CN101055243B - 光纤气体传感的方法和传感器 - Google Patents

Abstract

光纤气体传感器，采用一个低反射腔镜和一个测量光纤构成光纤法布里一珀罗干涉仪检测气体吸收光能产生的声压力波信号，为光声气体传感技术提供了新的实现方法；由激发光源发出脉冲调制的激发光，经过带通滤波器，从气腔窗口进入气腔；入射到气腔内的激发光被待测气体吸收后，就生成强度对应于气腔内待测气体浓度的声压力波；该声压力波被气腔的另一端口处的振动膜片转换为振动膜片的振动，由第一驱动电源驱动的测量光源发出的测量光信号经过光纤合波器、传输光纤和光纤分波器，进入法布里珀罗干涉仪的测量光纤，这一返回的光束与光纤端面直接反射的光束存在光程差得出待测气体的浓度值。

Description

光纤气体传感的方法和传感器

技术领域

本发明涉及到光声气体传感的方法和传感器，特别涉及到利用构成的低精细度光纤法布里-珀罗干涉检测光声信号的装置与方法。本发明属于光纤传感技术领域，主要用于气态物质的浓度的传感检测。

背景技术

气体的探测，尤其是可燃、易爆、有毒有害气体的探测，对工农业生产、人民生活、科学研究和国家安全至关重要。

气体传感器利用光声效应检测气态分析物的浓度的用法已经众所周知，如先技术[美国专利No.4740086]描述了在光激发气态分析物时用光声气体传感器把调幅光源的光能转换成声能的情况。当入射到气室的光能被待测气体吸收后，就生成强度对应于气室内待测气体浓度的声压力波，该声压力波被电容微音器检测。光声气体传感技术具有灵敏度高、气室所需体积小等一系列优点，得到了广泛研究和应用。

光纤传感器由于具有抗电磁干扰、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、便于复用组网等诸多优点，因而在工业、农业、生物医疗、国防等各领域均有广阔应用前景。为了将光声气体传感原理和光纤传感技术相结合，集成两者的优点，形成新型光纤光声气体传感技术，人们已经提出了若干技术方案。在先技术之二[基于光声光谱法的光纤气体传感器研究，中国激光，第31卷，第8期，2004年]中，提出了一种采用光纤马赫曾德干涉相位传感器代替传统的微音器的方案，将光纤马赫曾德干涉仪的一臂缠绕在光声气腔的外壁，当气体吸收光能产生声压力波，声压力波将使得光声气腔的直径变化，使缠绕在其上的光纤产生径向应变，引起光波的相位变化，通过测量相位变化来感知声压力波变化，进而得到气体浓度信息。但是，由于热胀冷缩，环境温度变化也会引起光声气腔直径变化，同时参考臂光纤会受到光声气腔外气流和温度的影响，而且光纤的缠绕会产生双折射，从而产生较大的与气体吸收无关的相位噪声，造成测量灵敏度低和测量稳定性差。另外，其激励光源采用染料激光器，体积大；光强调制采用机械斩波器，频率低。使得光纤传感技术的优点没有得到充分发挥。

又如CN200510012344.5光纤气体传感器，包括由普通实芯光纤连接的光源、耦合器、气体吸收池、对比光纤和光电探测器，还包括信号采集处理系统，所述的气体吸收池中的光纤和对比光纤是微结构空芯光纤，其连接关系如下：光源接耦合器的输入，耦合器的一路输出接气体吸收池，气体吸收池再接光电探测器，耦合器的另一路输出接对比光纤，对比光纤再接光电探测器，光电探测器的输出接信号采集处理系统。

CN200610012988.9空芯光子晶体光纤气体传感器.是一种空芯光子晶体光纤气体传感器。解决了现有光纤气体传感器存在系统装置比较复杂、吸收光程不易控制、光路的耦合损耗也比较大的问题，包括光源、通过普通光纤、光分路器与光源连接的导光气室光路和采用普通光纤的参考光路、及设置于导光气室光路和参考光路另一端的包含光电二极管、锁相放大器的用于为外部气体浓度监测电路提供信号的信号转换部分，导光气室采用其上开有微米级大小透气微孔的空芯光子晶体光纤。

