CN108801928A - 一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置 - Google Patents

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CN108801928A CN201810621842.7A CN201810621842A CN108801928A CN 108801928 A CN108801928 A CN 108801928A CN 201810621842 A CN201810621842 A CN 201810621842A CN 108801928 A CN108801928 A CN 108801928A
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吴涛
孔维平
胡蓉菁
何兴道
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • 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
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    • 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

Abstract

本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块、气体检测模块、信号接收单元和计算终端，所述激光模块输出的激光经分束器进入与所述气体检测模块级联的单模光纤中，所述气体检测模块利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元，所述信号接收单元将接收到的探测信号送至所述计算终端；所述激光模块由可调谐激光器、激光控制器和信号调制器组成；所述气体检测模块由气体传感单元、信号放大器、信号解调器和无线电信号发射模块组成。本发明提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，通过带缺陷高Q值的微纳器件将内光场耦合输出，简化了装置、易于集成、体积小、灵敏度高。

Description

一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置
技术领域
本发明涉及光声光谱气体检测技术领域，尤其涉及一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置。
背景技术
随着现代工业的不断发展，在生产制造过程中由于工艺限制不可避免的会产生许多有毒有害气体，由此导致大气环境污染，影响人民身体健康；许多输油运气管道由于常年暴露在室外，经过长时间雨水冲刷腐蚀，管道经常会出现溢出或者是泄漏，由此导致的财产损失以及人员安全隐患都是不可估量的，但由于这些区域面积广且事发初期污染物浓度较低，难以发现。
因此，研究一种能够灵活对被检测区域进行气体检测并探测灵敏度高的技术显得尤为重要，对比目前所有的气体检测装置，光纤气体传感技术能够实现从简单的单点测量到大规模多点式检测，具有适应性强，能耗低等特点，因此亟需研究开发一种光纤气体检测装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块、气体检测模块、信号接收单元和计算终端，所述激光模块输出的激光经分束器进入与所述气体检测模块级联的单模光纤中，所述气体检测模块利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元，所述信号接收单元将接收到的探测信号送至所述计算终端；所述激光模块由可调谐激光器、激光控制器和信号调制器组成；所述气体检测模块由气体传感单元、信号放大器、信号解调器和无线电信号发射模块组成。
其中，所述的气体传感单元由光耦合器件、微纳器件、汇聚透镜、石英音叉和共振管组成；所述石英音叉与所述信号放大器相连，所述共振管分别正交放置在所述石英音叉叉谷两侧。
其中，所述气体检测模块的数量为2个或2个以上。
其中，所述的计算终端为有运算功能及显示功能的设备，可以是电脑或手机中的任意一种。
其中，所述的光耦合器件可以是拉锥光纤、棱镜或光纤棱镜中的任意一种。
其中，所述的拉锥光纤由单模光纤直接拉锥形成或者是由一段拉锥光纤与单模光纤耦合在一起组成。
其中，所述的微纳器件可以是带缺陷高Q值的微球、微盘、微管或微泡中的任意一种。
