少削波將Cij保持到很小；(2)減短2，使模噪聲周期遠大于有關吸收線的；(3)用低色散光纖減小Anij;(4)對模加擾，但如以下所述并非所有擾模技術都是同等有效的。最好將本發(fā)明的捕集光學件設計并實現(xiàn)成能綜合所有上述方法以便減少模噪聲。這種光學件要設計成使得任何光束削波應發(fā)生在給出此系統(tǒng)近似理想準直的低電平下。雖應努力使多模光纖的長度保持到最短，但在某些應用中，Z必須很長才得以在環(huán)境受控的區(qū)域中控制電子元器件。Aiiij的值則可以用優(yōu)質的低色散多模光纖來減小。此外，通過機械方式操縱捕集側多模光纖來擾模可以求得優(yōu)異的結果。上述出現(xiàn)于多模光纖中的班點圖作為時間與波長的函數(shù)而變化，但同時也作為光纖機械位置的函數(shù)而變化。以特殊方式彎曲光纖并操縱它可以改變斑點圖。若是連續(xù)地施行這種機械操縱，經(jīng)過一段時間后從光纖出射的光的空間分布便均化到較勻的斑點圖。本發(fā)明的擾動器的關鍵在于通過機械地操縱多模光纖，以在受到不可避免的低電平光束削波影響下，產(chǎn)生平均意義下不生成模噪聲的均勻光束，由此來減少模噪聲。在減少模噪聲方面，某些操縱光纖的特殊方式會比另一些方式更有效。特別是使光纖繞其縱(Z)軸線相對于光纖上的某些其他點轉動會改變斑點圖。尤其是取得這種決定性變化的是斑點圖繞Z軸的變化。重要的是，事實上此斑點圖在光纖被機械方式轉動時并不如光纖那樣繞Z軸轉動得太多。副作用是實際的光分布因上述轉動而略有改變。斑點圖的轉動并非由于光纖中應力感生的折射率變化，雖然這種變化或可說明此斑點強度圖中的小變化，但寧可認為上述轉動是源于光纖被扭轉時光不能完全依循光纖所致。上述觀察結果可以用來實質上消除因將多模光纖用于捕集側光學系統(tǒng)而造成的模噪聲。本發(fā)明的一個極佳實施形式采用了一種空心軸馬達而將多模光纖固定于此空心軸之中。相對于馬達的軸位置固定光纖的遠端段，讓馬達反復的轉達+360°與-360。。這種轉動的頻率最好210HZ,來保證有效地平均所傳輸?shù)男盘柌@著減少捕集側噪聲影響。本發(fā)明的投射側光學系統(tǒng)由于需為擬通過測量區(qū)的所有波長產(chǎn)生單模光束，同樣也提出了設計方面的難題。要是能把單模光纖用于整個投射側光學系統(tǒng)中則不會出現(xiàn)模噪聲。但是，光纖只在有限的波長窗口才作為單模波導工作的。對于特定的光纖，超過短的截止波長，光就能以幾個較高次空間模通過光纖傳輸。這些較高次模在光從光纖出射時將干涉產(chǎn)生斑點圖。此時即使少量的光束削波，也會在測量中引起噪聲。相反，若把光纖選擇成具有匹配需要傳輸?shù)淖疃滩ㄩL的單模截止，則較長的波長在與此光纖耦合時將會產(chǎn)生顯著的損耗，而此光纖對這些較長的波長會產(chǎn)生大范圍的彎曲損耗。上述問題會在本發(fā)明的光纖耦合波長復用的TDLAS傳感與控制設備中變得嚴重起來，這是由需要將長達1.67微米的波長與短至760nm或670nm的波長復用。對于如此寬范圍的波長，尚不知道有單一的市售光纖可提供單模工作、高耦合效率與低彎曲損耗的。光子晶體光纖或可在將來解決這一難題，但是光子晶體允許工藝當前還處在其萌芽期。如圖8所示，本發(fā)明緩解了上述將670nm或760nm至1.67mn的光復用與投射入單模光束中的問題，這里利用了多模光纖120這樣一個很短的傳輸段，它不允許波長短于此單模截止的空間模形成。參考前述式(2)，如過多模光纖的長度L短，就將使模噪聲最少。在此情形下，要是將760nm的光耦合到具有1280nm截止波長的一短段單模光纖(例如CorningSMF28)中，則此760nm的光至少在幾米之內保持為單模的。因此，解決投射側模噪聲的問題便是去把760nm的光耦合到這樣的光纖中，此光纖對于超過1280nm的波長是單模的，但對于760nm的光則可以是多模的，且在將其校直以傳輸過該測量區(qū)之前只走過一段短的距離。