发明内容

本发明目的为：克服现有技术的不足，提出一种采用构成的低精细度光纤法布里-珀罗干涉检测光声信号的方法，以及提供一种具有高稳定度和高灵敏度的光纤光声气体传感器。

光纤气体传感的方法，采用一个低反射腔镜和一个测量光纤构成的光纤法布里-珀罗干涉仪检测气体吸收光能产生的声压力波信号，为光声气体传感技术提供了新的实现方法；尤其是由激发光源2发出脉冲调制的激发光，经过带通滤波器8，从气腔窗口9进入气腔11；入射到气腔11内的激发光被待测气体14吸收后，就生成强度对应于气腔11内待测气体14浓度的声压力波；该声压力波被气腔11的另一端口处的振动膜片151转换为振动膜片151的振动，此振动膜片即为低反射腔镜，由第一驱动电源18驱动的测量光源1发出的测量光信号经过光纤合波器3、传输光纤5和光纤分波器6，进入法布里珀罗干涉仪的测量光纤152，传输到达光纤152的端面，传输光出射到振动膜片151的表面并经反射后又有部分的光被返回光纤152，这一返回的光束与光纤端面直接反射的光束存在光程差，从光纤152的端面和振动膜片151的表面反射回来的光信号经过光纤分波器6、传输光纤5再经过相位解调模块17和信号处理及控制系统20分析得出待测气体的浓度值。

该激发光依次经过光纤合波器3、光纤导光元件4、传输光纤5和光纤分波器6，从光纤准直器7出射，再经过带通滤波器8，从气腔窗口9进入气腔11。

光纤气体传感器，包括测量光源1，激发光源2，光纤合波器3，光纤导光元件4、传输光纤5，光纤分波器6，带通滤波器8，气腔窗口9，装有待测气体14的气腔11，由低反射腔镜(振动膜片151)、测量光纤152构成的低精细度法布里珀罗干涉模块15，还包括光电探测单元16，相位解调模块19，信号处理及控制系统20；采用一个低反射腔镜和一个测量光纤构成光纤法布里-珀罗干涉仪；激发光源2，连接光纤合波器3，传输光纤5，光纤分波器6并连接带通滤波器8，从气腔窗口9进入气腔11；入射到气腔11内的激发光被待测气体14吸收，生成声压力波被气腔11的另一端口处的振动膜片151转换为振动膜片151的振动，此振动膜片即为低反射腔镜；由测量光源1发出的测量光信号连接光纤合波器3、传输光纤5和光纤分波器6，进入法布里珀罗干涉仪的测量光纤152，传输到达光纤152的端面，测量光返回的光束与光纤端面直接反射的光束存在光程差，从光纤152的端面和振动膜片151的表面反射回来的光信号经过光纤分波器6、传输光纤5再经过相位解调模块17和信号处理及控制系统20分析得出待测气体的浓度值。

本发明的光纤光声气体传感器的基本工作过程如下：如图1所示，由第二驱动电源19驱动的激发光源2发出脉冲调制的激发光，该激发光依次经过光纤合波器3、光纤导光元件4、传输光纤5和光纤分波器6，从光纤准直器7出射，再经过带通滤波器8，从气腔窗口9进入气腔11。入射到气腔11内的激发光被待测气体14吸收后，就生成强度对应于气腔11内待测气体14浓度的声压力波。和先技术采用电容微音器或者光纤马赫曾德干涉测量吸收产生的声压力波不同，在本发明中，该声压力波被气腔11的另一端口处的振动膜片151转换为振动膜片151的振动，该振动信号由低精细度法布里珀罗干涉模块15转换为光相位信号，经过分析处理得出待测气体14的浓度信息。该干涉测量过程为，由第一驱动电源18驱动的测量光源1发出的测量光信号依次经过光纤合波器3、光纤导光元件4、传输光纤5和光纤分波器6，进入低精细度法布里珀罗干涉模块15中的光纤152，传输到达光纤152的端面，因菲涅耳效应其中很小部分光被反射回光纤152，而大部分的光出射到振动膜片151的表面并经反射后又有部分的光被返回光纤152，这一返回的光束与光纤端面直接反射的光束存在光程差，当满足一定的相位条件就会产生干涉。从光纤152的端面和振动膜片151的表面反射回来的光信号经过光纤分波器6、传输光纤5和光纤导光元件4由光电探测单元16接收，再经过相位解调模块17计算出相位，由信号处理及控制系统20分析得出待测气体的浓度值。

