CN107228827A - 光纤声波气体监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤声波气体监测装置及系统，涉及光纤传感领域。所述光纤声波气体监测装置包括脉冲激光器、可调谐激光器、调制解调器、气体探头及探测单元，脉冲激光器和可调谐激光器分别与调制解调器连接，探测单元包括环形器和光电探测器，环形器的三个端口沿信号传输方向分别与可调谐激光器、气体探头及光电探测器连接，光电探测器与所述调制解调器连接，气体探头包括相对设置的光声转化器件和声光传感器件，光声转化器件和脉冲激光器连接，声光传感器件和环形器连接。本发明将超声波检测技术与光纤传感技术有效结合，实现了系统集成度高、传感信号简单、数据传输需求量少、低功耗且完全本质安全的气体多参数同时在线监测。

Description

光纤声波气体监测装置及系统

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体而言，涉及一种光纤声波气体监 测装置及系统。

背景技术

我国化工工业正在进行大规模产业升级，化工企业已呈现出向各 种化工园区集聚发展的态势，兴起了一股化工园区的开发热潮，发展 迅速。然而，化工园区内分布着大量的高能耗企业和危险源、污染源， 是一个易燃易爆、有毒及重大危险源高度集中的区域，一旦发生火灾、 爆炸或毒物泄露扩散事故，易造成人员的群死群伤和巨大财产损失。 并且，化工园区是一个复杂的宏观系统，一旦发生事故，园区内的不 同性质的危险源之间，不同企业之间可能交叉影响，产生事故的连锁 反应，化工园区的风险具有连锁性、扩张性。因此，对化工工业中危 险泄漏气体的有效实时监测是化工生产以及整个产业升级、发展的最基本保障措施。

化工园区中用于直接感知环境气体状态参数的传感技术是整个 危险泄漏气体实时监测的“最前线”。气体状态参数包括气体的流向、 流速，气体的温度以及气体的组分和相应组分含量。

如今传统传感技术对气体多状态参数的监测装置一方面以参数 分类检测的形式为主。例如，气体流速的检测方法主要有三杯式流速 检测装置和叶轮式流速检测装置等；气体温度检测主要有热电偶检测 装置、热敏电阻检测装置等；对气体组分及相应含量的检测方法主要 有电化学式检测装置、催化燃烧式检测装置等。

另一方面，传统传感技术的相关传感器设备在监测现场带电运 行，其本身即为构成火灾与爆炸事故的诱因之一，属于非本质安全的 技术手段。虽然超声波技术可以通过获取简单的时域超声信号即可实 现对气体流速、温度、气体组分及含量等参数的同时检测，但传统的 超声波技术中，无论是超声源还是超声接收端装置都需要高功率带电 运行，加之超声信号传输距离短，相应高功率超声设备无法远离监测 现场，所以其不但功耗高，而且更难以实现本质安全监测。

因此，在当前的化工园区防爆预警领域中，危险泄漏气体的多参 数现场监测装置大多仍旧停留在多种检测手段及相关设备拼装组合 的阶段，传感信号繁杂、数据传输需求量大，而且现场监测系统功耗 大、稳定性差且难以实现监测的本质安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤声波气体监测装置及系统，其能 够为化工园区危险泄漏气体的现场监测提供传感信号简单、数据传输 需求量少、低功耗且完全本质安全的技术解决方案。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种光纤声波气体监测装置，其 包括脉冲激光器、可调谐激光器、调制解调器、气体探头及探测单元， 所述脉冲激光器和所述可调谐激光器分别与所述调制解调器连接，所 述探测单元包括环形器和光电探测器，所述环形器的三个端口沿所述 环形器的信号传输方向分别与所述可调谐激光器、所述气体探头及所 述光电探测器连接，所述光电探测器与所述调制解调器连接，所述气 体探头包括相对设置的光声转化器件和声光传感器件，所述光声转化 器件和所述脉冲激光器连接，所述声光传感器件和所述环形器连接， 由所述脉冲激光器出射的脉冲激光入射到所述光声转化器件产生超 声波，所述超声波经气体介质传播到达声光传感器件，由所述可调谐 激光器出射的探测激光经所述环形器入射到所述声光传感器件，在所 述声光传感器件内经所述超声波调制后返回所述环形器并经所述环 形器到达所述光电探测器产生光电流，所述光电流由所述调制解调器 接收。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤声波气体监测装置还包括由 多个所述探测单元组成的探测阵列，所述气体探头包括在多个维度上 相对设置的多组光声转化器件和声光传感器件，所述光声转化器件和 所述声光传感器件的数量与所述探测单元的数量相同，各个所述光声 转化器件和所述脉冲激光器经分束器连接，每个所述声光传感器件和与其对应的一个所述探测单元内的环形器连接，所述探测阵列中的各 个所述探测单元内的环形器和所述可调谐激光器经分束器连接，各个 所述探测单元内的光电探测器与所述调制解调器连接。

