一種可分時復(fù)用的tdlas氣體監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，包括DFB激光器，DFB激光器輸出的光信號到電光調(diào)制器，電光調(diào)制器通過光環(huán)行器與氣室組連接，從氣室組反饋的脈沖光信號通過光環(huán)行器輸入到光電探測器，光電探測器分別與脈沖探測器和鎖相放大器連接，脈沖探測器和鎖相放大器的輸出均與數(shù)字信號處理器連接，鎖相放大器與信號發(fā)生器連接。本發(fā)明采用了時分復(fù)用技術(shù)，氣體傳感器的位置和該處的氣體吸收情況之間完全關(guān)聯(lián)，排除了傳感器以外位置的光纖鏈路損耗對傳感器信號的干擾。所有監(jiān)測點之間可以使用單芯光纖首尾相接串聯(lián)運行，大大提高了單芯光纖支持的監(jiān)測點容量。位置識別更加直接可靠。
【專利說明】—種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，適用于各種冶金，礦山，井下，隧道有毒有害氣體監(jiān)測，工業(yè)氣體過程分析，以及大氣環(huán)境質(zhì)量分析等眾多和測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)分析方法，是常用的氣體分析方法，主要是利用半導(dǎo)體激光器的可調(diào)諧和窄線寬特性，通過選擇待測氣體的某條特定的吸收光譜線進行測量，可排除其他氣體的光譜的干擾，實現(xiàn)待測氣體濃度的快速在線檢測。
[0003]在某些TDLAS激光氣體監(jiān)測應(yīng)用中，由于防雷、防爆或者存在強電磁干擾等原因，氣體監(jiān)測點和監(jiān)控室之間必須通過光纜連接以傳輸信號，由于光纖資源有限，而氣體監(jiān)測點數(shù)量大，現(xiàn)有的TDLAS監(jiān)測系統(tǒng)，每個監(jiān)測點需要通過至少2芯光纖實現(xiàn)收發(fā)，而由于所有監(jiān)測點的被測氣體的吸收波長完全相同，無法通過波分復(fù)用系統(tǒng)來提高單芯光纖的監(jiān)測點容量，導(dǎo)致整個監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點數(shù)量受到光纜纖芯數(shù)目的限制。例如在煤礦瓦斯監(jiān)測應(yīng)用中，礦井里面鋪設(shè)電纜在距離上，防爆安全上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光纖傳輸，礦井內(nèi)的光纜資源極其有限，井內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)量很大，限制了這種基于TDLAS原理的氣體監(jiān)測儀在礦井內(nèi)的使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，通過TDLAS監(jiān)測原理結(jié)合光纖時分復(fù)用技術(shù)，通過單芯光纖，將不同的TDLAS監(jiān)測點首尾串行連接，可以將單芯光纖的監(jiān)測點容量提高至10個，使得整個監(jiān)測系統(tǒng)在相同光纜資源條件下提高至10倍的監(jiān)測點數(shù)量容量?？梢栽跍y量點數(shù)量很大而光纜資源有限的情況下，提高單芯光纜的傳感器數(shù)量容量，使得光纜資源可以滿足傳感器系統(tǒng)測量點數(shù)量要求。
[0005]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，包括DFB激光器，還包括分別與DFB激光器連接的電流波形發(fā)生器和溫度控制器，DFB激光器輸出光信號到電光調(diào)制器，電光調(diào)制器根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號對DFB激光器輸出的光信號進行脈沖調(diào)制得到脈沖光信號并將脈沖光信號通過光環(huán)行器輸入到氣室組，從氣室組反饋的脈沖光信號通過光環(huán)行器輸入到光電探測器，光電探測器將檢測到的光信號一路輸入到脈沖探測器，另一路輸入到鎖相放大器，鎖相放大器通過電流波形發(fā)生器發(fā)出的同步參考信號和光電探測器檢測到的光信號獲得反映氣室內(nèi)氣體濃度的模擬信號并將模擬信號輸出到數(shù)字信號處理器，脈沖探測器將接收到光信號的時間信息傳輸給數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖信號的時間和脈沖探測器接收到光信號的時間信息確定各個氣室的位置信息，進而確定接收的氣體濃度的模擬信號對應(yīng)的氣室。