上述這種系統(tǒng)的示意圖示明于圖8與圖2。首先參看圖8,以寬廣激光頻率發(fā)射激光的多個二極管激光器光源120耦合著分散的單模光纖122A-122n。這些二極管激光器發(fā)射波長在1349nm與1670nm間的激光，由復用器124復用。復用器124的輸出耦合投射側光纖126，后者具有適當?shù)某叽缬靡詡鬏敳ㄩL范圍從1349nm到1670nm的光，兩者都未顯著的傳輸損耗也沒有引入模噪聲。適合用于上述波長的光纖是CorningSMF28。但760nm的輸入要是復用并耦合SMF28光纖，則在傳輸過較短距離后會成為多模的。為此，760nm激光器的輸出便耦合到波長小于1280nm的單模光纖例如CorningSMF750之上，在輸入光纖122n內傳輸?shù)募す庖约霸谕渡鋫裙饫w126中傳輸?shù)膹陀眉す饪梢跃徒嘏c投射光學件128耦合。耦合器130與投射光學件128最好由短長度的傳輸光纖132作光學連接，此傳輸光纖132經(jīng)選擇成可傳輸所有耦合的與復用的波長而無顯著損耗，適用于圖8所示系統(tǒng)中的光纖為CorningSMF28。假定此傳輸光纖較短，則耦合入傳輸光纖132中的760nm激光將不顯現(xiàn)多模行為。對于圖8所示的系統(tǒng)與光纖，業(yè)已測定此傳輸光纖需保持不超過3米的長度以免引入顯著的模噪聲。在圖2所示的類似系統(tǒng)中，此耦合器136從760nm二極管激光器接收輸入，還從具有顯著較長波長的二極管激光器接收復用光束。校直系統(tǒng)本發(fā)明的傳感系統(tǒng)最好還包括有自動校直特征，能允許投射與捕集光學件保持光學準直性，即使這兩種光學件栓接于鍋爐或本身受到熱效應運動、風與振動影響的其他嚴苛環(huán)境的處理室上，在本系統(tǒng)的最佳實施形式中，上述投射與捕集光學件兩者是安裝在反饋控制的傾翻/傾斜臺上。之所以要把投射與捕集光學件兩者安裝在傾斜臺上是由于此傳感器完全是光纖耦合的。這樣，復用光便為直接裝附于輸入光纖上的校直投射光學件投射通過測量區(qū)，而捕集光學件則將所傳輸?shù)墓庵苯玉詈贤ǔ槎嗄９饫w的輸出光纖。因此，此捕集光學件必須定向成與從投射光學件出射的光束共線。之所以需如此是為了使聚焦的傳輸光束可到達此多模捕集光纖的接收光錐內。為了使所傳輸?shù)募す庥袆e于強的背景光(例如來自燒煤爐的火焰的背景光)，可以限制探測器的視場與焦點使之只探測方向與位置都同于輸入激光的光。這只需方便地將探測光聚焦到耦合到適當探測器上的光纖內便可。本發(fā)明一實施形式的基本光學系統(tǒng)設計示意于圖9。圖9的發(fā)送機136包括投射光學件138或準直儀例如一或多層的準直透鏡，還包括相關的安裝與校直結構以及電子元器件。類似的，圖9的接收機140包括具有與投射光學件類似或不同的結構捕集光學件142或準直儀，還包括要對的安裝與校直結構與電子元器件。發(fā)送機一接收機對的效率與背景區(qū)別本領域取決于校直公差。為了獲得最高的效率與區(qū)別本領，發(fā)送機與接收機兩者的校直公差要求很嚴。發(fā)送機必須取足夠精確的指向以使絕大部分傳輸?shù)墓饽芡渡涞讲都鈱W件146的透光孔徑中，如圖10所示，對于典型的系統(tǒng)，上述公差相當于IO米的典型傳輸距離有l(wèi)cm公差或是l毫弧度(靶距離在5到30米之間，投射光點大小在1與3cm之間，衍射影響小)。如圖11概示，接收機的受光角是由光纖芯子148的直徑除以捕集光學件150的焦距決定。較短的焦距雖可增大受光角，但接收機的透光孔徑則相應地變小。具有適當?shù)耐腹饪讖脚c受光角的折衷方法是采用50mm焦距的透鏡和50孩￡米的芯徑，這樣可以獲得2cm的透光孔徑與1毫弧度受光角錐。于是，最佳的校直系統(tǒng)必須相對于總的四個自由度，使兩個光學件定位成在傾倒與傾斜時以1毫弧度的公差相互對準。為了實現(xiàn)這四個自由度，可以先粗調一側然后再進行四維校直(傾倒、傾斜以及X與Y的側向位置)，但這是假定了允許進行大的側向運動的。