在本发明较佳的实施例中，所述气体探头在每个维度上相对设置 有两组光声转化器件和声光传感器件，其中，一组的光声转化器件和 另一组的声光传感器件设置在同一侧。

在本发明较佳的实施例中，所述气体探头在相互正交的三个维度 上设置有共六组光声转化器件和声光传感器件，所述探测阵列包括六 个所述探测单元。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤声波气体监测装置还包括数 量对应的多个所述气体探头和多个所述探测阵列，所述脉冲激光器经 分束器和各个所述气体探头中的光声转化器件相连接，所述可调谐激 光器经分束器与各个所述探测阵列中的环形器相连接。

在本发明较佳的实施例中，所述光声转化器件为端面镀有金纳米 复合材料的光纤，所述金纳米复合材料吸收由所述脉冲激光器发出的 激光脉冲能量发生形变，使邻近空间气体发生振动，产生以邻近空间 气体为传播介质的超声波。

在本发明较佳的实施例中，所述声光传感器件为光纤FP压力传 感器，所述光纤FP压力传感器中的FP腔在超声波的作用下发生振 动并使FP腔的腔长发生变化，入射到所述光纤FP压力传感器的探 测激光在FP腔内经多次反射后返回所述环形器。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤FP压力传感器包括铝合金 板、石英薄片和单模光纤，所述石英薄片和所述单模光纤的一端固定 在所述铝合金板上。

在本发明较佳的实施例中，所述单模光纤的端面与所述石英薄片 的间距为0.5mm，所述单模光纤的端面为球形端面。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤声波气体监测系统， 其包括如上所述的光纤声波气体监测装置和上位机，所述上位机和所 述光纤声波气体监测装置中的调制解调器通信连接，所述调制解调器 将检测得到的气体状态参数传输给所述上位机，用于实时显示及存 储。

本发明实施例提供的光纤声波气体监测装置及系统，通过气体探 头内的光声转化器件吸收激光脉冲产生超声波，再通过与所述光声转 化器件相对设置的声光传感器件，接收携带有气体探头邻近空间内气 体介质多参数信息的超声波信号，进而对由可调谐激光器输出的探测 激光进行相应的调制实现声光转化，最后通过光电探测器对经过超声 波信号调制的探测激光进行接收并转换为光电流，并将光电流传输至 调制解调器可获取气体探头监测区域内的气体多参数。另外，通过在 探测单元中设置环形器，简化了光学系统的结构。本发明提供的装置 及系统将气体多参数超声波技术与光纤传感技术有效结合，一方面发 挥超声波气体多参数同时监测的优势，单次测量即可获取携带有多种 气体状态参数信息的光电流；另一方面发挥光纤传感的远距离信号传 输的特点，位于现场监测点的气体探头为全光系统，无带电操作，对 于工业可燃性危险泄漏气体属于本质安全型监测。相对于现有技术， 该装置及系统检测效率高、集成程度高、低功耗且完全本质安全，在 气体多参数现场监测领域具有广泛的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中 所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发 明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的光纤声波气体监测装置的结构 示意图；