[0006]如上所述的氣室組包括若干個首尾相連的氣室，氣室包括設(shè)置有氣孔的氣室外殼，氣室外殼內(nèi)設(shè)置有石英玻璃底板，石英玻璃底板上依次設(shè)置有首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡、部分反射鏡和尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡，首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡通過光纖與前一級的氣室的尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡連接，尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡通過光纖與后一級的氣室的首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡連接。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
(O由于采用了時分復(fù)用技術(shù)，使得氣體傳感器的位置和該處的氣體吸收情況之間完全關(guān)聯(lián)，排除了傳感器以外位置的光纖鏈路損耗對傳感器信號的干擾。
[0008](2)使得所有監(jiān)測點之間可以使用單芯光纖首尾相接串聯(lián)運行，大大提高了單芯光纖支持的監(jiān)測點容量。
[0009](3)由于時分復(fù)用技術(shù)可以直接對傳感器的距離進行測定，使得傳感器的位置識別更加直接可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的原理框圖；
圖2為本發(fā)明的具體電路組成。
[0011]圖中:1_電流波形發(fā)生器；2_DFB激光器；3_溫度控制器；4_脈沖發(fā)生器；5_電光調(diào)制器；6_單模光纖；7-氣室；8_光電探測器；9_脈沖探測器；10_鎖相放大器；11_數(shù)字信號處理器；12-首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡；13-石英玻璃底板；14-氣室外殼；15-部分反射鏡；16-光環(huán)行器；17-氣孔；18-尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡。

【具體實施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細(xì)描述。
[0013]一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置包括:電流波形發(fā)生器I發(fā)出由三角波、正弦波信號疊加形成的電流信號，該電流信號用于驅(qū)動DFB激光器2，電流波形發(fā)生器I同時輸出相位同步參考信號；溫度控制器3通過調(diào)節(jié)DFB激光器2的工作溫度，使DFB激光器2的工作波長位于氣體吸收線位置；使用脈沖發(fā)生器4發(fā)出時間寬度為1nS的脈沖電壓信號用于驅(qū)動電光調(diào)制器5,電光調(diào)制器5對DFB激光器2輸出的光信號進行脈沖調(diào)制,該脈沖光通過光纖依次傳輸?shù)讲⒔?jīng)過各氣體監(jiān)測點的氣室7，并且該脈沖光又通過光環(huán)行器16返回到光電探測器8轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電流信號。該電流信號分為兩路，其中一路由脈沖探測器9對脈沖到達時間進行識別，由于每個氣室的在沿光纖行進的長度方向有唯一確定的位置，光在光纖內(nèi)沿著已知固定的速度傳播，因此從每個氣室反射回來的脈沖時間也是唯一且固定的，因此可以通過檢測不同脈沖到達探測器的時間來判斷每個脈沖信號對應(yīng)的氣室位置信息，另一路電流信號連同由波形發(fā)生器電流波形發(fā)生器I輸出的相位同步信號輸入到鎖相放大器10,從鎖相放大器10輸出氣體吸收的諧波信號，由數(shù)字信號處理器(DSP) 11進行采集得到對應(yīng)氣室內(nèi)氣體的濃度信息。
[0014]脈沖發(fā)生器4和脈沖探測器9是同步工作的，脈沖發(fā)生器在時間tl發(fā)出脈沖光，從激光器到某氣室之間的距離為S，那么從脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖直到該脈沖返回接收器經(jīng)歷的路程為2S，光在光纖內(nèi)的速度為固定值V，因此對應(yīng)各氣室的返回光脈沖接收時間和脈沖發(fā)生時間T也是固定的，T = 2S/V。因此脈沖接收器和脈沖發(fā)生器之間同步時差，反映出氣室的位置信息。
[0015]鎖相放大器10是一種通過參考信號的頻率和相位對目標(biāo)信號進行識別的裝置，有兩路輸入信號和一路輸出信號。輸入信號包括光電探測器18輸出的光信號和電流波形發(fā)生器I產(chǎn)生的同步參考信號，輸出信號為模擬信號，信號的幅度大小反映出氣體濃度的變化。
[0016]所述的數(shù)字信號處理器(DSP) 11，是一種信號采集和數(shù)據(jù)輸出的芯片，包括兩個功能:一是采集鎖相放大器10輸出的信號幅度，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出；二是采集脈沖探測器9和脈沖發(fā)生器4之間的時差信號，轉(zhuǎn)換為對應(yīng)氣室的位置信息并進行數(shù)字輸出。