本发明提供的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1：所述激光模块发出激光通过所述单模光纤传输到所述光耦合器件中，所述光耦合器件将部分光耦合到所述微纳器件中，激光在所述微纳器件中来回反射形成回音壁效应，产生很强的光场，再将所述光场耦合输出，输出的光通过所述汇聚透镜穿过所述共振管，被检测气体会吸收所述共振管之间的光并激发出声波信号，声波信号与所述共振管发生谐振并被放大，再由所述石英音叉接收转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器进行滤波放大并经过所述信号解调器解调，再由所述无线电信号发射模块远距离传输给所述信号接收单元；
S2：所述信号接收单元接收所述无线电信号发射模块发出的信号并将其信号送至所述计算终端，所述计算终端将从所述信号接收单元接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
本发明第二方面提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块、气体检测模块、信号接收单元和计算终端，所述激光模块输出的激光经分束器进入与所述气体检测模块级联的单模光纤中，所述气体检测模块利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元，所述信号接收单元将接收到的探测信号送至所述计算终端；所述激光模块由可调谐激光器、激光控制器和信号调制器组成；所述气体检测模块由气体传感单元、信号放大器、信号解调器和无线电信号发射模块组成。
其中，所述的气体传感单元由光耦合器件、微纳器件和石英音叉组成；所述石英音叉与所述信号放大器相连，所述微纳器件正交放置在所述石英音叉叉谷中。
其中，所述气体检测模块的数量为2个或2个以上。
其中，所述的计算终端为有运算功能及显示功能的设备，可以是电脑或手机中的任意一种。
其中，所述的光耦合器件可以是拉锥光纤、棱镜或光纤棱镜中的任意一种。
其中，所述的拉锥光纤由单模光纤直接拉锥形成或者是由一段拉锥光纤与单模光纤耦合在一起组成。
其中，所述的微纳器件可以是带缺陷高Q值的微球、微盘、微管或微泡中的任意一种。
本发明提供的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1：所述激光模块发出激光通过所述单模光纤传输到所述光耦合器件中，所述光耦合器件将部分光耦合到所述微纳器件中，激光在所述微纳器件中来回反射形成回音壁效应从而放大了光信号，被检测的气体会吸收所述微纳器件出射光激发出声波信号，该声波信号被所述石英音叉接受转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器进行滤波放大并经过所述信号解调器解调，再由所述无线电信号发射模块远距离传输给所述信号接收单元；
S2：所述信号接收单元接收所述无线电信号发射模块发出的信号并将其信号送至所述计算终端，所述计算终端将从所述信号接收单元接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，微纳器件采用带缺陷高Q值的微球、微盘、微管或微泡，光耦合器件采用拉锥光纤、棱镜或光纤棱镜，带缺陷高Q值的微球、微盘、微管或微泡可以通过自身所带有的缺陷能直接将微球、微盘、微管或微泡内光场耦合输出，简化了装置、易于集成。另外，将具有回音壁效应的微纳器件与石英增强光声光谱传感器结合在一起，实现了装置体积小、灵敏度高等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明实施例1和实施例4提供的气体检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的气体检测装置中气体传感单元的结构示意图；
图3为本发明实施例4提供的气体检测装置中气体传感单元的结构示意图；
图中：1-激光模块，11-可调谐激光器，12-激光控制器，13-信号调制器，2-气体检测模块，21-气体传感单元，211-光耦合器件，212-微纳器件，213-汇聚透镜，214-石英音叉，215-共振管，22-信号放大器，23-信号解调器，24-无线电信号发射模块，3-信号接收单元，4-计算终端，5-分束器，6-单模光纤。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，如图1和图2所示，包括激光模块1、6个气体检测模块2、信号接收单元3和计算终端4，所述激光模块1输出的激光经分束器5进入与所述气体检测模块2级联的单模光纤6中，所述气体检测模块2利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元3，所述信号接收单元3将接收到的探测信号送至所述计算终端4；所述激光模块1由可调谐激光器11、激光控制器12和信号调制器13组成；所述气体检测模块2由气体传感单元21、信号放大器22、信号解调器23和无线电信号发射模块24组成。所述的计算终端4为有运算功能及显示功能的电脑，所述的气体传感单元21由光耦合器件211、微纳器件212、汇聚透镜213、石英音叉214和共振管215组成；所述石英音叉214与所述信号放大器22相连，所述共振管215分别正交放置在所述石英音叉214叉谷两侧；所述的光耦合器件211采用拉锥光纤，所述的拉锥光纤由单模光纤直接拉锥形，所述的微纳器件212采用带缺陷高Q值的微球。