本发明的光纤声传感器的工作原理描述如下：

入射到气腔11内的激发光被待测气体14吸收后，就生成强度对应于气腔11内待测气体14浓度的声压力波p，

$p=\frac{K(\frac{C_p}{C_v}-1)c\·I_0}{f}---\left(1\right)$

其中，K为气体和气腔相关的常数，C_p、C_v分别为常压和常体积下的热容，c为待测气体14的浓度，I₀为入射到气腔的光强，f为激发光源2的幅度调制频率。

声压力波p作用于振动膜片151时，振动膜片151的变形为y(p)，

$y\left(p\right)=\frac{3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{16{\mathrm{Eh}}^3}{a}^{4}p---\left(2\right)$

其中μ、E、a、h分别为振动膜片151的泊松比、杨氏弹性模量、半径和厚度。变形y(p)引起干涉相位差的变化为Δφ，

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}y\left(p\right)=\frac{3\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{4\mathrm{\λ}{\mathrm{Eh}}^3}{a}^{4}p---\left(3\right)$

其中，λ为测量光源1的输出光信号的波长。

由光电探测单元16探测接收得到的由相位差Δφ引起的干涉信号为，

I_m＝KI_m0[1+γcos(Δφ)]    (4)

其中，其中I_m0为光电探测器16接收到的平均光功率，K为常数，γ为干涉信号的条纹对比度。相位差Δφ由相位解调模块17根据公式(4)得到。得到Δφ后，即可由信号处理及控制系统20通过计算处理从公式(3)和公式(1)得到待测气体的浓度

$c=[\frac{4\mathrm{\λ}{\mathrm{Eh}}^3}{3\mathrm{\π}(1-{\mathrm{\μ}}^2)a^4}\·\frac{f}{K(\frac{C_p}{C_v}-1)I_0}]\·\mathrm{\Δ\φ}.$

上面所说的测量光源1和激发光源2为半导体激光器(简称为LD)或超辐射发光二极管(简称为SLD)或发光二极管(LED)。其中的激发光源2其光谱应该覆盖待测气体14的吸收峰。测量光源1和激发光源2发出的光束的光谱不重叠。

所说的第一驱动电源18提供直流信号给测量光源1。所说的第二驱动电源19提供交流调制信号给激发光源2。

所说的光纤合波器3、光纤分波器6是用来实现光束合路、分路的光纤元件，可以是光纤耦合器、或是光纤复用器。光纤导光元件4为分束比为1∶1的光纤耦合器或者是光纤环行器。

所说的传输光纤5，可以是普通商用单模光纤或多模光纤或其它适合低损耗传输测量光源1和激发光源2发射的光信号的其它光纤。

所说的光纤准直器7是指出射光为平行光的的光纤元件。

所说的带通滤波器8的功能是从激发光源2发出的光束中取出和待测气体吸收峰相吻合的窄带光信号，它可以是干涉滤光片或其它类似功能器件。如果激发光源2为窄带激光光源，带通滤波器8可以不需要。

所说的气腔窗口9的功能是透明地传输激发光源2发出的光束进入气腔11。

所说的气腔11，其功能是容纳待测气体并传递或增强声压力波，其结构可以是管状、立方形或其它形状。

所说的待测气体14，是本发明传感器的测量对象，它可以是具有吸收激发光源2发出光能特性的任何气态物质，如甲烷、二氧化碳、一氧化碳等。

所说的低精细度法布里珀罗干涉模块15是本发明的测量待测气体14吸收光信号产生的声压力波的敏感元件，由振动膜片151、光纤152、套管153构成，套管153和光纤152之间的粘合可以采用胶合方式(如环氧胶)或激光熔合方式。光纤152的端面与振动膜片151的内表面之间保持一定的间隙。低精细度法布里珀罗干涉模块15的结构和形状以及采用的材质可根据测试环境以及声压力波的特性加以优化设计，其设计的基本原理可沿用材料弹性力学以及膜、板在介质中受迫振动方程等相关理论，并结合声波在各介质传播特性的研究结果。

