CN105510233A - 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法 - Google Patents

一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105510233A
CN105510233A CN201510984967.2A CN201510984967A CN105510233A CN 105510233 A CN105510233 A CN 105510233A CN 201510984967 A CN201510984967 A CN 201510984967A CN 105510233 A CN105510233 A CN 105510233A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas sensor
fork
quartz tuning
multimetering
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510984967.2A
Other languages
English (en)
Inventor
马欲飞
于欣
彭江波
李旭东
何应
杨超博
闫仁鹏
樊荣伟
董志伟
陈德应
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201510984967.2A priority Critical patent/CN105510233A/zh
Publication of CN105510233A publication Critical patent/CN105510233A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法，所述光声光谱气体传感器由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。利用其实现微量气体传感测量的方法如下：步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。本发明可以实现空间浓度场多点的同时测量，具有简单易行、可靠性高、成本低的优点。

Description

一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法
技术领域
本发明属于激光传感器领域，涉及一种多点测量的光声光谱气体传感器及气体测量方法。
背景技术
微量气体传感器技术可对气体的组分、浓度进行检测，在大气化学、燃烧学以及医学等领域有着重要的用途。石英增强光声光谱气体传感器是一种常见的气体传感器，具有灵敏度高、可在线测量等优点。但常见的石英增强光声光谱气体传感器只能对空间中某一点处的气体浓度进行测量，无法实现多点同时测量。为了获取空间多点处的气体浓度值，需要同时采用多个传感器，这就会大大增加测量成本。
光纤分束器可将激光束进行分束，实现一束变多束。如果采用单模光纤分束器，将石英增强光声光谱气体传感器中的半导体激光器输出光束进行分束，实现多光束输出，那么，采用多个石英音叉在空间多处进行探测，将会得到空间多个位置处的气体浓度值。这将会解决传统石英增强光声光谱气体传感器无法实现多点测量的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法，利用光纤分束器将半导体激光器输出的激光束分为N束，然后采用N个石英音叉进行测量，实现空间浓度场多点的同时测量，具有简单易行、可靠性高、成本低的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多点测量的光声光谱气体传感器，由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。
利用上述多点测量石英增强光声光谱气体传感器实现微量气体传感测量的方法，由以下步骤实现：
步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；
步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。
本发明针对微量气体传感探测，构建了一种新型多点测量石英增强光声光谱气体传感器，利用光纤分束器将半导体激光器输出的激光束分为N束（以N=3为例），然后采用N个石英音叉进行测量，实现空间浓度场多点的同时测量，相对于传统的石英增强光声光谱传感器来说，可实现多点、多空间测量，可满足不同空间同时测量的要求。
附图说明
图1为多点测量石英增强光声光谱气体传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的多点测量石英增强光声光谱气体传感器由半导体激光器1、光纤分束器2、石英音叉3、锁相放大器4构成，所述半导体激光器1、光纤分束器2、石英音叉3沿光束传播方向依次设置，石英音叉3与锁相放大器4连接，半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。
本实施方式中，所述半导体激光器1为单模输出，激光线宽小于10MHz，光学功率不低于3W。
本实施方式中，所述光纤分束器2为单模光纤，N＞1，光纤分束比相等。
本实施方式中，所述光纤分束器2中的单模光纤距离石英音叉的顶部距离为0.7~1.3mm。
本实施方式中，所述光纤分束器2中的光纤对半导体激光的传输损耗小于1db/km。
本实施方式中，所述光纤分束器2中的光纤长度决定了空间N点之间的距离。
本实施方式中，经过光纤分束器2的N束激光，每一束激光功率均不小于1mW。
本实施方式中，石英音叉3的Q值必须大于5000（1个大气压下）。
本实施方式中，石英音叉3的叉股间隙不小于10μm，且不大于300μm。
本实施方式中，所述石英音叉3的共振频率不大于50kHz。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用多点测量石英增强光声光谱气体传感器可以实现空间多处微量气体浓度测量的方法，由以下步骤实现：
步骤一、半导体激光器发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束（以N=3为例）；
步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器2输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉3接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器4对此电流信号进行解调，反演气体浓度。
本实施方式中，所述待测气体浓度不能低于ppb量级。
本实施方式中，所述待测气体成分由半导体激光器输出波长决定。

Claims (10)

1.一种多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光声光谱气体传感器由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。
2.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述半导体激光器为单模输出，激光线宽小于10MHz，光学功率不低于3W。
3.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器为单模光纤，N＞1，光纤分束比相等。
4.根据权利要求3所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器中的单模光纤距离石英音叉的顶部距离为0.7~1.3mm。
5.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器中的光纤对半导体激光的传输损耗小于1db/km。
6.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述石英音叉的Q值必须大于5000。
7.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述石英音叉的叉股间隙不小于10μm，且不大于300μm。
8.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述石英音叉的共振频率不大于50kHz。
9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述多点测量石英增强光声光谱气体传感器实现微量气体传感测量的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；
步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。
10.根据权利要求9所述的利用多点测量石英增强光声光谱气体传感器实现微量气体传感测量的方法，其特征在于所述待测目标气体浓度不低于ppb量级。
CN201510984967.2A 2015-12-25 2015-12-25 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法 Pending CN105510233A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510984967.2A CN105510233A (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510984967.2A CN105510233A (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105510233A true CN105510233A (zh) 2016-04-20