图2为本发明第一实施例提供的气体探头的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的光声转化器件的结构示意图；

图4为本发明第一实施例提供的声光传感器件的结构示意图；

图5为本发明第一实施例提供的光纤声波气体监测系统的结构 示意图；

图6为本发明第二实施例提供的光纤声波气体监测装置的结构 示意图；

图7为本发明第二实施例提供的气体探头的结构示意图；

图8为本发明第二实施例提供的探测阵列的结构示意图；

图9为本发明第三实施例提供的光纤声波气体监测装置的结构 示意图。

图标：100-脉冲激光器；200-可调谐激光器；300-调制解调器； 400-气体探头；420-光声转化器件；440-声光传感器件；442-铝合金 板；444-石英薄片；500-探测单元；520-探测阵列；600-上位机；1000- 光纤声波气体监测装置；2000-光纤声波气体监测系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件 可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨 在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施 例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行 进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示 的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置 关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指 的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此 不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三” 等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件 绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相 对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是 可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限 定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可 以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相 连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言， 可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描 述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信 号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变 化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案 或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该光纤 声波气体监测装置及系统中各元件的工作原理，表现所述装置中各部 分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能 构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、 形状的限定。

本发明实施例提供了一种基于光声转化技术、声光转化技术以及 超声波弛豫吸收谱的光纤声波气体监测装置及系统，其利用光声转化 器件将脉冲激光转化为空间中以气体为传输介质的超声波，超声波信 号经过一段渡越时间后到达用于声光转化的声光传感器件并再次转 化为光信号，而装置最终获取的光信号将作为气体多参数计算反演的 原始数据信息。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种光纤声波气体监测装置1000， 其包括脉冲激光器100、可调谐激光器200、调制解调器300、气体 探头400及探测单元500，所述脉冲激光器100和所述可调谐激光器 200分别与所述调制解调器300连接。所述探测单元500包括环形器 和光电探测器，所述环形器的三个端口沿所述环形器的信号传输方向 分别与所述可调谐激光器200、所述气体探头400及所述光电探测器 连接，所述光电探测器与所述调制解调器300连接。所述气体探头 400包括相对设置的光声转化器件420和声光传感器件440，所述光 声转化器件420和所述脉冲激光器100连接，所述声光传感器件440 和所述环形器连接。

本实施例中的各光学器件之间激光信号的传输，均可以通过长距 离铺设的光缆来进行。可以理解的是，所述气体探头400一般可以设 置在化工园区中有危险气体泄露风险的监测现场，而装置中其他的组 件均可以设置在远离监测现场的区域，以保证危险气体实时监测的安 全性。

作为一种信号传输的方式，一方面，由所述脉冲激光器100出射 的脉冲激光通过光缆入射到所述光声转化器件420产生超声波，所述 超声波经气体介质传播到达声光传感器件440；另一方面，由所述可 调谐激光器200出射的探测激光经所述环形器入射到所述声光传感 器件440，在所述声光传感器件440内经所述超声波调制后，探测激 光的光学参数发生改变，即携带了超声波传播路径附近的气体多参数 信息，随后返回所述环形器并经所述环形器到达所述光电探测器产生 光电流，所述光电流最终由所述调制解调器300接收。通过对光电流 进行解调，即可获得气体探头400附近的气体多状态参数信息。

请参照图2，本实施例中，气体探头400可以在三维立体空间内 的任意一个维度方向上构建光声-声光转化系统，即可以在该维度方 向上设置一对光声转化器件420和声光传感器件440。

本实施例中，所述光声转化器件420为端面镀有金纳米复合材料 的单模光纤。所述金纳米复合材料吸收由所述脉冲激光器100发出的 激光脉冲能量之后发生形变，使邻近空间气体发生振动，产生以邻近 空间气体为传播介质的超声波。可以理解的是，光声转化器件420 产生的超声波的参数与脉冲激光和邻近空间气体的状态有关，即超声 波携带了邻近空间气体的多参数状态信息。

