CN105910994B - 一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体检测技术领域，公开了一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括：检测结构；所述检测结构容纳待检样品，通过光声光谱原理，配合上位的波长检测设备、宽谱光源以及检测光源实现混合气体中的某一待检成分的浓度检测；所述检测结构包括：检测气体仓以及检测光纤布拉格光栅FBG；检测FBG与检测气体仓相连；其中，在执行气体检测时，检测气体仓内容纳待检样品，检测光入射到检测气体仓内；检测FBG感应检测气体仓内的压强，并通过上位的波长检测设备得到检测FBG的波长漂移量，得到待检样品中待检成分的浓度。本发明提供的基于FBG的光声光谱气体检测装置，具备较好的抗电磁干扰能力，可靠的检测精度和较低的成本。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置及系统

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置及系统。

背景技术

光声效应指的是光被样品材料吸收后形成声波。可用来进行气体检测。

在超高精度的光声光谱气体检测技术中，已有的检测技术存在着一定的局限性；比如：传统的声传感器因为其物理因素的限制导致灵敏度无法进一步提高，或者光声池的结构限制导致光声池的光声效应并不强烈等等。为了改善上述问题，需要用到精度很高的声传感器，价格可能会比较昂贵，同时导致系统结构较为复杂。一般而言由于光声效应的强度比较小，所以通常的做法都是改善探测器的性能，实现超高精度的探测，但是这个方向会导致灵敏度的上升每很困难。几乎现有的所有的光声光谱气体检测装置都含有电学装置，很容易受到电磁干扰，而在这种超高精度检测的环境下，电磁干扰的影响则是非常大的。

发明内容

本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，解决现有技术中光声光谱气体检测的结构复杂，电磁干扰严重，灵敏度低同时成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，包括：检测结构；

所述检测结构包括：检测气体仓以及检测光纤布拉格光栅FBG；

所述检测FBG与所述检测气体仓相连；

其中，在执行气体检测时，所述检测气体仓内容纳待检样品，接收入射的检测光；

所述检测FBG感应所述检测气体仓内的压强，产生轴向应变；

在执行混合气体中待检成分浓度检测时，所述检测FBG接收检波光信号照射，并通过波长检测设备得到所述检测FBG的波长漂移量；并依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系得到待检样品中待检成分的浓度。

进一步地，所述检测气体仓包括：样品仓和检测光声池；

在执行气体检测时，所述样品仓内容纳待检样品，所述检测光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

入射到所述样品仓内的所述检测光，进入到所述检测光声池中。

进一步地，所述检测结构还包括：检测聚合物层；

所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

其中，在执行气体检测的情况下，当所述检测气体仓内产生压强变化时，所述检测聚合物层收缩，带动所述检测FBG产生轴向应变。

进一步地，所述检测光声池包括：检测光声谐振腔和检测光声缓冲区；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区连通；

其中，在执行气体检测时，所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区内容纳所述待检成分的纯气体。

进一步地，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：与所述检测气体仓对应的对照仓以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照仓相连；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体。

进一步地，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：对照仓、对照光声池以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述对照光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中。

进一步地，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：对照仓、对照光声池、对照聚合物层以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

其中，所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述对照光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中；

当对照仓和所述对照光声池内产生压强变化时，所述对照聚合物层收缩，带动所述对照FBG产生轴向应变。

进一步地，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：所述对照结构包括：对照仓、对照光声池、对照聚合物层以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

其中，所述检测光声池包括：检测光声谐振腔和检测光声缓冲区；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区连通；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区内容纳所述待检成分的纯气体。内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中；

当对照仓和所述对照光声池内产生压强变化时，所述对照聚合物层收缩，带动所述对照FBG产生轴向应变。

一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统，包括：如权利要求要求1～4任一项所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置以及波长检测设备；

所述检测FBG接收检波光信号，并通过所述波长检测设备检测波长漂移量；

其中，在执行混合气体中待检成分浓度检测时，依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系得到待检样品中待检成分的浓度。

一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统，包括：如权利要求5～8任一项所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置以及波长检测设备；

所述气体检测装置接收所述检测光入射，于所述检测结构和所述对照结构内发生光声效应，产生压强变化；

所述检测FBG感应所述检测结构内的压强产生轴向应变，所述对照FBG感应所述对照结构内的压强产生轴向应变；

所述检测FBG和所述对照FBG分别接收检波光信号，通过检波设备检测其波长漂移量以及两者的波长漂移量的差值；

其中，在执行混合气体中待检成分浓度检测时，依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系，根据所述波长漂移量的差值得到待检样品中待检成分的浓度。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，采用光纤布拉格光栅FBG应用在光声光谱气体探测之中，高效、高精度的感应光声效应导致的压强变化，从而检测到波长漂移量，实现气体浓度测量；相对于现有技术中的采用复杂昂贵电子器件构成的检测装置，本实施例简化了测量结构，更重要的是其本身不是一个电子器件，能够大大降低电磁干扰，减小由电磁干扰带来的噪声影响，提升信噪比，使测量结果更加可靠；其造价成本也很低，适宜广泛使用。

