一种时分复用光纤气体探测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种光纤传感技术领域，具体是涉及一种时分复用光纤气体探测系统及方法。


背景技术：

2.光纤气体传感器与传统的催化燃烧、电化学等气体传感器相比，具有选择性好、寿命长、可靠性高、易维护等优点，在使用光纤远距离传输的情况下，还具有无源本安、抗电磁干扰等特点。因此在石油、石化、电力等行业的危险气体探测应用中具有巨大的发展潜力。
3.然而，由于光纤气体传感器需要使用特定波长的激光器及光电探测器等高价光学器件，造成单点式传感器的造价高昂，极大制约了光纤气体传感技术的大范围推广，因此建立一种大容量光纤气体传感网络，共用激光器和光电探测器等高价元器件，是降低单个探测点接入成本的有效手段，具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.为解决以上问题，本发明旨在提供一种时分复用光纤气体探测系统，以提高系统接入传感气室数量，从而均摊高昂的硬件成本，达到降低系统总体造价的目的，为推广先进气体传感技术提供切实可行的系统方案。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种时分复用光纤气体探测系统，包括激光器、光开关、传感气室，信号发生器的信号输出端输出特定波形的承载波信号至激光器驱动模块中，激光器驱动模块一路输出电流驱动信号驱动激光器，激光器驱动模块另一路输出温度控制信号至激光器中，激光器输出端通过光开关连接n路光纤传输线，每一路光纤传输线插入一个传感气室，传感气室中设有目标气体，每个传感气室的信号输出端连接一路输出光纤，n个输出光纤插入合术器中，合术器的信号输出端连接光电探测器，光电探测器的信号输出端连接分析控制系统，分析控制系统输出控制信号至光开关。
6.所述的光开关接收分析控制系统的控制信号，在任一时刻下仅有一路输出光信号。
7.所述的传感气室为n个，传感气室内部采用对射结构，一端连接输入光纤，一端连接输出光纤。
8.所述的合术器一端将n根光纤作为各自的输入端，一同插入单个光纤插芯中，合术器另一端为1路合术输出端。
9.所述的光电探测器包括外壳，外壳一端为光纤接头，另一端为光电二极管，中间通过透镜连接。
10.一种时分复用光纤气体探测系统，进行气体探测的方法，其步骤为：
11.1)信号发生器发出特定波形的载波信号至激光器驱动模块；
12.2)载波信号经激光器驱动模块转换成相应电流驱动信号使激光器输出可稳定覆盖气体吸收波长的载波光信号，同时激光器驱动模块生成另一路温度控制信号使激光器温
度保持恒定；
13.3)激光器将激光驱动器提供的电信号转换为光信号；
14.4)激光器的光信号输出端通过光开关连接n路光纤传输线，光开关具有1路输入端和n路输出端，通过分析控制系统的控制指定输出端，在任一时刻下仅有一路输出端能够输出光信号；
15.5)每路光纤传输线连接一个传感气室，传感气室用于分布安置于待测环境中；其中，每个传感气室都采用对射式结构，一端连接光纤传输线，另一端连接输出光纤，光信号在气室内经目标气体吸收形成调制光信号，并将此调制光信号输入至合术器中；
16.6)合束器具有n路输入端和1路输出端，输出端连接光电探测器，合束器用于将n路光信号合成1路信号输出；其中，受光开关控制n路输入端中只有一路存在所述调制光信号，其他路输入端信号为零，因此实际系统中输出端信号即为当前选中气室的调制光信号；
17.7)光电探测器将所述调制光信号转换为对应大小的电压信号输出至分析控制系统；
18.8)分析控制系统控制光开关选择待测气体通路，并对所述电压信号进行采集分析，解调得到所述目标气体的浓度信息；分析控制系统控制光开关选择第i路输出信号，得到的浓度信息及对应第i号传感气室。