请参照图3，本实施例中，在用于脉冲激光传输的单模光纤远离 脉冲激光器100的一端端面镀有金纳米复合材料，当脉冲激光传输至 光纤端面后，脉冲激光与金纳米复合材料直接作用，产生超声波并沿 着光纤的轴向方向扩散、传播，最终被声光传感器件440接收。

本实施例中，所述声光传感器件440为光纤FP压力传感器，其 具有高效率的声光转化能力。所述光纤FP压力传感器中的FP腔(法 布里-珀罗干涉腔，Fabry–Pérotinterferometer)可在超声波的作用下 发生振动并使FP腔的腔长发生变化，入射到所述光纤FP压力传感 器的探测激光在FP腔内经多次反射后返回所述环形器。

请参照图4，本实施例中，所述光纤FP压力传感器包括铝合金 板442、石英薄片444和单模光纤，所述石英薄片444和所述单模光 纤远离环形器的一端固定在所述铝合金板442上。优选的，组成光纤 FP压力传感器的单模光纤的端面与石英薄片444之间的距离为0.5mm，且该单模光纤靠近石英薄片444的端面为球形端面，其能够 将光纤内以数值孔径角发散出射的扫描光束(探测激光)经过球形端 面进行准直，以平行光的方向射向石英薄片444。

光纤FP压力传感器中，石英薄片444可以看作FP腔。石英薄 片444内部相对的两个内表面具有高反射率，激光光束进入石英薄片 444后在其两个内表面之间多次反射，最后返回到光纤端面处，被球 形端面连接进入光纤并传输到环形器。

本实施例中，环形器内的信号传输方向为顺时针。由光纤FP压 力传感器返回的光束进入环形器，以顺时针的方向传输并到达光电探 测器发生光电转换从而引起光电流。光电流信号由调制解调器300 吸收并解调，可以得到FP腔的干涉光谱。

本实施例中，一方面，调制解调器300向脉冲激光器100以某一 频率(如1Hz)发送调Q电压信号，脉冲激光器100在调Q信号控 制下以同样的频率发射脉冲激光束。所述调Q信号作为时钟控制信 号将脉冲激光器100与调制解调器300的时钟进行同步。以脉冲激光 器100出射脉冲激光的时刻作为时域上的0时刻，则所述调制解调器 300获取的FP腔干涉光谱开始抖动时的时间为t。时间量t将作为对 气体的流速和温度进行计算所需的原始数据。对于任何一个气体探头 400任何一个维度上的任何一支光纤FP压力传感器均可获得一个时间数据t_i。在超声波的作用下，FP腔的腔长发生抖动，随之，FP腔 干涉光谱发生波长漂移，从而将超声波信号转化为光信号。调制解调 器300可实时获取FP腔干涉光谱的波长漂移量，其可作为计算气体 成分与各成分浓度所需的原始数据。

另一方面，调制解调器300通过向可调谐激光器200注入扫描信 号与高频调制信号叠加得到的控制电流，使得可调谐激光器200输出 相应的带有高频调制信息的连续激光束(探测激光)。由声光传感器 件440返回的激光束最终被光电探测器接收并产生光电流。所述光电 流携带有高频调制信息与超声波振动信息，可以通过锁相-放大系统 实现光电流信号中高斯白噪声的滤除，提取有效的超声波振动信息。

本实施例中，调制解调器300在其内部微控制的控制下，可以通 过设定的频率重复运行上述过程，从而实现了对现场气体多参数进行 实时监测。

请参照图5，本实施例还提供了一种光纤声波气体监测系统 2000，其包括如上所述的光纤声波气体监测装置1000和上位机600。 所述上位机600和所述光纤声波气体监测装置1000中的调制解调器 300连接，所述调制解调器300将检测得到的气体状态参数传输给所 述上位机600，用于实时显示及存储。本实施例中，所述上位机600 可以是服务器或其他具有存储或显示功能的终端。

