CN102539334A - 基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，包括处理单元、温度控制器、加热/制冷器、激光源、频率发生器、两个或两个以上的气室、测试单元和锁定放大器，激光源安装在加热/制冷器上，处理单元通过温度控制器与加热/制冷器连接，处理单元通过频率发生器与激光源连接，激光源通过光纤多通道装置和传输光纤与光纤准直器连接；每个气室的外壁表面上螺旋缠绕着曲线型壳体，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤的通过延长光纤接测试单元，测试单元与锁定放大器连接，锁定放大器与处理单元和频率发生器连接。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体感测装置，特别涉及一种基于光声光谱技术的准分布式气体感测装置。
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。
在气体传感器中，利用光声光谱特性检测气态分析物浓度的检测方法已经为公众所周知，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。
中国专利授权公告号CN 201034929Y提出了一种在光声气室一端口放置感应声压力波的振动膜片，并通过振动膜片与光纤端面构成的法布里-珀罗干涉仪来检测声压力波信号，由于振动膜片反射信号的微弱使该装置不易实现远距离的监测，另外干涉信号的解调装置比较复杂，也需要较高的成本才能完成，从而限制了该类传感器的使用范围。
另外，上述这些气体传感装置均只能对单点进行测试，而实际中需要的更多的是分布式或准分布式的感测装置，如在煤矿井下的瓦斯监测、天然气输送管线的泄漏监测等等工程中，单点监测都是不够的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，并且生产、使用的维护成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：包括处理单元、温度控制器、加热/制冷器、激光源、频率发生器、两个或两个以上的气室、测试单元和锁定放大器，所述气室下部设置有气体进口，所述气体上部设置有气体出口，所述激光源安装在加热/制冷器上，所述处理单元通过温度控制器与加热/制冷器连接，所述处理单元通过频率发生器与激光源连接，所述气室上方设置有气室窗片，所述气室窗片上方设置有滤波片，所述滤波片上方设置有光纤准直器，所述激光源通过光纤多通道装置和传输光纤与光纤准直器连接；每个气室的外壁表面上螺旋缠绕着曲线型壳体，布设在每个所述的曲线型壳体内部相对两侧的多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，所述的A侧变形齿和B侧变形齿呈交错布设，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤的两侧，信号光纤的通过延长光纤接测试单元，所述测试单元与锁定放大器连接，所述锁定放大器与处理单元和频率发生器连接。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，所述测试单元是由多路开关、多组光源和光探测器构成。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，所述测试单元是由一组光源和光探测器以及光纤多通道装置构成。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，所述的曲线型壳体内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测气室的中心轴线平行。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，所述曲线型壳体通过胶黏剂、焊接等方法全部或部分固定于气室的外表面上。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，所述传输光纤、信号光纤为外部包有多层光纤保护层，所述光纤保护层为紧套光纤、碳涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。
上述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，在所述的每个曲线型壳体包含的信号光纤的一端安置有光反射装置，信号光纤的另一端通过延长光纤连接一1X2光耦合器的输入口，1X2光耦合器的输出口连接测试单元。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的光纤气体感测装置，具有结构简单、设计合理、操作方法方便且使用方式灵活、灵敏度高；
2、本发明的光纤气体感测装置，因使用光纤曲线形壳体4作为微音器替代了传统的微音器，使本装置具有抗电磁干扰、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；
3、本发明的光纤气体感测装置，由于可以采用的光源-光功率法测试，从而可以大幅度降低测试单元5的成本，从而使本装置的整体成本大幅度降低，使本装置具有广阔的使用范围。
综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，并具有成本低、易组网复用等优点，使本发明的装置具有良好的使用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中曲线型壳体的横截面结构示意图。