由于靶環(huán)境的通道口可以小到1寸，這就可能會帶來問題?；蛘弋斨挥杏邢薜目臻g可供側向運動用時，在兩端作有效的對準校直就能保證合適的校直。在嚴苛與多變的環(huán)境中必須保持投射與捕集光學件作嚴格的校直。波動、風力載荷、溫度變化與其他的結構移位都可能導致失準直，這是因為在發(fā)送機與接收機的光學機械中會產(chǎn)生機械蠕變。在定期保養(yǎng)之后，當發(fā)送機與接收機的機頭卸下用于清洗再安裝上時，也有可能失準直。理想上，本發(fā)明的光學系統(tǒng)可以在系統(tǒng)失準直約達50毫弧度時保持1毫弧度的光學校直。這一校直系統(tǒng)應在斷電時保持其位置、允許信號的總損耗、停機而不損失準直性，最后，此系統(tǒng)本身最好能足夠的耐用，以在開放的工業(yè)環(huán)境中長時間的連續(xù)起作用。圖12示意地表明可校直的投射或捕集光學件的實施形式。發(fā)送機與接收機在設計上類似，發(fā)送機根據(jù)光纖出射的光產(chǎn)生準直的激光束，而接收機則捕獲準直的激光束并將其聚焦到光纖內(也可能使光反向通過上述光學系統(tǒng)，而此發(fā)送機與接收機的絕大多數(shù)元器件是一致的。此發(fā)送機與接收機的光學件可以安裝于NEMA-4機殼內使其不受環(huán)境影響。以下的描述適用于發(fā)送機或接收機組件。)如圖10所示，預準直好的光纖/透鏡對152裝附在運動的傾斜臺154，此傾斜臺定位成可垂直于光軸傾倒與傾斜，由兩臺直接驅動的步進馬達156實施上述傾倒與傾斜。這些馬達通過以太網(wǎng)或類似連接系統(tǒng)由計算機控制，這種連接可以通過光纖來避免電力干擾。步進馬達156在撤下電源時保持其位置，西而停電不會影響光學校直。在定期或連續(xù)的系統(tǒng)校直作業(yè)中，控制用計算機監(jiān)視著所傳輸與所探測的激光量。最好能提供離散的校直波長，例如由圖3的可見光源提供的，用來進行連續(xù)或定期的校直。任何失對準將減弱所探測的信號。在自動校直方式中。由計算機測量所探測信號，指令這兩臺步進馬達之一沿一個方向作小量運動，然后再測所探測的信號。若是信號增強，計算機便指令該步進馬達再沿同向運動，直至信號不再增強。然后該計算機指令另一步進馬達沿正交軸線運動以使探測信號最強，再對其他傳感器頭重復整個過程。隨著所探測的信號增強，探測器的放大器增益自動減小，以使自動校直過程進行數(shù)十個信號長度。這種自動校直系統(tǒng)可以以納瓦至毫瓦的探測功率工作。上述這種"爬山法"算法能在存在極大噪聲，信號接近完全損失后校直系統(tǒng)，并可以允許光束阻斷。停電、機械振動或可導致其他校直系統(tǒng)偏移到控制電子器件限度之外的其他攏動。自動校直所要求的只是在定位空間中具有全局最大值的信號。取決于具體安裝條件，自動校直可以在長時間地例如工作了數(shù)日之后根據(jù)需要以固定時間間隔例如每小時定期地進行。上述控制用計算機可以監(jiān)視所探測的信號并只當此信號變弱到預定闊值之下才自動校正。發(fā)送機與接收機組件可以包含適用工業(yè)應用的若干其他特點。任選的傳感器可以探測這些組件何時離位去進行清洗或保養(yǎng)，而出于安全考慮將所有激光器關閉。如圖IO所示，所有的電連接與光連接都可以通過鉸鏈158形成，以使所有的連接不受保養(yǎng)作業(yè)干擾。機殼16保護內部的靈敏光學件不受污染且最好可以用軟管連接。對鏡鏈的移動范圍可加以限制，以免傷及操作人員。最好是使各傳感器頭在自動校直時輸入的電功率要小于10瓦而在自動校直結束后要小于O.l瓦?？梢杂辛硗庖恍┰O計來適合不同的應用。要是不需對NEMA-4機殼進行評級，則可以顯著減小尺寸與重量，不同的傳輸距離允許釆用不同焦距的光學件與透光孔徑以優(yōu)化捕獲的信號，作為不同于上述的由步進馬達驅動的傾斜臺通過移動整個光纖透鏡組件來控制指向的方法，可使光纖相對于透鏡橫移來實現(xiàn)相同的指向改變，但在同時則只移動了小得多的物質。