本实施例中，调制解调器300可以将检测所得到的气体多参数进 行存储，并可通过其内部集成的工业485总线向上位机600传输监测 数据，用于实时显示和存储。

以下简述本实施例中的超声波气体监测原理。

可激发气体对特定频率的超声波能量具有吸收效应，此吸收效应 主要由气体分子对超声波能量的弛豫吸收所导致，从而产生气体的超 声弛豫吸收谱。对相应可激发气体的定性识别与定量分析基于声弛豫 吸收谱，根据Kneser气体振动热弛豫理论，气体对应的声吸收谱可 表示为：

μ(f)＝(2μ_mf_mf)/(f²+f_m ²) (1)

其中μ_m为最大吸收值常数，f_m为弛豫频率常数，f为声波频率。 气体的声弛豫吸收谱具有指纹特征。FP腔干涉光谱的波长漂移量即 为超声波信号的光信号转化，通过对FP腔干涉光谱的波长漂移量时 域分布信号进行傅里叶变化得到超声波经气体弛豫吸收的频谱，即为 超声波弛豫吸收谱。公示(1)中，对于不同成分组成的气体，其最 大吸收值常数μ_m与弛豫频率常数f_m不同。因此，不同成分气体的超 声波弛豫吸收谱不同，所述超声吸收谱作为不同成分气体的识别依 据，可实现对气体成分的快速定性、定量分析。对于工业危险泄漏气 体，特定监测场合中所分布气体的种类及浓度多样性较小且监测要求 明确。针对此监测应用的实际需求，在特定监测场合、特定监测要求 下对具有不同组成成分和浓度的所有目标待测气体构建相应的超声 波弛豫吸收谱数据库。在实际监测中，获取气体超声弛豫吸收谱，遍 历所建立数据库，找寻相关程度最高的样本所对应的气体组成成分与 浓度，即实现对监测气体的成分识别和浓度预测。

作为一种具体的实施方式，当超声波沿x方向传播时，超声波的 渡越时间t_x与气体x方向上的流速v_x满足公式：

t_x＝L/(C+v_x) (2)

其中L为超声波在气体介质中传播的距离，C为超声波在流速为 零的气体介质中的传输速度。而渡越时间即为以脉冲激光器100出射 脉冲激光的时刻作为时域上的0时刻时，调制解调器300获取的FP 腔干涉光谱开始抖动时的时间t，由此即可计算出气体在x方向上的 流速为：

v_x＝(L-Ct)/t (3)

气体温度检测基于下式所描述的性质：

C＝√(1.4RT/M) (4)

即超声波在流速为零的气体介质中的传输速度C与温度T和平 均相对分子质量M满足上述关系，其中R为气体常数，而平均相对 分子质量M与气体组分及相应组分浓度密切相关：

M＝n₁M₁+n₂M₂+…+n_kM_k (5)

其中n₁、n₂、…、n_k为各组分浓度，M₁、M₂、…、M_k为各组分 相对分子质量。气体成分以及相应各组分浓度可由以上所述方法确 定，即获取气体超声吸收谱，遍历所建立的声弛豫吸收谱数据库，找 寻相关程度最高的样本所对应的气体组成成分与浓度。

本发明提供的光纤声波气体监测装置1000，以超声波作为气体 多参数的探测媒介和手段，一套系统、单次测量即可同时得到气体的 组分及含量、气体的流速以及气体的温度。与现有对气体多参数进行 分别测量的现场检测设备相比，该装置检测效率高、集成程度高，在 气体多参数现场监测领域具有广泛应用价值。另外，该装置位于气体 监测点附近的结构为全光系统，无带电操作实现了对工业可燃性危险 泄漏气体的本质安全型监测，在工业可燃性危险泄漏气体监测领域具 有巨大潜力。