[0017]氣室7是一種使光線沿既定路線穿過測氣體，導(dǎo)致部分光譜被氣體吸收的裝置。一部分光線通過部分反射鏡沿原路返回，另一部分穿過氣室從輸出端射出，這種裝置可以通過首尾相接的方式串聯(lián)工作。它的工作方式如下:入射光通過單模光纖耦合進入首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡12成為沿空間直線傳播的光線，被測氣體由固定在氣室外殼14上的氣孔17進入氣室，光線穿過被測氣體之后，由部分反射鏡15將一部分光信號沿光纖返回，其余光信號耦合進入尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡18通過單模光纖耦合輸出。
[0018]電光調(diào)制器5是一種將所需電信號加載到被調(diào)制光信號上的裝置，使得輸出光線攜帶輸入電信號的完整信息。電流調(diào)制信號和脈沖調(diào)制信號都可以通過電光調(diào)制器5完整的加載到激光器的輸出光信號中。電光調(diào)制器5是一種光通信用的通用產(chǎn)品，例如:JDSU電光調(diào)制器驅(qū)動模塊H301-1210。
[0019]光環(huán)行器16是環(huán)形器是一個多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行，反方向是隔離的。在微波多路通信系統(tǒng)中，用環(huán)形器可以把不同頻率的信號分隔開。這是一種光通信用的通用產(chǎn)品，例如:光迅科技的光環(huán)行器模塊CIR-3-1550-A-1-00-APC。
[0020]本發(fā)明顯著提高了基于光纖傳輸?shù)臒o源TDLAS系統(tǒng)測量點數(shù)容量，并且可以區(qū)分每一個報警點所在的位置，為光纖傳感氣體監(jiān)測系統(tǒng)的大面積應(yīng)用提供了解決方案，提高了光纖氣體傳感系統(tǒng)的實用性，為在有毒有害氣體環(huán)境工作人員的生命財產(chǎn)安全提供了保障。
[0021]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明進行作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，包括DFB激光器(2)，其特征在于，還包括分別與DFB激光器(2)連接的電流波形發(fā)生器(I)和溫度控制器(3)，DFB激光器(2)輸出光信號到電光調(diào)制器(5)，電光調(diào)制器(5)根據(jù)脈沖發(fā)生器(4)發(fā)出的脈沖信號對DFB激光器(2)輸出的光信號進行脈沖調(diào)制得到脈沖光信號并將脈沖光信號通過光環(huán)行器(16)輸入到氣室組，從氣室組反饋的脈沖光信號通過光環(huán)行器(16)輸入到光電探測器(8)，光電探測器(8)將檢測到的光信號一路輸入到脈沖探測器(9)，另一路輸入到鎖相放大器(10)，鎖相放大器(10)通過電流波形發(fā)生器(I)發(fā)出的同步參考信號和光電探測器(8)檢測到的光信號獲得反映氣室內(nèi)氣體濃度的模擬信號并將模擬信號輸出到數(shù)字信號處理器(11)，脈沖探測器(9)將接收到光信號的時間信息傳輸給數(shù)字信號處理器(11)，數(shù)字信號處理器(11)根據(jù)脈沖發(fā)生器(4)發(fā)出脈沖信號的時間和脈沖探測器(9)接收到光信號的時間信息確定各個氣室的位置信息，進而確定接收的氣體濃度的模擬信號對應(yīng)的氣室。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可分時復(fù)用的TDLAS氣體監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的氣室組包括若干個首尾相連的氣室(7)，氣室(7)包括設(shè)置有氣孔的氣室外殼(14)，氣室外殼(14)內(nèi)設(shè)置有石英玻璃底板(13)，石英玻璃底板(13)上依次設(shè)置有首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(12)、部分反射鏡(15)和尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(18)，首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(12)通過光纖與前一級的氣室(7)的尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(18)連接，尾端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(18)通過光纖與后一級的氣室(7)的首端自聚焦準(zhǔn)直透鏡(12)連接。
【文檔編號】G01N21/39GK104359857SQ201410648596
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月15日
【發(fā)明者】胡學(xué)秋, 耿學(xué)明, 吳銀偉, 陳鵬, 武治國 申請人:武漢新烽光電科技有限公司