還可以采用不同的機電器件如壓電元件或音圏以提高自動校直系統(tǒng)的工作速度。除了上面討論到與校直有關的種種事項外，對投射與捕集光學件作特殊的選擇也能以下述幾種方式影響到本發(fā)明的TDLAS傳感系統(tǒng)的性能(1)耦合到探測器上的信號強度依存于投射/捕集效率；(2)耦合到探測器上的不希望有的背景發(fā)射依存于捕集光學件的etenduej(3)760nm處一些模噪聲對投射/捕集構型非常敏感；(4)噪聲特征(小但較穩(wěn)定或較大而具有無序的擺動)看來與發(fā)射光束束徑有關。最好采用較大的發(fā)射光束。(5)系統(tǒng)的失準直靈敏度是投射與捕集焦距以及相關的光纖尺寸的直接函數(shù)?？梢圆捎玫湫偷娜济喊l(fā)電設備的極簡單的圖像來進行光學部件的選擇分析。進行這種分析的目的在于以盡可能少的火球細節(jié)的知識，來弄清通過火球的激光束的一般效應。光束通過火球的會受到三種影響(1)煙炱粒子吸收某些光；(2)大角度折射或散射阻礙了一些光到達捕集光學件；(3)光通過眾多的小的熱梯度因而會作不規(guī)則的轉向，但仍可到達捕集光學件。僅僅是上述第三類光才可供收集。假設典型的光線在通過火球時經(jīng)過多次折射，于是此光線方向遵循無規(guī)的路徑并且會偏離其初始方向。要是此光線為包括其他的以類似方式行進但漂移不一致的光線的較大光束中一部分時，則火球會影響此光束作四種不同類型的變化(1)整個光束的總方向改變；(2)光束心跡線的位置改變；(3)光束大小改變；(4)光束的發(fā)散度/波前改變。以上四種變化是包括將影響到集光效率的所有對光束起主要影響的參數(shù)，但不涉及造成這種影響的物理參數(shù)。要是這些光線在火球中的方向作隨機漂移，則根據(jù)標準的擴散關系，這些光線方向將離開初始(名義上最優(yōu)的)方向擴散開。但光線離原始軸線的距離則取決于其初始方向。這樣，對于一定rms的光束轉向，可以預期有一為火球細節(jié)決定的成正比的光束偏移量，如果行徑火球的激光束有幾次擴展到它原始大小，則最終的光束尺寸與最終的光束發(fā)散度之間將保持相同的關系。若是知道了入射到捕集光學件上光的角度、位置與光束尺寸，則可估算集光效率。在此估算中取簡單的光線光學、平頂強度與簡單的評估入射到捕集光學件上的光學亦即在光纖數(shù)值孔徑(NA)中的光量，而這種光是對準地入射到光纖芯子內的。最終結果是偏斜角空間中一座"山"。假定是在最優(yōu)的校直下，集光效率接近山頂，但是隨著光束角與位置的波動則可快速地在此小山之上及其周圍移動。這種集光效率山最好是盡可能的高與寬廣。關于這種山有如下幾點值得指出(1)集光效率山(零光束偏移與零傾斜)的峰值高度正比于捕集光學件etendue(焦距乘NA)的平方，除非是此捕集光學件大的足以俘獲整信入射光束而此時的捕集效率為100%;(2)此山為橢圓形，改變捕集焦距就會使一個軸線較長而另一軸線較短；(3)集光效率因光束跳動而波動乃是噪聲源。根據(jù)上述分析方法，可以比較不同投射/捕集組合的信噪比。假定這些多重噪聲是相同的，則只當火球背景噪聲或探測器噪聲占支配地位時，不同的捕集光學件最終的性能才會不同。本發(fā)明的目的通過在此公開的實施形式業(yè)已完全實現(xiàn)。內行的人當知在不脫離本發(fā)明的基本功能的前提下，本發(fā)明的各個方面是可以通過不同的實施形式實現(xiàn)的。這些具體的實施形式是用于說明目的而不是限制繼后的權利要求書所陳述的本發(fā)明的范圍。權利要求1.一種二極管激光器光譜法氣體傳感設備，包括具有選擇激光頻率的二極管激光器；與上述二極管激光器光耦合的投射光學件，此投射光學件有效地結合處理室并定向成沿通過此處理室的投射光束投射激光；與上述投射光學件光通信以接收此投射通過上述處理室的激光的捕集光學件；與此捕集光學件光耦合的光纖；捕集側校直機構，它與所述捕集光學件有效結合，將此捕集光學件相對于上述投射光束校直，以使此捕集光學件從該投射光學件所接收的且與所述光纖耦合的激光光量最大化；對于光耦合到所述光纖的選擇激光頻率敏感的探測器。