第二实施例

请参照图6，本实施例提供了一种光纤声波气体监测装置1000， 与上述第一实施例最大的不同在于，本实施例中的光纤声波气体监测 装置1000还包括由多个所述探测单元500组成的探测阵列520，所 述气体探头400包括在三维空间内的多个维度上相对设置的多组光 声转化器件420和声光传感器件440，所述光声转化器件420和所述 声光传感器件440的数量与所述探测单元500的数量相同，各个所述 光声转化器件420和所述脉冲激光器100经分束器连接，每个所述声 光传感器件440和与其对应的一个所述探测单元500内的环形器连 接，所述探测阵列520中的各个所述探测单元500内的环形器和所述 可调谐激光器200经分束器连接，各个所述探测单元500内的光电探 测器与所述调制解调器300连接。

作为一种优选的实施方案，所述气体探头400在每个维度上相对 设置有两组光声转化器件420和声光传感器件440，其中，一组的光 声转化器件420和另一组的声光传感器件440设置在同一侧。此时， 可以在同一维度的两个相对的方向上测量气体的流速。

请参照图7，所述气体探头400在相互正交的三个维度上设置有 共六组光声转化器件420和声光传感器件440。对应的，如图8所示， 所述探测阵列520包括六个所述探测单元500。此时，超声波沿x轴 正、负方向的渡越时间t_x1、t_x2与气体x方向上的流速v_x满足公式(6)、 (7)，沿y轴正、负方向的渡越时间t_y1、t_y2与气体y方向上的流速 v_y满足公式(8)、(9)，沿z轴正、负方向的渡越时间t_z1、t_z2与气体 y方向上的流速v_z满足公式(10)、(11)，其中C为超声波在流速为 零的气体介质中的传输速度。

t_x1＝L/(C+v_x) (6)

t_x2＝L/(C-v_x) (7)

t_y1＝L/(C+v_y) (8)

t_y2＝L/(C-v_y) (9)

t_z1＝L/(C+v_z) (10)

t_z2＝L/(C-v_z) (11)

通过渡越时间的差值即可分别得到气体在x、y以及z方向上的 流速：

v_x＝L(1/t_x1-1/t_x2)/2 (12)

v_y＝L(1/t_y1-1/t_y2)/2 (13)

v_z＝L(1/t_z1-1/t_z2)/2 (14)

而渡越时间即为以脉冲激光器100出射脉冲激光的时刻作为时 域上的0时刻时，调制解调器300获取的FP腔干涉光谱开始抖动时 的时间t。

相对于上述第一实施例，本实施例提供的装置通过在同一位置空 间内对气体进行三个维度、多个方向的检测，能够获取监测区域气体 在多个方向上的状态参数。

第三实施例

请参照图9，本实施例提供了一种光纤声波气体监测装置1000， 相对于上述的第一实施例和第二实施例，本实施例中的光纤声波气体 监测装置1000还包括数量对应的多个气体探头400和多个探测阵列 520，各个气体探头400中的光声转化器件420经分束器和脉冲激光 器100连接，各个探测阵列520中的环形器经分束器和可调谐激光器 200连接。

本实施例中，当气体探头400内设置有多个(例如三个)维度的 超声波声道时，由激光器输出的光束可先通过一级分束器进行分束以 到达不同的监测区域，在某个监测区域内可再通过二级分束器进行分 束以形成多个光声-声光转换结构。

相对于上述第一实施例和第二实施例，本实施例利用了光纤技术 光能传输损耗低的优点，可以在大区域内铺设传输光纤，实现大区域 多点同时监测，即一台脉冲激光器100与一台可调谐激光器200可同 时驱动多个监测点，有效降低装置的功耗与成本。