图3为本发明实施例2的结构示意图。
图4为本发明实施例3的结构示意图。
附图标记说明：
1-延长光纤； 4-曲线型壳体； 4-1-A侧变形齿；
4-2-B侧变形齿； 5-测试单元； 5-1-光源；
5-2-光探测器； 6-信号光纤； 7-锁定放大器；
8-气体进口； 9-气体出口； 10-气室；
12-光纤多通道装置； 13-多路开关； 14-待测气体；
20-气室窗片； 21-滤波片； 22-光纤准直器；
23-传输光纤； 25-激光源； 30-加热/制冷器；
31-温度控制器； 40-频率发生器； 45-1X2光耦合器；
46-光反射装置； 50-处理单元。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示的一种基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，包括处理单元50、温度控制器31、加热/制冷器30、激光源25、频率发生器40、两个或两个以上的气室10、测试单元5和锁定放大器7，所述气室10下部设置有气体进口8，所述气体上部设置有气体出口9，所述激光源25安装在加热/制冷器30上，所述处理单元50通过温度控制器31与加热/制冷器30连接，所述处理单元50通过频率发生器40与激光源25连接，所述气室10上方设置有气室窗片20，所述气室窗片20上方设置有滤波片21，所述滤波片21上方设置有光纤准直器22，所述激光源25通过光纤多通道装置12和传输光纤23与光纤准直器22连接；每个气室10的外壁表面上螺旋缠绕着曲线型壳体4，布设在每个所述的曲线型壳体4内部相对两侧的多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，所述的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2呈交错布设，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤6的两侧，信号光纤6的通过延长光纤1接测试单元5，所述测试单元5与锁定放大器7连接，所述锁定放大器7与处理单元50和频率发生器40连接。
优选的，所述的曲线型壳体4内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测气室10的中心轴线平行。其中处理单元50通过指令使温度控制器31控制加热/制冷器30使激光源25处于稳定的温度中，稳定的温度使激光源25发出的光信号的波长和功率相对稳定，处理单元50通过指令使频率发生器40控制激光源25以一定的频率发射激光，优选的，所述的激光源25发射的激光的频率是气室10及其附着物共同构成的整体的共振频率；待测气体14进入气室10内，包含有待测气体14吸收特征波长的激光源25的激光通过传输光纤23、滤波片21、光纤准直器22和气室窗片20也注入到气室10内，待测气体14的温度升高使气室10内部的压力增大，使气室10的径向圆周周长会增加，导致缠绕在气室10上的曲线型壳体4内部的相对两侧的变形齿之间的距离改变，这样也会改变夹持在相对两侧变形齿间信号光纤6的弯曲曲率，测试单元5通过检测信号光纤6内部传输光信号功率的变化获取所述气室10内部压力的变化，并将数据传递给锁定放大器7，锁定放大器7通过频率发生器40给的频率值处理测试单元5的数据并获得气室10的准确的声压力波值，并将该值传递给处理单元50，处理单元50计算出待测气体14的浓度，此处是用曲线型壳体4以及信号光纤6为主构成的声波检测元件代替了公众熟知的微音器元件，然后通过公众所熟知的其余检测流程获取待测气体14的浓度。
本实施例中，测试单元5是由多组光源5-1和光探测器5-2以及多路开关13构成，这时的光纤多通道装置12可以选择1XN光耦合器，也可以选择1XN光开关，但后者需要由处理单元50控制以保持与多路开关13同步并同时联通的是同一个气室10。
曲线型壳体4通过胶黏剂、焊接等方法全部或部分固定于气室10的外表面上。
所述的气室10采用低温度膨胀系数的材料，如石英玻璃、陶瓷或其他复合材料。
所述传输光纤23、信号光纤6为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述传输光纤23、信号光纤6也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤。
所述传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可进一步防止水分子对传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1的侵蚀，延长了传输光纤23、信号光纤6和延长光纤1的使用寿命。
实施例2
如图3所示，本实施例中，与实施例1不同的是：在所述的每个曲线型壳体4包含的信号光纤6的一端安置有光反射装置46，信号光纤6的另一端通过延长光纤1连接一1X2光耦合器45的输入口，1X2光耦合器45的输出口接测试单元5。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。
实施例3
如图4所示，本实施例中，与实施例1不同的是：测试单元5是由一组光源5-1和光探测器5-2以及光纤多通道装置12构成，这时的光纤多通道装置12可以选择1XN光耦合器，也可以选择1XN光开关。