进一步的，采用对照结构与检测结构组成差分探测结构，在一定程度上解决了小容积光声池内低浓度气体的情况下光声效应不明显，压强变化小，导致灵敏度受限的问题，进一步提高了其灵敏度；同时也克服了环境扰动，进一步提升可靠性。

进一步地，采用一维光声池结构，能够尽最大可能地保证光声池内光声效应的强度，提升测量的灵敏度。

进一步地，采用在光声池尾部设置聚合物层，形成FBG与光声池的耦合结构，可以通过聚合物层的受压形变，带动FBG做轴向移动，从而形成明显的轴向漂移，从而降低相对误差，大幅提升测量的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光声池的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，解决现有技术中光声光谱气体检测的结构复杂，电磁干扰严重，灵敏度低同时成本高的技术问题；达到了提升测量灵敏度，简化测量结构，降低成本的技术效果。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本发明实施例提供的一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，包括：检测结构；所述检测结构容纳待检样品，通过光声光谱原理，配合上位的波长检测设备、宽谱光源以及检测光源实现混合气体中的某一待检成分的浓度检测。

即采用光声光谱原理，通过检测结构将未知待检成分的浓度信息转换成可检光信息输出；在通过上位的检波设备等实现浓度信息的获取。

同时，FBG本身非电子器件，具备来良好的抗电磁干扰的能力，具备简单的结构，提升测量灵敏度和可靠性。

下面将具体极少所述结构及其工作过程。

所述检测结构包括：检测气体仓以及检测光纤布拉格光栅FBG；所述检测FBG 1与所述检测气体仓相连。

具体来说，在执行气体检测时，所述检测气体仓内容纳待检样品，检测光入射到所述检测气体仓内。检测光为可被待检成分针对性对应吸收的特定波长的光，此为光声光谱测来那个技术的基本对应关系，此处不展开说明。

参见图3，待检成分吸收检测光后，会产生压强变化，压强变化会导致检测FBG 1产生应变；进而导致宽谱光源入射到所述FBG 1的光，反射产生波长漂移，通过检波设备可以检出波长漂移量，进而实现浓度测量。

有必要说明的是，常规技术中，通过一些列实验，确定浓度与波长漂移量的对应关系，因而一旦测量获得波长漂移量，即可得到浓度。

具体来说，通过已知的所述待检成分气体和检测光经过光声效应后，采用波长检测设备检测产生的压强变化和波长漂移，获知对应关系。

所述检测FBG 1感应所述检测气体仓内的压强，并通过上位的波长检测设备得到检测FBG 1的波长漂移量，得到待检样品中待检成分的浓度。

通常由于待检的混合气体中待检成分的浓度未知，高浓度能够吸收的光多，低浓度的较少，从而导致压强变化处于不可预期的状态；往往导致相对误差居高不下，特别是待检成分浓度很低的时候，相对误差非常高。

鉴于此，本实施例提供的检测气体仓包括：样品仓12和检测光声池(6和7)。

在执行气体检测时，所述样品仓12通过开设的气体出入口11充入待检样品，所述检测光声池(6和7)通过纯气体出入口10，充入待检成分的纯气体；所述检测光入射到所述样品仓12，而后进入到所述检测光声池(6和7)中。

即，检测光先通过样品仓12经过吸收后，光强减小；再通过纯气体的待检成分大量吸收，使得检测光声池(6和7)内的压强变化明显，从而使得测量的波长漂移十分明显，从而降低了相对误差。

所述检测结构还包括：检测聚合物层2；所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG1于粘结处3固定光纤主体，在所述检测聚合物层内侧，粘结固定光纤端头。即，通过聚合物层固定检测FBG 1。

在执行气体检测的情况下，当所述气体仓内产生压强变化时，所述检测聚合物层2收缩，带动所述检测FBG 1产生轴向应变。

具体来说，检测聚合物层2采用聚合材料，对压强变化敏感，受激收缩，带动所述检测FBG 1产生轴向应变，从而产生波长漂移，扩大感应压强变化的灵敏度，提升测量精度，降低相对误差。

