CN108732105A - 基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法，激光器通过光纤分束器与气体传感单元连接，气体传感单元通过单模光纤与功率计连接；信号放大器与锁相放大器通过信号连接；石英音叉平行对称设置于锥形光纤中心段的两侧。激光器输出的激光束经光纤分束器分束后，分别传输至气体传感单元中的锥形光纤处，产生倏逝波场；声波信号随后分别经加法器和信号放大器进行信号叠加与滤波放大；滤波放大后的信号输入到锁相放大器，从而解调得到二次谐波信号，根据波长调制原理反演获得气体的浓度。本发明设置多个传感单元可完成分布式测量工作，同时利用两个音叉可以极大地提高声波信号，从而提高气体探测灵敏度。

Description

基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法
技术领域
本发明属于激光传感器领域，涉及一种基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置及方法。
背景技术
光纤倏逝场传感器早在上世纪80年代就已经提出，发展到现在也早已应用在了痕量气体探测上，而痕量气体探测在工业、农业以及环境监测方面都发挥着十分重要的作用。
常见的痕量气体探测技术，如直接吸收光谱技术、差分吸收光谱技术、高精细度谐振腔吸收光谱技术等，这些方法虽然已经十分成熟，却常常局限于定点测量，难以达到分布式测量。石英音叉增强型光声光谱技术具有高的探测灵敏度以及对噪声免疫的独特优点，所以十分适合痕量气体探测。
光纤分束器可将激光束多路等分输出，利用光纤倏逝场结合石英音叉可以高灵敏探测气体浓度信息，每一路可分别构成空间多点的气体测量，多路光束就能得到空间分布式气体探测，每个传感单元利用两个石英音叉对声波信号进行接收，可以极大地提高声波信号，从而提高气体探测灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏分布式气体检测装置及测量方法，将光纤倏逝波场与石英音叉增强型光声光谱技术结合起来，充分利用光纤分束器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，包括激光器、气体传感单元、功率计和锁相放大器，激光器通过光纤分束器与气体传感单元连接，气体传感单元通过单模光纤与功率计连接；所述气体传感单元包括依次连接的检测单元、加法器和信号放大器，信号放大器与锁相放大器通过信号连接；所述检测单元包括锥形光纤和石英音叉，石英音叉平行对称设置于锥形光纤中心段的两侧。
进一步，所述光纤分束器的分束比相同，且分束数N>1。
进一步，所述锥形光纤是由单模光纤拉制而成，腰宽小于5μm，锥长3~10mm。
进一步，所述功率计的响应波长为800~1700nm。
一种基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其操作步骤如下：
1）激光器输出的激光束经光纤分束器分束后，分别传输至气体传感单元中的锥形光纤处，产生倏逝波场；
2）经气体传感单元中的石英音叉接收，由目标气体与倏逝波场相互作用产生的声波信号，声波信号随后分别经加法器和信号放大器进行信号叠加与滤波放大；
3）滤波放大后的信号输入到锁相放大器，从而解调得到二次谐波信号，根据波长调制原理反演获得气体的浓度。
进一步，所述激光器是由外部控制单元控制并调谐激光波长，且调制频率与石英音叉一致。
进一步，所述步骤1）中的激光束在锥形光纤与目标气体分界面处产生倏逝波场。
进一步，所述步骤2）中的目标气体受到倏逝波场激发并产生声波信号，声波信号频率为2倍的激光调制频率。
进一步，所述气体的检测种类可通过改变激光器中心波长来实现。
本发明的优势在于：1）充分将光纤倏逝波场与石英音叉增强型光声光谱技术结合起来，利用光纤分束器，可完成分布式气体检测。2）每个传感单元设置两个石英音叉，经叠加后可有效增强声波信号，提高气体探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为检测单元31结构示意图。
图中：1-激光器，2-光纤分束器，3-气体传感单元，31-检测单元， 311-锥形光纤，312-石英音叉，32-加法器，33-信号放大器，4-单模光纤，5-功率计，6-锁相放大器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。参见图1和图2，基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，包括激光器1、气体传感单元3、功率计5和锁相放大器6，激光器1通过光纤分束器2与气体传感单元3连接，所述光纤分束器2的分束比相同，且分束数N>1；气体传感单元3通过单模光纤4与功率计5连接；所述气体传感单元3包括依次连接的检测单元31、加法器32和信号放大器33，信号放大器33与锁相放大器6通过信号连接；所述检测单元31包括锥形光纤311和石英音叉312，石英音叉312平行对称设置于锥形光纤311中心段的两侧。所述锥形光纤311是由单模光纤拉制而成，腰宽小于5μm，锥长3~10mm。所述功率计5的响应波长为800~1700nm。
一种基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其操作步骤如下：
1）激光器1输出的激光束经光纤分束器2分束后，分别传输至气体传感单元3中的锥形光纤311处，产生倏逝波场；所述激光器1是由外部控制单元控制并调谐激光波长，且调制频率与石英音叉312一致。激光束在锥形光纤311与目标气体分界面处产生倏逝波场。
2）经气体传感单元3中的石英音叉312接收，由目标气体与倏逝波场相互作用产生的声波信号，声波信号随后分别经加法器32和信号放大器33进行信号叠加与滤波放大；目标气体受到倏逝波场激发并产生声波信号，声波信号频率为2倍的激光调制频率。
3）滤波放大后的信号输入到锁相放大器6，从而解调得到二次谐波信号，根据波长调制原理反演获得气体的浓度。气体的检测种类可通过改变激光器中心波长来实现。
实施例：本发明提供的一种基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置由激光器1、光纤分束器2、气体传感单元3、单模光纤4、功率计(PS19Q，Coherent)5和锁相放大器（SR830）6构成，激光器1、光纤分束器2、气体传感单元3和功率计5按光路方向依次通过单模光纤4连接；所述气体传感单元3包括依次连接的检测单元31、加法器32和信号放大器33，信号放大器33与锁相放大器6相连接；所述检测单元31包括锥形光纤311和石英音叉312，石英音叉312平行对称设置于锥形光纤311中心段的两侧。
利用上述基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置可以实现痕量气体浓度探测，测量方法由以下步骤实现：
1）激光器1输出的激光束经光纤分束器2分束后，分别传输至气体传感单元3中的锥形光纤311处，产生倏逝波场；所述激光器1是由外部控制单元控制并调谐激光波长，且调制频率与石英音叉312一致。激光束在锥形光纤311与目标气体分界面处产生倏逝波场。
2）经气体传感单元3中的石英音叉312接收，由目标气体与倏逝波场相互作用产生的声波信号，声波信号随后分别经加法器32和信号放大器33进行信号叠加与滤波放大；目标气体受到倏逝波场激发并产生声波信号，声波信号频率为2倍的激光调制频率。
3）滤波放大后的信号输入到锁相放大器6，从而解调得到二次谐波信号，根据波长调制原理反演获得气体的浓度。
激光器1为可调谐半导体激光器，中心波长为1.53μm。光纤分束器2为单模光纤，分束比相同。锥形光纤311是由单模光纤通过熔拉法拉制而成，腰宽小于5μm，锥长3~10mm。石英音叉312平行对称设置于锥形光纤311中心段的两侧，共振频率为30.72kHz，并与激光调制频率保持一致。功率计5用来监测激光在光纤传输过程中功率的变化，从而判断测量装置是否稳定以及光纤是否发生损坏。本发明可通过改变激光器中心波长来达到检测不同种类气体的目的。

