【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及光學(xué)傳感領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置及方法。
技術(shù)介紹
1、目前，在氣體測(cè)量領(lǐng)域，基于吸收光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔，吸收光程短，缺乏信號(hào)放大手段，而且氣量要求高。伴隨吸收光譜，還會(huì)產(chǎn)生光聲效應(yīng)和光熱效應(yīng)。光聲效應(yīng)雖然吸收光程短，但是光聲信號(hào)經(jīng)過聲學(xué)腔諧振，得到數(shù)千倍放大，提升了氣體測(cè)量精度。然而光聲光譜自身的聲學(xué)共振頻率不穩(wěn)定，易受聲學(xué)噪音影響。光熱光譜的機(jī)理是氣體吸收光產(chǎn)生熱，進(jìn)而導(dǎo)致折射率改變，折射率改變量可以反映氣體濃度。光熱光譜不僅測(cè)量精度高，且穩(wěn)定性較好，適合高靈敏的氣體檢測(cè)需求。但是很多應(yīng)用場(chǎng)景能夠提供的氣量非常有限，卻對(duì)氣體檢測(cè)的精度和靈敏度要求非常高。在醫(yī)療健康領(lǐng)域呼吸分析和疾病診斷中，需要從患者的呼出氣體中檢測(cè)出極微量的目標(biāo)化合物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（vocs），以用于肺癌、糖尿病等疾病的診斷。環(huán)境監(jiān)測(cè)中的特定地點(diǎn)，如土壤孔隙、地下水井或植物葉片附近，也需要進(jìn)行微量氣體采樣，例如監(jiān)測(cè)土壤中的甲烷排放或植物與大氣之間的氣體交換，這些地方只能提供極少量的氣體樣本。在氣量非常有限的情況下，提高檢測(cè)靈敏度具有非常重要的意義。另外，在變壓器的有色譜測(cè)量中，各種異常氣體的含量很低，導(dǎo)致出氣量微小，但是對(duì)氣體的精度要求有很高，利用微小量氣體實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量對(duì)變壓器的健康狀態(tài)檢測(cè)有著極其重要的意義。
2、針對(duì)上述應(yīng)用領(lǐng)域存在的問題，提出一種雙增強(qiáng)光熱光譜氣體檢測(cè)方法及裝置，能夠基于微小氣量實(shí)現(xiàn)高靈敏氣體測(cè)量。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置及方法，通過一個(gè)微納光纖環(huán)形諧振腔，實(shí)現(xiàn)諧振方法和信號(hào)檢測(cè)雙增強(qiáng)，使百微米的微納光纖環(huán)可以等效為數(shù)十米的吸收光程，從而實(shí)現(xiàn)微小氣量下的高靈敏氣體測(cè)量。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置包括
3、激光器電流控制器使泵浦光激光器產(chǎn)生可調(diào)諧的脈沖光，使探測(cè)光在微納光纖環(huán)諧振波長(zhǎng)附近掃描；
4、激光器溫度控制器用于控制泵浦光激光器的工作溫度，調(diào)整泵浦光的波長(zhǎng)與氣體吸收波長(zhǎng)相匹配；
5、泵浦光激光器產(chǎn)生泵浦光，光能被特征氣體吸收后產(chǎn)生光熱，釋放熱能；
6、探測(cè)光激光器產(chǎn)生探測(cè)光，在波長(zhǎng)掃描過程中可以找到微納光纖環(huán)的諧振波長(zhǎng)；
7、波分復(fù)用器將泵浦光和探測(cè)光耦合進(jìn)微納光纖環(huán)諧振器中；
8、微納光纖環(huán)諧振器使泵浦光在微納光纖環(huán)中反復(fù)耦合傳輸并與氣體相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生增強(qiáng)的光熱信號(hào)；對(duì)于探測(cè)光，光熱信號(hào)的探測(cè)過程被諧振放大，形成雙增強(qiáng)現(xiàn)象；
9、窄帶濾波器將探測(cè)光的光譜變化轉(zhuǎn)為光強(qiáng)變化；
10、光電探測(cè)器將經(jīng)過了諧振的探測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，供后端處理單元解調(diào)出氣體濃度信息；
11、鎖相放大器將探測(cè)光經(jīng)光電探測(cè)后的信號(hào)用鎖相放大，通過解調(diào)得到與氣體濃度成正比的二次諧波；
12、激光器電流控制器還用于在驅(qū)動(dòng)電流上疊加正弦波，驅(qū)動(dòng)電流用于波長(zhǎng)掃描，使得泵浦波長(zhǎng)與氣體吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；正弦波用于波長(zhǎng)調(diào)制，用于提升信噪比。
13、優(yōu)選的，微納光纖環(huán)使部分泵浦光以倏逝場(chǎng)形式在微納光纖周圍傳播，使泵浦光與氣體相接觸，進(jìn)而被氣體吸收；同時(shí)又能讓未被氣體吸收的泵浦光被再次耦合回微納光纖環(huán)內(nèi)參與下一次的光與物質(zhì)相互作用；同時(shí)，微納光纖環(huán)也使探測(cè)光在微納光纖環(huán)中產(chǎn)生諧振。
14、優(yōu)選的，泵浦光的波長(zhǎng)與被測(cè)氣體的吸收譜波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。
15、優(yōu)選的，探測(cè)光的波長(zhǎng)范圍覆蓋微納光纖環(huán)的諧振波長(zhǎng)范圍。
16、優(yōu)選的，微納光纖環(huán)的諧振范圍與微納光纖環(huán)的直徑和光熱強(qiáng)度有關(guān)。
17、優(yōu)選的，微納光纖的直徑用于確定倏逝場(chǎng)的大小、探測(cè)光的耦合損耗和傳輸損耗。
18、優(yōu)選的，還包括處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波和數(shù)據(jù)處理的功能，將光信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)的氣體濃度信號(hào)。
19、優(yōu)選的，微納光纖環(huán)諧振器還包括另外一種設(shè)置為用平面光波導(dǎo)諧振結(jié)構(gòu)或者微環(huán)諧振腔替代。
20、優(yōu)選的，泵浦光的驅(qū)動(dòng)電流還包括另外一種設(shè)置為不用疊加正弦波。
21、一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)方法，包括以下步驟：