本实施例提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块1发出激光通过所述单模光纤6传输到气体检测模块2的拉锥光纤中，所述拉锥光纤将部分光耦合到带缺陷高Q值的微球中，激光在微球中来回反射形成回音壁效应，微球内产生很强的光场，再通过微球上的缺陷直接将内光场耦合输出，输出的光通过汇聚透镜213穿过一对共振管215，被检测气体会吸收所述共振管215之间的光并激发出声波信号，声波信号与所述共振管215发生谐振并被放大，再由所述石英音叉214接收转换为电信号，所述电信号被传至信号放大器22进行滤波放大并经过信号解调器23解调，再由无线电信号发射模块24远距离传输给信号接收单元3；
S2：所述信号接收单元3接收所述无线电信号发射模块24发出的信号并将其信号送至计算终端4，所述计算终端4将从所述信号接收单元3接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
实施例2
本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块1、4个气体检测模块2、信号接收单元3和计算终端4，所述激光模块1输出的激光经分束器5进入与所述气体检测模块2级联的单模光纤6中，所述气体检测模块2利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元3，所述信号接收单元3将接收到的探测信号送至所述计算终端4；所述激光模块1由可调谐激光器11、激光控制器12和信号调制器13组成；所述气体检测模块2由气体传感单元21、信号放大器22、信号解调器23和无线电信号发射模块24组成。所述的计算终端4为有运算功能及显示功能的电脑，所述的气体传感单元21由光耦合器件211、微纳器件212、汇聚透镜213、石英音叉214和共振管215组成；所述石英音叉214与所述信号放大器22相连，所述共振管215分别正交放置在所述石英音叉214叉谷两侧；所述的光耦合器件211采用棱镜，所述的微纳器件212采用带缺陷高Q值的微盘。
本实施例提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块1发出激光通过所述单模光纤6传输到气体检测模块2的棱镜中，所述棱镜将部分光耦合到带缺陷高Q值的微盘中，激光在微盘中来回反射形成回音壁效应，微盘内产生很强的光场，再通过微盘上的缺陷直接将内光场耦合输出，输出的光通过汇聚透镜213穿过一对共振管215，被检测气体会吸收所述共振管215之间的光并激发出声波信号，声波信号与所述共振管215发生谐振并被放大，再由所述石英音叉214接收转换为电信号，所述电信号被传至信号放大器22进行滤波放大并经过信号解调器23解调，再由无线电信号发射模块24远距离传输给信号接收单元3；
S2：所述信号接收单元3接收所述无线电信号发射模块24发出的信号并将其信号送至计算终端4，所述计算终端4将从所述信号接收单元3接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
实施例3
本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块1、2个气体检测模块2、信号接收单元3和计算终端4，所述激光模块1输出的激光经分束器5进入与所述气体检测模块2级联的单模光纤6中，所述气体检测模块2利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元3，所述信号接收单元3将接收到的探测信号送至所述计算终端4；所述激光模块1由可调谐激光器11、激光控制器12和信号调制器13组成；所述气体检测模块2由气体传感单元21、信号放大器22、信号解调器23和无线电信号发射模块24组成。所述的计算终端4为有运算功能及显示功能的电脑，所述的气体传感单元21由光耦合器件211、微纳器件212、汇聚透镜213、石英音叉214和共振管215组成；所述石英音叉214与所述信号放大器22相连，所述共振管215分别正交放置在所述石英音叉214叉谷两侧；所述的光耦合器件211采用光纤棱镜，所述的微纳器件212采用带缺陷高Q值的微管。
本实施例提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块1发出激光通过所述单模光纤6传输到气体检测模块2的光纤棱镜中，所述光纤棱镜将部分光耦合到带缺陷高Q值的微管中，激光在微管中来回反射形成回音壁效应，微管内产生很强的光场，再通过微管上的缺陷直接将内光场耦合输出，输出的光通过汇聚透镜213穿过一对共振管215，被检测气体会吸收所述共振管215之间的光并激发出声波信号，声波信号与所述共振管215发生谐振并被放大，再由所述石英音叉214接收转换为电信号，所述电信号被传至信号放大器22进行滤波放大并经过信号解调器23解调，再由无线电信号发射模块24远距离传输给信号接收单元3；