Family

ID=55718373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510984967.2A Pending CN105510233A (zh) 2015-12-25 2015-12-25 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105510233A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108226047A (zh) * 2017-12-29 2018-06-29 山东大学 基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统
CN108593763A (zh) * 2018-03-26 2018-09-28 山东大学 一种基于石英音叉频分解调的多组分气体实时检测装置
CN108732105A (zh) * 2018-07-10 2018-11-02 南昌航空大学 基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法
CN109946266A (zh) * 2019-03-18 2019-06-28 哈尔滨工业大学 一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法
CN109975214A (zh) * 2019-04-03 2019-07-05 哈尔滨工业大学 一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法
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

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050117155A1 (en) * 2002-06-10 2005-06-02 William Marsh Rice University Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
CN101281127A (zh) * 2008-05-06 2008-10-08 中国科学院安徽光学精密机械研究所 一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法
CN101813621A (zh) * 2009-02-19 2010-08-25 中国科学院安徽光学精密机械研究所 基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置
WO2013011253A1 (en) * 2011-07-15 2013-01-24 The Secretary Of State For Defence Method and apparatus for gas monitoring and detection
CN103293107A (zh) * 2013-06-28 2013-09-11 中国科学院半导体研究所 基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置
CN104280345A (zh) * 2014-10-20 2015-01-14 高椿明 一种基于可调谐激光器的石英音叉增强型光声光谱分布式光纤气体传感器
CN104568764A (zh) * 2015-01-28 2015-04-29 哈尔滨工业大学 一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法
CN104697934A (zh) * 2015-03-20 2015-06-10 山东大学 一种石英音叉双光束系统测量气体浓度的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050117155A1 (en) * 2002-06-10 2005-06-02 William Marsh Rice University Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
CN101281127A (zh) * 2008-05-06 2008-10-08 中国科学院安徽光学精密机械研究所 一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法
CN101813621A (zh) * 2009-02-19 2010-08-25 中国科学院安徽光学精密机械研究所 基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置
WO2013011253A1 (en) * 2011-07-15 2013-01-24 The Secretary Of State For Defence Method and apparatus for gas monitoring and detection
CN103293107A (zh) * 2013-06-28 2013-09-11 中国科学院半导体研究所 基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置
CN104280345A (zh) * 2014-10-20 2015-01-14 高椿明 一种基于可调谐激光器的石英音叉增强型光声光谱分布式光纤气体传感器
CN104568764A (zh) * 2015-01-28 2015-04-29 哈尔滨工业大学 一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法
CN104697934A (zh) * 2015-03-20 2015-06-10 山东大学 一种石英音叉双光束系统测量气体浓度的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张洁等: "基于石英增强光声光谱技术的开放光路气体传感系统研究", 《传感技术学报》 *
王贵师等: "基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究", 《物理学报》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108226047A (zh) * 2017-12-29 2018-06-29 山东大学 基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统
CN108593763A (zh) * 2018-03-26 2018-09-28 山东大学 一种基于石英音叉频分解调的多组分气体实时检测装置
CN108593763B (zh) * 2018-03-26 2021-03-30 山东大学 一种基于石英音叉频分解调的多组分气体实时检测装置
CN108732105A (zh) * 2018-07-10 2018-11-02 南昌航空大学 基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法
CN109946266A (zh) * 2019-03-18 2019-06-28 哈尔滨工业大学 一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法
CN109946266B (zh) * 2019-03-18 2021-07-23 哈尔滨工业大学 一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法
CN109975214A (zh) * 2019-04-03 2019-07-05 哈尔滨工业大学 一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法
CN109975214B (zh) * 2019-04-03 2021-04-23 哈尔滨工业大学 一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105510233A (zh) 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法
CN104568764A (zh) 一种光纤倏逝波型石英增强光声光谱传感器及气体测量方法
CN102426198B (zh) 一种基于匹配型光纤布拉格光栅的声发射信号传感系统
CN103698298B (zh) 采用基于短腔腔增强关联光谱技术测量气体浓度的装置测量气体浓度的方法
CN106802160B (zh) 一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法
CN104390937A (zh) 痕量氧化亚氮气体检测装置
CN203025082U (zh) 一种基于lpg-tfbg结构的折射率传感器
CN103278185B (zh) 基于校准光纤光栅的腔衰荡光纤光栅传感解调装置
CN106323915B (zh) 一种基于光纤m-z干涉仪检测硫化氢气体的装置
CN105548023A (zh) 一种基于光纤谐振腔的倏逝波型光声光谱微量气体传感器及测量方法
CN106556574B (zh) 在线双光束干涉型光纤折射率传感器及折射率检测装置
CN110071762A (zh) 一种基于高阶模式背向瑞利散射的少模光纤故障检测方法
CN103674007A (zh) 一种光纤陀螺消偏光路设计方法及其设计系统
CN103575697A (zh) 一种光纤圆球微腔湿敏传感技术
CN203965129U (zh) 扫描共焦腔f-p干涉仪自由光谱范围测量系统
CN103644961A (zh) 声压测量传感器及多纵模光纤激光器声压测量系统
CN102589483A (zh) 反射式差动强度调制光纤角位移传感方法与装置
CN205785514U (zh) 一种用于高功率光纤激光器的全光纤功率测量系统
CN105372206B (zh) 用于多种气体折射率检测的并行远距离光纤传感系统
CN104482959A (zh) 一种光纤应变-应力同时测量装置
CN203672333U (zh) 一种基于腰椎放大熔接光纤光栅的曲率传感器
CN105806511A (zh) 基于球锥串联结构的微光纤超小型温度传感器
CN108732105A (zh) 基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法
CN201993214U (zh) 一种用于结构振动检测的分布式光纤振动传感器
CN204694217U (zh) 一种激光三维扫描系统

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160420