综上所述，本发明实施例提供的光纤声波气体监测装置及系统， 通过气体探头内的光声转化器件吸收激光脉冲产生超声波，再通过与 所述光声转化器件相对设置的声光传感器件，接收携带有气体探头邻 近空间内气体介质多参数信息的超声波信号，进而对由可调谐激光器 输出的探测激光进行相应的调制实现声光转化，最后通过光电探测器 对经过超声波信号调制的探测激光进行接收并转换为光电流，并将光 电流传输至调制解调器可获取气体探头监测区域内的气体多参数。另 外，通过在探测单元中设置环形器，简化了光学系统的结构。本发明 提供的装置及系统将气体多参数超声波技术与光纤传感技术有效结 合，一方面发挥超声波气体多参数同时监测的优势，单次测量即可获 取携带有多种气体状态参数信息的光电流；另一方面发挥光纤传感的 远距离信号传输的特点，位于现场监测点的气体探头为全光系统，无 带电操作，对于工业可燃性危险泄漏气体属于本质安全型监测。相对 于现有技术，该装置及系统检测效率高、集成程度高、低功耗且完全 本质安全，在气体多参数现场监测领域具有广泛的应用价值。以上所 述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神 和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤声波气体监测装置，其特征在于，包括脉冲激光器、可调谐激光器、调制解调器、气体探头及探测单元，所述脉冲激光器和所述可调谐激光器分别与所述调制解调器连接，

所述探测单元包括环形器和光电探测器，所述环形器的三个端口沿所述环形器的信号传输方向分别与所述可调谐激光器、所述气体探头及所述光电探测器连接，所述光电探测器与所述调制解调器连接，

所述气体探头包括相对设置的光声转化器件和声光传感器件，所述光声转化器件和所述脉冲激光器连接，所述声光传感器件和所述环形器连接，

由所述脉冲激光器出射的脉冲激光入射到所述光声转化器件产生超声波，所述超声波经气体介质传播到达声光传感器件，

由所述可调谐激光器出射的探测激光经所述环形器入射到所述声光传感器件，在所述声光传感器件内经所述超声波调制后返回所述环形器并经所述环形器到达所述光电探测器产生光电流，

所述光电流由所述调制解调器接收。

2.根据权利要求1所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述光纤声波气体监测装置还包括由多个所述探测单元组成的探测阵列，

所述气体探头包括在多个维度上相对设置的多组光声转化器件和声光传感器件，所述光声转化器件和所述声光传感器件的数量与所述探测单元的数量相同，

各个所述光声转化器件和所述脉冲激光器经分束器连接，每个所述声光传感器件和与其对应的一个所述探测单元内的环形器连接，

所述探测阵列中的各个所述探测单元内的环形器和所述可调谐激光器经分束器连接，各个所述探测单元内的光电探测器与所述调制解调器连接。

3.根据权利要求2所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述气体探头在每个维度上相对设置有两组光声转化器件和声光传感器件，其中，一组的光声转化器件和另一组的声光传感器件设置在同一侧。

4.根据权利要求3所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述气体探头在相互正交的三个维度上设置有共六组光声转化器件和声光传感器件，所述探测阵列包括六个所述探测单元。

5.根据权利要求2所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述光纤声波气体监测装置还包括数量对应的多个所述气体探头和多个所述探测阵列，

所述脉冲激光器经分束器和各个所述气体探头中的光声转化器件相连接，所述可调谐激光器经分束器与各个所述探测阵列中的环形器相连接。

6.根据权利要求1所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述光声转化器件为端面镀有金纳米复合材料的光纤，

所述金纳米复合材料吸收由所述脉冲激光器发出的激光脉冲能量发生形变，使邻近空间气体发生振动，产生以邻近空间气体为传播介质的超声波。

7.根据权利要求1所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述声光传感器件为光纤FP压力传感器，

所述光纤FP压力传感器中的FP腔在超声波的作用下发生振动并使FP腔的腔长发生变化，入射到所述光纤FP压力传感器的探测激光在FP腔内经多次反射后返回所述环形器。

8.根据权利要求7所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述光纤FP压力传感器包括铝合金板、石英薄片和单模光纤，所述石英薄片和所述单模光纤的一端固定在所述铝合金板上。

9.根据权利要求8所述的光纤声波气体监测装置，其特征在于，所述单模光纤的端面与所述石英薄片的间距为0.5mm，所述单模光纤的端面为球形端面。

10.一种光纤声波气体监测系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的光纤声波气体监测装置和上位机，所述上位机和所述光纤声波气体监测装置中的调制解调器通信连接，

所述调制解调器将检测得到的气体状态参数传输给所述上位机，用于实时显示及存储。