Claims (9)

1.基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，包括激光器、气体传感单元、功率计和锁相放大器，其特征在于，激光器通过光纤分束器与气体传感单元连接，气体传感单元通过单模光纤与功率计连接；所述气体传感单元包括依次连接的检测单元、加法器和信号放大器，信号放大器与锁相放大器通过信号连接；所述检测单元包括锥形光纤和石英音叉，石英音叉平行对称设置于锥形光纤中心段的两侧。
2.根据权利要求1所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，其特征在于，所述光纤分束器的分束比相同，且分束数N>1。
3.根据权利要求1所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，其特征在于，所述锥形光纤是由单模光纤拉制而成，腰宽小于5μm，锥长3~10mm。
4.根据权利要求1所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置，其特征在于，所述功率计的响应波长为800~1700nm。
5.一种采用权利要求1所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其特征在于，其操作步骤如下：
1）激光器输出的激光束经光纤分束器分束后，分别传输至气体传感单元中的锥形光纤处，产生倏逝波场；
2）经气体传感单元中的石英音叉接收，由目标气体与倏逝波场相互作用产生的声波信号，声波信号随后分别经加法器和信号放大器进行信号叠加与滤波放大；
3）滤波放大后的信号输入到锁相放大器，从而解调得到二次谐波信号，根据波长调制原理反演获得气体的浓度。
6.根据权利要求5所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其特征在于，所述激光器是由外部控制单元控制并调谐激光波长，且调制频率与石英音叉一致。
7.根据权利要求5所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其特征在于，所述步骤1）中的激光束在锥形光纤与目标气体分界面处产生倏逝波场。
8.根据权利要求5所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其特征在于，所述步骤2）中的目标气体受到倏逝波场激发并产生声波信号，声波信号频率为2倍的激光调制频率。
9.根据权利要求5所述的基于光纤倏逝波的分布式气体检测装置的测量方法，其特征在于，所述气体的检测种类可通过改变激光器中心波长来实现。
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