在所述的任意两个气室10及其附着物共同构成的整体的共振频率是不同的情况下，测试单元5中的光纤多通道装置12和与激光源25相接的光纤多通道装置12都可以选择1XN光耦合器，通过处理单元50指令使频率发生器40控制激光源25以一定的频率发射激光，该频率是指定气室10及其附着物共同构成的整体的共振频率，改变该频率就可以监测另一个气室10的状态，从而达到准分布监测的目的。
测试单元5中的光纤多通道装置12和与激光源25相接的光纤多通道装置12都选择1XN光开关，需要通过处理单元50指令控制两个1XN光开关同步，同时连接同一个气室10上的相关光纤链路并进行测试，从而达到准分布监测的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：包括处理单元(50)、温度控制器(31)、加热/制冷器(30)、激光源(25)、频率发生器(40)、两个或两个以上的气室(10)、测试单元(5)和锁定放大器(7)，所述气室(10)下部设置有气体进口(8)，所述气体上部设置有气体出口(9)，所述激光源(25)安装在加热/制冷器(30)上，所述处理单元(50)通过温度控制器(31)与加热/制冷器(30)连接，所述处理单元(50)通过频率发生器(40)与激光源(25)连接，所述气室(10)上方设置有气室窗片(20)，所述气室窗片(20)上方设置有滤波片(21)，所述滤波片(21)上方设置有光纤准直器(22)，所述激光源(25)通过光纤多通道装置(12)和传输光纤(23)与光纤准直器(22)连接；每个气室(10)的外壁表面上螺旋缠绕着曲线型壳体(4)，布设在每个所述的曲线型壳体(4)内部相对两侧的多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)，所述的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)呈交错布设，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在信号光纤(6)的两侧，信号光纤(6)的通过延长光纤(1)接测试单元(5)，所述测试单元(5)与锁定放大器(7)连接，所述锁定放大器(7)与处理单元(50)和频率发生器(40)连接。
2.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：所述测试单元(5)是由多路开关(13)、多组光源(5-1)和光探测器(5-2)构成。
3.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：所述测试单元(5)是由一组光源(5-1)和光探测器(5-2)以及光纤多通道装置(12)构成。
4.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：所述的曲线型壳体(4)内部布设有变形齿的相对A、B两侧是互相平行的，并同时与待测气室(10)的中心轴线平行。
5.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：所述曲线型壳体(4)通过胶黏剂、焊接等方法全部或部分固定于气室(10)的外表面上。
6.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：所述传输光纤(23)、信号光纤(6)为外部包有多层光纤保护层，所述光纤保护层为紧套光纤、碳涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。
7.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的准分布式光纤气体感测装置，其特征在于：在所述的每个曲线型壳体(4)包含的信号光纤(6)的一端安置有光反射装置(46)，信号光纤(6)的另一端通过延长光纤(1)连接一1X2光耦合器(45)的输入口，1X2光耦合器(45)的输出口连接测试单元(5)。
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|---|---|---|---|---|
| CN103576721A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-02-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种无磁加热温度控制系统 |
| CN107121220A (zh) * | 2017-05-25 | 2017-09-01 | 杭州电子科技大学 | 光学法布里－珀罗腔气压传感系统 |
| CN114062272A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-18 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 基于光纤光声传感的气体绝缘设备中气体监测方法及装置 |
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2010
- 2010-12-13 CN CN2010105836986A patent/CN102539334A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103576721A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-02-12 | 哈尔滨工程大学 | 一种无磁加热温度控制系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120704 |