S2：所述信号接收单元3接收所述无线电信号发射模块24发出的信号并将其信号送至计算终端4，所述计算终端4将从所述信号接收单元3接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
实施例4
本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，如图1和图3所示，包括激光模块1、6个气体检测模块2、信号接收单元3和计算终端4，所述激光模块1输出的激光经分束器5进入与所述气体检测模块2级联的单模光纤6中，所述气体检测模块2利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元3，所述信号接收单元3将接收到的探测信号送至所述计算终端4；所述激光模块1由可调谐激光器11、激光控制器12和信号调制器13组成；所述气体检测模块2由气体传感单元21、信号放大器22、信号解调器23和无线电信号发射模块24组成。所述的计算终端4为有运算功能及显示功能的手机，所述的气体传感单元21由光耦合器件211、微纳器件212和石英音叉214组成；所述石英音叉（214）与所述信号放大器（22）相连，所述微纳器件（212）正交放置在所述石英音叉（214）叉谷中；所述的光耦合器件211采用拉锥光纤，所述的拉锥光纤由一段拉锥光纤与单模光纤耦合在一起组成，所述的微纳器件212采用带缺陷高Q值的微球。
本发明提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块1发出激光通过所述单模光纤6传输到气体检测模块2的拉锥光纤中，所述拉锥光纤将部分光耦合到带缺陷高Q值的微球中，激光在微球中来回反射形成回音壁效应从而放大了光信号，被检测的气体会吸收所述微球出射光激发出声波信号，该声波信号被所述石英音叉（214）接受转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器（22）进行滤波放大并经过所述信号解调器（23）解调，再由所述无线电信号发射模块（24）远距离传输给所述信号接收单元（3）；
S2：所述信号接收单元3接收所述无线电信号发射模块24发出的信号并将其信号送至计算终端4，所述计算终端4将从所述信号接收单元3接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
实施例5
本发明提供了一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，包括激光模块1、4个气体检测模块2、信号接收单元3和计算终端4，所述激光模块1输出的激光经分束器5进入与所述气体检测模块2级联的单模光纤6中，所述气体检测模块2利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元3，所述信号接收单元3将接收到的探测信号送至所述计算终端4；所述激光模块1由可调谐激光器11、激光控制器12和信号调制器13组成；所述气体检测模块2由气体传感单元21、信号放大器22、信号解调器23和无线电信号发射模块24组成。所述的计算终端4为有运算功能及显示功能的手机，所述的气体传感单元21由光耦合器件211、微纳器件212和石英音叉214组成；所述石英音叉（214）与所述信号放大器（22）相连，所述微纳器件（212）正交放置在所述石英音叉（214）叉谷中；所述的光耦合器件211采用拉锥光纤，所述的拉锥光纤由一段拉锥光纤与单模光纤耦合在一起组成，所述的微纳器件212采用带缺陷高Q值的微泡。
本发明提供的基于光声光谱分布式光纤气体检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块1发出激光通过所述单模光纤6传输到气体检测模块2的拉锥光纤中，所述拉锥光纤将部分光耦合到带缺陷高Q值的微泡中，激光在微泡中来回反射形成回音壁效应从而放大了光信号，被检测的气体会吸收所述微泡出射光激发出声波信号，该声波信号被所述石英音叉（214）接受转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器（22）进行滤波放大并经过所述信号解调器（23）解调，再由所述无线电信号发射模块（24）远距离传输给所述信号接收单元（3）；