19.本发明创造的有益效果是：本发明采用时分复用的方式实现了大容量光纤气体探测系统，在仅使用单个光源及探测器的条件下实现了多传感端监测；使用光开关作为复用器件，可有效保障光信号强度，避免了空分复用技术中光源强度平均分配信噪比下降的问题，降低了对激光器发光功率的要求；使用光纤作为信号传输介质，传感器可通过光纤远距离连接探测系统主机，现场传感器无需供电具有本质安全的优点；同时通过采用单光源和探测器复用结构和低功率光源，大大降低了系统硬件成本，有效提高产品的性价比，因此可以实现广泛的社会效益。
附图说明
20.附图1为时分复用光纤气体传感检测网络；
21.附图2为合束器结构示意图；
22.附图3为光电探测器结构示意图；
23.图中标号：1、信号发生器；2、激光器驱动模块；3、激光器；4、光开关；5、光纤传输线；6、传感气室；7、合束器；71、光纤插芯；72、光合术输出端；8、光电探测器；81、光纤接头；82、透镜；83、光电二极管；9、分析控制系统。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
25.如图1所示的一种时分复用光纤气体探测系统，信号发生器1的信号输出端输出特定波形的承载波信号至激光器驱动模块2中，特定波形可以为周期性的三角波信号。
26.激光器驱动模块2一路输出电流驱动信号驱动激光器3，激光器驱动模块2另一路输出温度控制信号至激光器3中，激光器3输出端通过光开关4连接n路光纤传输线5，每一路
光纤传输线5插入一个传感气室6，传感气室6为n个，传感气室6内部采用对射结构，一端连接输入光纤，一端连接输出光纤。
27.传感气室6中设有目标气体，每个传感气室6的信号输出端连接一路输出光纤，n个输出光纤插入合术器7中。如图2所示的合术器7，合术器7一端将n根光纤作为各自的输入端，一同插入单个光纤插芯71中，合术器7另一端为1路合术输出端72。合术器7起到n路输入、1路输出的效果。
28.合术器7的信号输出端连接光电探测器8。如图3所示的光电探测器8包括外壳，外壳一端为光纤接头81，另一端为光电二极管83，中间通过透镜82连接。使用时，光纤插芯插入光纤接头81端，光信号通过透镜82汇聚到光电二极管83的光敏面，以实现对光信号的最大化收集。
29.光电探测器8的信号输出端连接分析控制系统9，分析控制系统9输出控制信号至光开关4。光开关4接收分析控制系统9的控制信号，在任一时刻下仅有一路输出光信号。
30.利用时分复用光纤气体探测系统，进行气体探测的方法，其步骤为：
31.1)信号发生器1发出特定波形的载波信号至激光器驱动模块2。
32.2)载波信号经激光器驱动模块2转换成相应电流驱动信号使激光器3输出可稳定覆盖气体吸收波长的载波光信号，同时激光器驱动模块2生成另一路温度控制信号使激光器3温度保持恒定。
33.3)激光器3将激光驱动器提供的电信号转换为光信号。
34.4)激光器3的光信号输出端通过光开关4连接n路光纤传输线5，光开关4具有1路输入端和n路输出端，通过分析控制系统9的控制指定输出端，在任一时刻下仅有一路输出端能够输出光信号。
35.5)每路光纤传输线5连接一个传感气室6，传感气室6用于分布安置于待测环境中；其中，每个传感气室6都采用对射式结构，一端连接光纤传输线5，另一端连接输出光纤，光信号在气室内经目标气体吸收形成调制光信号，并将此调制光信号输入至合术器7中。以1路为例，波光信号经光开关4，在分析控制系统9的控制下进入指定的1路光纤传输线5，之后在对应的传感气室6中被待测气体吸收形成调制光信号，最后进入合束器7。
36.6)合束器7具有n路输入端和1路输出端，输出端连接光电探测器8，合束器7用于将n路光信号合成1路信号输出；其中，受光开关7控制n路输入端中只有一路存在所述调制光信号，其他路输入端信号为零，因此实际系统中输出端信号即为当前选中气室的调制光信号。
37.7)光电探测器8将所述调制光信号转换为对应大小的电压信号输出至分析控制系统9。
38.8)分析控制系统9控制光开关4选择待测气体通路，并对所述电压信号进行采集分析，解调得到所述目标气体的浓度信息，分析控制系统9控制光开关4选择第i路输出信号，得到的浓度信息及对应第i号传感气室6。