2.根據(jù)權利要求l所述二極管激光器光譜法氣體傳感設備，其中所述捕集側校直機構包括使所述捕集光學件沿第一與第二正交軸線傾斜的裝置，而此第一與第二軸線則基本垂直于上述投射光束。3.根據(jù)權利要求2所述二極管激光器光i普法氣體傳感設備，其中所述使該捕集光學件傾斜的裝置包括步進馬達。4.根據(jù)權利要求l所述二極管激光器光譜法氣體傳感設備，還包括由上述投射光學件投射且為捕集光學件接收的校直光束；以及與上述探測器和捕集側校直機構有效結合的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從所述探測器接收有關耦合到所述探測器中上述校直光束強度的數(shù)據(jù)，且使此捕集側校直機構用上述投射光束校直該捕集側光學件，以將耦合到所述探測器的校直光束的強度最大化。5.根據(jù)權利要求1所述二極管激光器光鐠法氣體傳感設備，還包括投射側校直機構，用來校直所述投射光學件和調節(jié)所述投射光束的方向。6.根據(jù)權利要求5所述二極管激光器光譜法氣體傳感設備，還包括使所述投射光學件沿第一與第二正交軸線傾斜的裝置，此第一與第二軸線基本垂直于上述投射光束。7.根據(jù)權利要求6所述二極管激光器光i瞽法氣體傳感設備，其中所述使投射光學件傾斜的裝置包括步進馬達。8，根據(jù)權利要求7所述二極管激光器光鐠法氣體傳感設備，其中所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還使所述投射側校直機構校直上述投射光束的方向，以使為所述捕集光學件接收且與所述探測器耦合的準直光束強度最大化。9.一種二極管激光器光鐠法氣體傳感光學系統(tǒng)的校直方法，此方法包括下述步驟提供校直光束；將此校直光束投射通過處理室；由捕集光學件接收此校直光束，此捕集光學件有效地與上述處理室結合；將此校直光束從上述捕集光學件通過光纖與探測器耦合；測定從此捕集光學件耦合到所述光纖內的上述準直光束強度；校直此捕集光學件以使從上述捕集光學件耦合到所述光纖內的準直光束強度最大化。10.根據(jù)權利要求9所述二極管激光器光鐠法氣體傳感光學系統(tǒng)的校直方法，其中所述校正步驟包括使所述捕集光學件沿第一與第二正交軸線傾斜。11.根據(jù)權利要求9所述二極管激光器光譜法氣體傳感光學系統(tǒng)的校直方法，其中所述校直光束是由投射光學件投射，而此方法還包括校準此捕集光學件以使從此捕集光學件耦合到所述光纖的校直光束的強度最大化。12.根據(jù)權利要求11所述二極管激光器光譜法氣體傳感光學系統(tǒng)的校直方法，其中所述校正上述捕集光學件的步驟包括使所述投射光學件沿第一與第二正交軸線傾斜。13.根據(jù)權利要求12所述二極管激光器光謙法氣體傳感光學系統(tǒng)的校直方法，還包括順序地傾斜此投射光學件和捕集光學件以使該校直光束強度最大化。全文摘要傳感設備，包括多于一個具有選擇激光頻率的二極管激光器、與上述二極管激光器的輸出光耦合的復用器而此復用器再光耦合投射側光纖。復用的激光經(jīng)此投射側光纖傳至與一可以是燃煤或燃氣發(fā)電設備的燃燒室或鍋爐的處理室有效結合的投射光學件。此投射光學件定向成將復用激光輸出投射通過此處理室。此外，由此處理室有效定向的是一與該投射光學件光通信以接收投射通過此處理室的復用激光輸出的捕集光學件。此捕集光學件光耦合一將此復用激光輸出傳給分用器的光纖。此分用器分用上述激光并將所選激光頻率的光光耦合到一對此所選激光頻率之一敏感的探測器。文檔編號G01J3/36GK101408459SQ20081016810公開日2009年4月15日申請日期2004年3月31日優(yōu)先權日2003年3月31日發(fā)明者B.·P.·馬斯特森,亨里克·霍夫范德,安德魯·D.·薩匹,詹姆斯·豪厄爾申請人:佐勒技術公司