所说的光电探测单元16的功能是将光信号转换为电信号并进行放大，因此，各包括一个光电探测器和前置放大器等。光电探测器的响应波长应在测量光源1发射的光信号的波段，它们可以是光电二极管，或是光电池等。

所说的相位解调模块17的功能是获得将气体吸收光能产生声压力波引起的低精细度法布里珀罗干涉模块15的相位差变化。

所说的信号处理及控制系统20负责控制第一驱动电源18和第二驱动电源19，并根据上述测量原理建立的计算数学模型和处理方法，最终给出待测气体的浓度信息。

从上述可知，本发明具有以下特点和优点：

1)本发明采用低精细度光纤法布里-珀罗干涉检测气体吸收光能产生的声压力波信号，为光声气体传感技术提供了新的实现方法。与其他双光束光纤干涉检测方法相比，低精细度光纤法布里-珀罗干涉的两束光共光路，所以温度、振动引起的相位漂移和噪声大大减小，而且无偏振效应影响，具有高稳定度和高灵敏度的优点。

2)本发明采用全光纤结构，而且传感部分完全由无源光器件构成，真正集成了光声气体传感技术和光纤传感技术两者的优点，使得光声气体传感这一高灵敏度的气体检测技术可以在各种强电磁干扰、易燃易爆等恶劣场合应用，并且可以进行长距离遥测和复用组网构成传感网络，极大地拓展了光声气体传感技术的应用领域和应用范围。使得光纤传感技术的优点得到充分发挥。

附图说明

图1所示为光声气体传感的方法和传感器的结构示意图；包括测量光源1，激发光源2，光纤合波器3，光纤导光元件4，传输光纤5，光纤分波器6，光纤准直器7，带通滤波器8，气腔窗口9，套管10，气腔11，气腔进气口12，气腔出气口13，待测气体14，由振动膜片151、光纤152、套管153构成的低精细度法布里珀罗干涉模块15，154为密封圈，光电探测单元16，相位解调模块17，第一驱动电源18，第二驱动电源19，信号处理及控制系统20。

具体实施方式

如图1所示的结构。其中，测量光源1采用波长为1.55微米的半导体激光器。激发光源2采用波长为1.65微米的LED，此波段对应甲烷的气体吸收峰。光纤合波器3、光纤导光元件4、光纤分波器6均采用分束比为1∶1的光纤耦合器。传输光纤5为普通商用单模光纤。气腔11由圆形石英管构成。气腔窗口9为氟化钙玻璃。低精细度法布里珀罗干涉模块15中的振动膜片151和套管153均采用石英材料，以提高低精细度法布里珀罗干涉模块15的结构稳定性。光电探测单元16采用InGaAs光电探测器。信号处理及控制系统20由数据采集卡、PC机和基于Labview的软件构成。测量时，气体吸收激发光源2的光能产生声压力波，声压力波转为振动膜片151的振动，该振动信号由低精细度法布里珀罗干涉模块15转换为光相位信号，相位差由相位解调模块17根据公式(4)得到，然后由信号处理及控制系统20通过计算处理从公式(3)和公式(1)得到待测气体的浓度。本实施例只是以甲烷气体探测为例来测量，可以测出5-10ppm的含量，测量精度达到1％以内。

考虑到测量灵敏度和小型化，气腔11的共振频率一般设计为1～10KHz左右，腔的直径一般4～10mm，长度30～100mm；为获得高的灵敏度和大的线性测量范围，振动膜片151的反射率和光纤152的端面反射率一般控制在40％以下，因此可对振动膜片151和光纤152的端面镀反射膜，例如采用蒸发或者溅射工艺镀金或者铝反射膜。振动膜片151的材料、厚度和直径决定了其声波灵敏度和频率响应特性，一般材料选用石英或硅片，厚度等于或小于5-50微米，直径2-5mm。