技术特征：
1.一种时分复用光纤气体探测系统，包括激光器(3)、光开关(4)、传感气室(6)，其特征在于：信号发生器(1)的信号输出端输出特定波形的承载波信号至激光器驱动模块(2)中，激光器驱动模块(2)一路输出电流驱动信号驱动激光器(3)，激光器驱动模块(2)另一路输出温度控制信号至激光器(3)中，激光器(3)输出端通过光开关(4)连接n路光纤传输线(5)，每一路光纤传输线(5)插入一个传感气室(6)，传感气室(6)中设有目标气体，每个传感气室(6)的信号输出端连接一路输出光纤，n个输出光纤插入合术器(7)中，合术器(7)的信号输出端连接光电探测器(8)，光电探测器(8)的信号输出端连接分析控制系统(9)，分析控制系统(9)输出控制信号至光开关(4)。2.根据权利权利要求1所述的一种时分复用光纤气体探测系统，其特征在于：所述的光开关(4)接收分析控制系统(9)的控制信号，在任一时刻下仅有一路输出光信号。3.根据权利权利要求1所述的一种时分复用光纤气体探测系统，其特征在于：所述的传感气室(6)为n个，传感气室(6)内部采用对射结构，一端连接输入光纤，一端连接输出光纤。4.根据权利权利要求1所述的一种时分复用光纤气体探测系统，其特征在于：所述的合术器(7)一端将n根光纤作为各自的输入端，一同插入单个光纤插芯(71)中，合术器(7)另一端为1路合术输出端(72)。5.根据权利权利要求1所述的一种时分复用光纤气体探测系统，其特征在于：所述的光电探测器(8)包括外壳，外壳一端为光纤接头(81)，另一端为光电二极管(83)，中间通过透镜(82)连接。6.利用权利要求1-5所述的时分复用光纤气体探测系统，进行气体探测的方法，其特征在于，其步骤为：1)信号发生器(1)发出特定波形的载波信号至激光器驱动模块(2)；2)载波信号经激光器驱动模块(2)转换成相应电流驱动信号使激光器(3)输出可稳定覆盖气体吸收波长的载波光信号，同时激光器驱动模块(2)生成另一路温度控制信号使激光器(3)温度保持恒定；3)激光器(3)将激光驱动器提供的电信号转换为光信号；4)激光器(3)的光信号输出端通过光开关(4)连接n路光纤传输线(5)，光开关(4)具有1路输入端和n路输出端，通过分析控制系统(9)的控制指定输出端，在任一时刻下仅有一路输出端能够输出光信号；5)每路光纤传输线(5)连接一个传感气室(6)，传感气室(6)用于分布安置于待测环境中；其中，每个传感气室(6)都采用对射式结构，一端连接光纤传输线(5)，另一端连接输出光纤，光信号在气室内经目标气体吸收形成调制光信号，并将此调制光信号输入至合术器(7)中；6)合束器(7)具有n路输入端和1路输出端，输出端连接光电探测器(8)，合束器(7)用于将n路光信号合成1路信号输出；其中，受光开关(7)控制n路输入端中只有一路存在所述调制光信号，其他路输入端信号为零，因此实际系统中输出端信号即为当前选中气室的调制光信号；7)光电探测器(8)将所述调制光信号转换为对应大小的电压信号输出至分析控制系统(9)；8)分析控制系统(9)控制光开关(4)选择待测气体通路，并对所述电压信号进行采集分
析，解调得到所述目标气体的浓度信息。7.根据权利要求7所述的气体探测的方法，其特征在于，所述的8)中，分析控制系统(9)控制光开关(4)选择第i路输出信号，得到的浓度信息及对应第i号传感气室(6)。

技术总结
本发明涉及一种时分复用光纤气体探测系统及方法，包括：信号发生器，生成载波信号；激光器驱动模块控制激光器产生载波光信号；光开关，选择输出光路；传感气室，用于待测环境气体检测，形成调制光信号；合束器，用于多路光信号合成输出；光电探测器，用于将调制光信号转换为电压信号；分析控制系统，用于控制光开关，及解调目标气体浓度信息。本发明建立了一种大容量光纤气体传感网络，通过共用激光器和光电探测器等高价元器件，有效降低了单个探测点接入成本，具有重要的现实意义。具有重要的现实意义。具有重要的现实意义。


技术研发人员：张磊 张伟华 王文青
受保护的技术使用者：应急管理部沈阳消防研究所
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/8/24