S2：所述信号接收单元3接收所述无线电信号发射模块24发出的信号并将其信号送至计算终端4，所述计算终端4将从所述信号接收单元3接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：包括激光模块（1）、气体检测模块（2）、信号接收单元（3）和计算终端（4），所述激光模块（1）输出的激光经分束器（5）进入与所述气体检测模块（2）级联的单模光纤（6）中，所述气体检测模块（2）利用无线电将探测信号传输到所述信号接收单元（3），所述信号接收单元（3）将接收到的探测信号送至所述计算终端（4）；所述激光模块（1）由可调谐激光器（11）、激光控制器（12）和信号调制器（13）组成；所述气体检测模块（2）由气体传感单元（21）、信号放大器（22）、信号解调器（23）和无线电信号发射模块（24）组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的气体传感单元（21）由光耦合器件（211）、微纳器件（212）、汇聚透镜（213）、石英音叉（214）和共振管（215）组成；所述石英音叉（214）与所述信号放大器（22）相连，所述共振管（215）分别正交放置在所述石英音叉（214）叉谷两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于，所述检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块（1）发出激光通过所述单模光纤（6）传输到所述光耦合器件（211）中，所述光耦合器件（211）将部分光耦合到所述微纳器件（212）中，激光在所述微纳器件（212）中来回反射形成回音壁效应，产生很强的光场，再将所述光场耦合输出，输出的光通过所述汇聚透镜（213）穿过所述共振管（215），被检测气体会吸收所述共振管（215）之间的光并激发出声波信号，声波信号与所述共振管（215）发生谐振并被放大，再由所述石英音叉（214）接收转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器（22）进行滤波放大并经过所述信号解调器（23）解调，再由所述无线电信号发射模块（24）远距离传输给所述信号接收单元（3）；
S2：所述信号接收单元（3）接收所述无线电信号发射模块（24）发出的信号并将其信号送至所述计算终端（4），所述计算终端（4）将从所述信号接收单元（3）接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
4.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的气体传感单元（21）由光耦合器件（211）、微纳器件（212）和石英音叉（214）组成；所述石英音叉（214）与所述信号放大器（22）相连，所述微纳器件（212）正交放置在所述石英音叉（214）叉谷中。
5.根据权利要求4所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于，所述检测装置的检测方法包括以下步骤：
S1：所述激光模块（1）发出激光通过所述单模光纤（6）传输到所述光耦合器件（211）中，所述光耦合器件（211）将部分光耦合到所述微纳器件（212）中，激光在所述微纳器件（212）中来回反射形成回音壁效应从而放大了光信号，被检测的气体会吸收所述微纳器件（212）出射光激发出声波信号，该声波信号被所述石英音叉（214）接受转换为电信号，所述电信号被传至所述信号放大器（22）进行滤波放大并经过所述信号解调器（23）解调，再由所述无线电信号发射模块（24）远距离传输给所述信号接收单元（3）；
S2：所述信号接收单元（3）接收所述无线电信号发射模块（24）发出的信号并将其信号送至所述计算终端（4），所述计算终端（6）将从所述信号接收单元（3）接收到的二次谐波信号计算二次谐波信号峰值，并与数据库中峰值与浓度定标数据进行对比获得探测气体浓度值，并将所述浓度值显示，当测量点浓度超过预警浓度则报警。
6.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述气体检测模块（2）的数量为2个或2个以上。
7.根据权利要求1~5中任意一项权利要求所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的计算终端（4）为有运算功能及显示功能的设备，可以是电脑或手机中的任意一种。
8.根据权利要求2~5中任意一项权利要求所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的光耦合器件（211）可以是拉锥光纤、棱镜或光纤棱镜中的任意一种。
9.根据权利要求8所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的拉锥光纤由单模光纤直接拉锥形成或者是由一段拉锥光纤与单模光纤耦合在一起组成。
10.根据权利要求2~5中任意一项权利要求所述的一种基于光声光谱分布式光纤气体检测装置，其特征在于：所述的微纳器件（212）可以是带缺陷高Q值的微球、微盘、微管或微泡中的任意一种。
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