光纤152可以是普通单模或多模光纤，外径为125微米。

需要指出的是，本实施例只是以甲烷气体探测为例来说明，并不限于甲烷测量。当采用宽带激发光源时，只需改变带通滤波器8的中心波长来对准不同气体的吸收峰，就可以测量相应的气体。当采用窄带激发光源时，只需改变激发光源的波长来对准不同气体的吸收峰，就可以测量相应的气体。例如，乙烯吸收峰为1532.8nm，氨气为1544nm，一氧化碳为1567nm，二氧化碳为1572nm等。均可以达到相同的灵敏度和精度。

另外，需指出的是，本发明不只是用于单一气体的测量，还可以用于多种成分气体的测量。当激发光源2为窄带可调谐半导体激光(或者激发光源为宽带光源，带通滤波器8为可调谐滤波器)，在其调谐范围内存在吸收峰的气体就都可以测量。

Claims (7)

1.光纤气体传感的方法，其特征是采用一个低反射腔镜和一个测量光纤构成光纤法布里-珀罗干涉仪检测气体吸收光能产生的声压力波信号，为光声气体传感技术提供实现方法；由激发光源发出脉冲调制的激发光，经过带通滤波器，从气腔窗口进入气腔；入射到气腔内的激发光被待测气体吸收后，就生成强度对应于气腔内待测气体浓度的声压力波；该声压力波被气腔的另一端口处的振动膜片转换为振动膜片的振动，此振动膜片即为低反射腔镜，由第一驱动电源驱动的测量光源发出的测量光信号经过光纤合波器、传输光纤和光纤分波器，进入法布里-珀罗干涉仪的测量光纤，传输到达测量光纤的端面，传输的测量光信号出射到振动膜片的表面并经反射后又有部分的测量光信号被返回测量光纤，这一返回的测量光信号与测量光纤端面直接反射的测量光信号存在光程差，从测量光纤的端面和振动膜片的表面反射回来的测量光信号经过光纤分波器、传输光纤再经过相位解调模块和信号处理及控制系统分析得出待测气体的浓度值。

2.根据权利要求1所述的光纤气体传感的方法，其特征是该激发光依次经过光纤合波器、光纤导光元件、传输光纤和光纤分波器，从光纤准直器出射，再经过带通滤波器，从气腔窗口进入气腔。

3.根据权利要求1所述的光纤气体传感的方法，其特征是其中的激发光源的光谱应覆盖待测气体的吸收峰；测量光源和激发光源发出的光束的光谱范围不重叠。

4.光纤气体传感器，包括测量光源(1)，激发光源(2)，光纤合波器(3)，传输光纤(5)，光纤分波器(6)，带通滤波器(8)，气腔窗口(9)，装有待测气体(14)的气腔(11)，由低反射腔镜即振动膜片(151)和测量光纤(152)构成的低精细度法布里珀罗干涉模块(15)，还包括光电探测单元(16)，相位解调模块(19)，信号处理及控制系统(20)；激发光源(2)连接光纤合波器(3)、传输光纤(5)、光纤分波器(6)、带通滤波器(8)，激发光源的激发光依次经过光纤合波器(3)、传输光纤(5)和光纤分波器(6)，从光纤准直器出射，再经过带通滤波器(8)从气腔窗口(9)进入气腔(11)；入射到气腔(11)内的激发光被待测气体(14)吸收，生成声压力波被气腔(11)的另一端口处的振动膜片(151)转换为振动膜片(151)的振动，此振动膜片即为低反射腔镜；由测量光源(1)发出的测量光信号经过光纤合波器(3)、传输光纤(5)和光纤分波器(6)，进入法布里-珀罗干涉模块的测量光纤(152)，传输到达测量光纤(152)的端面，从测量光纤(152)的端面和振动膜片(151)的表面反射回来的测量光信号经过光纤分波器(6)、传输光纤(5)再经过相位解调模块(17)至信号处理及控制系统(20)。

5.根据权利要求4所述的光纤气体传感器，其特征是气腔(11)的共振频率设计为1～10KHz，气腔的直径4～10mm，长度30～100mm。

6.根据权利要求4所述的光纤气体传感器，其特征是振动膜片的反射率和测量光纤的端面反射率在40％以下，对振动膜片和测量光纤的端面镀反射膜。

7.根据权利要求4所述的光纤气体传感器，其特征是振动膜片选用石英或硅片，厚度等于5-50微米，直径2-5mm。