所述检测光声池包括：检测光声谐振腔7和检测光声缓冲区6；所述检测光声谐振腔7与所述检测光声缓冲区6相连通。

在执行气体检测时，所述检测光声谐振腔7与所述检测光声缓冲区6内容纳所述待检成分的纯气体。即，样品仓12内充入待检样品，检测光声池内待检成分的纯气体。

所述检测光声缓冲区6以及所述光声谐振腔7内设置两个或者两个以上的检测反射镜5。

在执行气体检测时，所述检测光在所述两个或者两个以上的检测反射镜5间反射。

从而，提升检测激光与待检气体的接触频率，和吸收的程度，从而增强光声效应，进而扩大压强变化，使得检测更为可靠，相对误差更小。

为了增强光声效应，优选的，所述检测光声谐振腔为一维谐振腔。所述检测光声缓冲区以及所述检测光声谐振腔均为圆筒形结构。

为了增强压强感应灵敏度，优选的所述检测聚合物层材料的杨氏模量小于190MPa。

为了降低环境扰动对测量的干扰，本实施例提供了一种对照结构，其结构与检测结构的具体结构完全一致，与检测结构形成差分结构，从而实质上形成测量结果相减，低效环境因素的干扰。

具体来讲，包括：对照仓13、对照光声缓冲区8以及对照光声谐振腔9以及对照聚合物层，对照FBG等结构。

在执行气体检测时，对照仓13内充入对检测光不吸收的对照气体，理想情况下，选择严格不吸收或者吸收极少的气体。

具体来讲，对照气体为严格不吸收特定波长范围的检测光；以避免其本身对光吸收影响测量。例如需要检测待检样品混合气体中的乙炔的浓度时，可选用氮气作为对照气体；其它组合，此处不穷举。

参见图3，所述对照FBG感应对照光声池的压强变化，并通过所述波长检测设备得到对照结构的波长漂移量；所述检测FBG 1检测到的波长漂移量和所述对照FBG检测到的波长漂移量的差值，并通过所述差值得到待检样品中待检成分的浓度。

即，检测结构和对照结构实质性形成了差分结构，通过得到波长漂移量的差值，排除环境干扰导致的检测结构误差，得到更为精确可靠的，待检样品激发的光声效应所产生的波长漂移。

在执行气体检测时，所述光声池和所述对照光声池内均充满所述待检样品中待检成分的纯气体。即，分别在通过所述样品仓12和所述对照仓13后的检测光再次通过待检成分的纯气体环境，大大提升光声效应的强度，使得数据的相对误差大大缩小，大大提升了测量可靠性和灵敏度。

下面描述其具体的工作过程。

该装置适合对样品中特定气体成分的检测。在检测时，两束强度相同的激光经过相同的调制方法入射进入样品仓和对照仓。如果在样品仓12内的待检样品气体中没有对入射光吸收很少或者不吸收的气体成分，那么入射进入两个光声池的光照的强度相同，光声效应的强度也相同，由检测FBG 1和对照FBG探测到的波长变化也一样。

但是，当样品气体中存在吸收入射光的气体时，由于对光的吸收会导致最终进入到两个光声池的光强不一样，最终两个FBG检测结构检测到的波长漂移量会有差异，这个差分就是我们检测气体浓度的根据，通过上位的波长检测设备，实现浓度计算。

这个结构最大的特点是把气体的浓度转化成了光的强度不同，同时发生光声效应的气体并不是待检测的气体，而是特定气体的纯气体，在这种情况下光声效应强度会显著得多，检测灵敏度显著提高。同时，要想进一步提高检测极限和灵敏度，我们只需要简单地将吸收室的长度增大即可，这样做可以进一步加强低浓度气体下两吸收室出射光的差异性，同时也不会增加所需要加热的气体量。

本实施例还提供了一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统，包括：基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置以及波长检测设备。并选用常规的宽谱光源以及检测光源配合说明。

所述检测光源通过斩波器14，或者类似的调制设备，调节检测光，筛选所需要的特定波长的检测光向所述光声光谱气体检测装置发射，激发待检样品以及待检成分的纯气体的光声效应。

所述宽谱光源向所述两个FBG输出检波光信号，并通过检波设备检测反射光信号，从而检测波长漂移。

进一步地，通过常规的定量实验，获得特定浓度的气体与波长漂移量的关系，形成数据对照数据库；便于查表或者数据调用。

当执行气体检测时，检测光声池和对照光声池的压强变化导致所述两个FBG产生轴向应变，从而检波设备检测能够检测到波长漂移。进而根据波长漂移和浓度的对应关系直接得到待检样品中的待检成分的浓度。