22、通過溫度控制，使泵浦光處于乙炔氣體吸收峰附近；電流控制器使用驅(qū)動(dòng)電流在吸收峰附近做波長(zhǎng)掃描，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)電流上疊加正弦波；
23、用波分復(fù)用器將泵浦光和探測(cè)光耦合進(jìn)微納光纖環(huán)諧振器中；
24、在微納光纖環(huán)中形成泵浦光的光熱光譜諧振，改變微納光纖環(huán)的等效折射率；等效折射率經(jīng)探測(cè)光的諧振放大，探測(cè)光的光譜發(fā)生移動(dòng)；
25、通過窄帶濾波器將探測(cè)光的光譜變化轉(zhuǎn)為光強(qiáng)變化；
26、將探測(cè)光經(jīng)光電探測(cè)后的信號(hào)用鎖相放大，通過解調(diào)得到與氣體濃度成正比的二次諧波；
27、處理單元將二次諧波的光信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)的氣體濃度信號(hào)。
28、因此，本專利技術(shù)采用上述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置及方法，技術(shù)效果如下：
29、（1）在增強(qiáng)光與氣體相互作用方面，既能利用微納光纖的高能量密度，又能利用環(huán)形諧振腔的長(zhǎng)等效光程；在增強(qiáng)氣體吸收信號(hào)探測(cè)方面，首次將諧振放大引入光熱的折射率探測(cè)。雙諧振在同一個(gè)微納光纖環(huán)中實(shí)現(xiàn)，理論新穎，結(jié)構(gòu)緊湊。經(jīng)過雙諧振放大，使百微米的微納光纖環(huán)可以等效為數(shù)十米的吸收光程，并有望在納升氣量的條件下，實(shí)現(xiàn)ppt級(jí)的超高測(cè)量精度。
30、（2）微納光纖諧振結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，其中存在兩方面難點(diǎn)，其一：高靈敏的諧振環(huán)容易產(chǎn)生工作點(diǎn)偏移的失諧問題，針對(duì)此問題提出熱平衡控制方法，在光熱效應(yīng)的閉環(huán)反饋控制理論基礎(chǔ)上，通過波長(zhǎng)掃描判斷失諧的方向，進(jìn)而判斷溫度的偏離方向，然后通過對(duì)波長(zhǎng)掃描頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使發(fā)熱量處于恒定狀態(tài)，控制諧振環(huán)的諧振點(diǎn)保持不變。
31、（3）可以應(yīng)用于呼吸氣體、變壓器油色譜等氣量極小，且對(duì)測(cè)量精度要求很高的場(chǎng)合。
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1.一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，包括
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖環(huán)使部分泵浦光以倏逝場(chǎng)形式在微納光纖周圍傳播，使泵浦光與氣體相接觸，進(jìn)而被氣體吸收；同時(shí)又能讓未被氣體吸收的泵浦光被再次耦合回微納光纖環(huán)內(nèi)參與下一次的光與物質(zhì)相互作用；同時(shí)，微納光纖環(huán)也使探測(cè)光在微納光纖環(huán)中產(chǎn)生諧振。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，泵浦光的波長(zhǎng)與被測(cè)氣體的吸收譜波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，探測(cè)光的波長(zhǎng)范圍覆蓋微納光纖環(huán)的諧振波長(zhǎng)范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖環(huán)的諧振范圍與微納光纖環(huán)的直徑和光熱強(qiáng)度有關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖的直徑用于確定倏逝場(chǎng)的大小、探測(cè)光的
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濾波和數(shù)據(jù)處理的功能，將光信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)的氣體濃度信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖環(huán)諧振器還包括另外一種設(shè)置為用平面光波導(dǎo)諧振結(jié)構(gòu)或者微環(huán)諧振腔替代。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，泵浦光的驅(qū)動(dòng)電流還包括另外一種設(shè)置為不用疊加正弦波。
10.一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，包括
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖環(huán)使部分泵浦光以倏逝場(chǎng)形式在微納光纖周圍傳播，使泵浦光與氣體相接觸，進(jìn)而被氣體吸收；同時(shí)又能讓未被氣體吸收的泵浦光被再次耦合回微納光纖環(huán)內(nèi)參與下一次的光與物質(zhì)相互作用；同時(shí)，微納光纖環(huán)也使探測(cè)光在微納光纖環(huán)中產(chǎn)生諧振。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，泵浦光的波長(zhǎng)與被測(cè)氣體的吸收譜波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，探測(cè)光的波長(zhǎng)范圍覆蓋微納光纖環(huán)的諧振波長(zhǎng)范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙增強(qiáng)光熱光譜的高靈敏微小氣量氣體檢測(cè)裝置，其特征在于，微納光纖環(huán)的諧振范圍與微...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：高慧芳，王樂，尹祿，張宏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)計(jì)量大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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