或者，根据检测FBG和对照FBG的波长漂移量的差值，获取对应浓度；即采用差分测量的方式，克服可能存在的杂志气体干扰或者其他形式的扰动，进一步提升数据的可靠性。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，采用光纤布拉格光栅FBG应用在光声光谱气体探测之中，高效、高精度的感应光声效应导致的压强变化，从而检测到波长漂移量，实现气体浓度测量；相对于现有技术中的采用复杂昂贵电子器件构成的检测装置，本实施例简化了测量结构，更重要的是其本身不是一个电子器件，能够完全规避电磁干扰，大大提升了其灵敏度，减小由电磁干扰带来的噪声影响，信噪比更高，使结果更加可靠；其造价成本也很低，适宜广泛使用。

进一步的，采用对照结构与检测结构组成差分探测结构，在一定程度上解决了小容积光声池内低浓度气体的情况下光声效应不明显，压强变化小，导致相对误差大灵敏度受限的问题，进一步提高了其灵敏度；同时也克服了环境扰动，进一步提升可靠性。

进一步地，采用一维光声池结构，能够尽最大可能地保证光声池内光声效应的强度，提升测量的灵敏度。

进一步地，采用在光声池尾部设置聚合物层，形成FBG与光声池的耦合结构，可以通过聚合物层的受压形变，带动FBG做轴向移动，从而形成明显的轴向漂移，从而降低相对误差，大幅提升测量的灵敏度。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括：检测结构；

所述检测结构包括：检测气体仓以及检测光纤布拉格光栅FBG；

所述检测FBG与所述检测气体仓相连；

其中，在执行气体检测时，所述检测气体仓内容纳待检样品，接收入射的检测光；

所述检测FBG感应所述检测气体仓内的压强，产生轴向应变；

在执行混合气体中待检成分浓度检测时，所述检测FBG接收检波光信号，并通过波长检测设备得到所述检波光信号的反射信号，从而得到所述检测FBG的波长漂移量；并依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系得到待检样品中待检成分的浓度；

所述检测气体仓包括：样品仓和检测光声池；

在执行气体检测时，所述样品仓内容纳待检样品，所述检测光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

入射到所述样品仓内的所述检测光，进入到所述检测光声池中。

2.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述检测结构还包括：检测聚合物层；

所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

其中，在执行气体检测的情况下，当所述检测气体仓内产生压强变化时，所述检测聚合物层收缩，带动所述检测FBG产生轴向应变。

3.如权利要求2所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述检测光声池包括：检测光声谐振腔和检测光声缓冲区；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区连通；

其中，在执行气体检测时，所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区内容纳所述待检成分的纯气体。

4.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：对照仓、对照光声池以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述对照光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中。

5.如权利要求2所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：对照仓、对照光声池、对照聚合物层以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

其中，所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述对照光声池内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中；

当对照仓和所述对照光声池内产生压强变化时，所述对照聚合物层收缩，带动所述对照FBG产生轴向应变。

6.如权利要求3所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述装置还包括：对照结构；

所述对照结构包括：对照仓、对照光声池、对照聚合物层以及对照FBG；

所述对照FBG与所述对照光声池相连；

所述检测聚合物层与所述气体仓相连，所述检测FBG固定在所述检测聚合物层内；

其中，所述检测光声池包括：检测光声谐振腔和检测光声缓冲区；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区连通；

在执行气体检测时，所述对照仓内容纳不吸收所述检测光的对照气体；

所述检测光声谐振腔与所述检测光声缓冲区内容纳所述待检成分的纯气体；

所述检测光入射到所述对照仓内，进而入射到所述对照光声池中；

当对照仓和所述对照光声池内产生压强变化时，所述对照聚合物层收缩，带动所述对照FBG产生轴向应变。

7.一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统，其特征在于，包括：如权利要求1～3任一项所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置以及波长检测设备；

所述检测FBG接收检波光信号，并通过所述波长检测设备检测波长漂移量；

其中，在执行混合气体中待检成分浓度检测时，依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系得到待检样品中待检成分的浓度。

8.一种基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测系统，其特征在于，包括：如权利要求4～6任一项所述的基于光纤布拉格光栅的光声光谱气体检测装置以及波长检测设备；

所述气体检测装置接收所述检测光入射，于所述检测结构和所述对照结构内发生光声效应，产生压强变化；

所述检测FBG感应所述检测结构内的压强产生轴向应变，所述对照FBG感应所述对照结构内的压强产生轴向应变；

所述检测FBG和所述对照FBG分别接收检波光信号，通过检波设备检测其波长漂移量以及两者的波长漂移量的差值；

其中，在执行混合气体中待检成分浓度检测时，依据已知的波长漂移量与气体浓度的对应关系，根据所述波长漂移量的差值得到待检样品中待检成分的浓度。