CN109115688B - 一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法，属于光纤传感和气体检测技术领域。该仪器包括激光光源、光缆、光纤听漏探头、宽谱光源、光纤耦合器、锯齿信号发生器、加法器、正弦信号发生器、锁相环、光谱仪和工控机。光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，直接探测气体泄漏产生的声波信号，并能结合主动降噪技术大幅减小环境噪声和振动对光声信号测量的影响，同时实现对气体浓度的高灵敏度和高可靠性测量，即光纤听漏探头具备“光耳”和“光鼻”两种功能。本发明通过设计两个具有不同腔长的光纤非本征法布里‑珀罗干涉仪，采用一个光谱仪即可对两个悬臂梁声波传感器进行同时无干扰解调，简化了系统结构。本发明方案具有远程探测和本质安全的优点。

Description

一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法
技术领域
本发明属于光纤传感和气体检测技术领域，涉及一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法。
背景技术
气体泄漏监测对于保障气站、输气管道和化工厂的安全可靠运行发挥了重要作用，这是由于易燃易爆或有毒气体的泄漏可能导致安全重大事故。
目前，可通过看、听和闻的方法进行气体泄漏检测。采用红外热像仪可“看”到泄漏，但这种被动式成像方法易受环境温度变化的影响。也可采用“听”的方法，比如文献WangX,Zhen S,Li X,et al.Non-contact gas leakage detection of tank based on low-coherence optical fiber interferometer[C]//International Conference onOptical and Photonics Engineering(icOPEN 2016).International Society forOptics and Photonics,2017,10250:102501E报道了一种基于光纤声波传感器的气体听漏传感器，通过对探测的声波信号中特征频率进行分析后，对气体泄漏情况进行初步判断，但这种传感器不能对泄漏气体浓度进行定量测量且难以探测到微小泄漏。还可采用“闻”的方法，电化学、多壁碳纳米管、红外吸收光谱和激光光谱等气体传感器通过测量气体的浓度对泄漏气体进行监测，其中，激光光谱传感器具有选择性好，灵敏度高和可远程监测等优点，是最具发展前景的气体检测传感器之一。因为红外光谱区域是部分气体分子的特征吸收光谱带，所以可以通过使用相应的激光光源来测量这些气体的浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和激光光声光谱即是利用该原理进行气体检测的最常见方法。由于激光具有窄线宽的特性，因此可以大幅减小由气体分子吸收光谱之间的重叠引起的交叉干扰。文献Wainner R T,Green B D,Allen M G,et al.Handheld,battery-powered near-IRTDLsensor for stand-off detection of gas and vapor plumes[J].Applied Physics B,2002报道了基于TDLAS的开路型气体检测仪，并已经用于开放路径环境中的气体泄漏。但是，这种检测仪的探测距离通常小于50米。文献Schoonbaert S B,Tyner D R,Johnson MR.Remote ambient methane monitoring using fiber-optically coupled opticalsensors[J].Applied Physics B,2015,119(1):133-142报道的基于TDLAS的光纤气体传感器具有低传输损耗和本质安全的优点，利用该方法设计的小型化光纤探头可用于远程气体泄漏监测。但是由于气体检测灵敏度通常与吸收路径的长度成正比，这种传感器的最小检测极限被限制在大约几十ppm。激光光声光谱具有灵敏度高，响应速度快，采样体积小的优点。文献Cao Y,Jin W,Ho H L,et al.Miniature fiber-tip photoacousticspectrometer for trace gas detection[J].Optics letters,2013,38(4):434-436、文献Gruca G,Heeck K,Rector J,et al.Demonstration of a miniature all-opticalphotoacoustic spectrometer based on ferrule-top technology[J].Optics letters,2013,38(10):1672-1674和文献Zhou S,Slaman M,Iannuzzi D.Demonstration of ahighly sensitive photoacoustic spectrometer based on a miniaturized all-optical detecting sensor[J].Optics express,2017,25(15):17541-17548先后报道了基于激光光声光谱的小型化全光学微量气体传感器，采用光纤声波传感器对产生的光声信号进行读取。由于激发光和探测光均由光纤传输，所设计的气体传感系统具有可远程测量和本质安全的优点，可用于气体泄漏监测。但是这种基于激光光声光谱的气体泄漏检测仪中用于探测光声信号的声波传感器同时对气体泄漏声音、环境噪音和振动敏感，引起较大浓度测量误差，进而造成误报警，因此难以在现场开展应用。因而，设计一种可同时测量气体泄漏声音、并能对泄漏气体浓度进行高精度定量测量的光纤遥测式多功能气体听漏仪具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法，旨在解决基于激光光声光谱的全光学气体泄漏检测仪中存在的抗环境噪声和振动干扰能力差的问题，并实现对气体泄漏声音与泄漏气体浓度的同时测量，即具备“光耳”和“光鼻”两种功能，为光纤传感技术和激光光声光谱技术在气体泄漏监测领域的应用中拓展更大的空间。
本发明的原理如下：用于气体泄漏监测的光纤探头主要包含一个微型光声腔和两个悬臂梁，激光通过光纤导入到微型光声腔，通过悬臂梁周围缝隙扩散进入到微型光声腔中的泄漏气体吸收激光后跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号，通过测量光声信号的大小反演出泄漏气体的浓度；其中一个悬臂梁用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号，采用主动降噪技术将这两个声波信号进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除，可对光声信号进行高精度测量；同时对测量的环境声波信号进行频谱特征分析，最终实现对泄漏气体声压和浓度的多功能同时测量。
本发明的技术方案：
一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，包括激光光源1、光缆2、光纤听漏探头3、宽谱光源4、光纤耦合器5、锯齿信号发生器6、加法器7、正弦信号发生器8、锁相环9、光谱仪10和工控机11；锯齿信号发生器6和正弦信号发生器8产生的信号经过加法器7产生的合成信号驱动激光光源1；激光光源1发射的激光经过光缆2中的一根光纤入射到光纤听漏探头3；宽谱光源4发射的宽谱光经光纤耦合器5分成两束光，分别入射到光纤听漏探头3；从光纤听漏探头3反射回来的干涉光再经过光纤耦合器5的另一个臂入射到光谱仪10；正弦信号发生器8的输出端与锁相环9的输入端相连，锁相环9的输出端与光谱仪10的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机11与光谱仪10相连，用于设置光谱仪10的工作参数并对光谱仪10输出的光谱信号进行采集、处理和显示。
一种光纤遥测式多功能气体听漏方法，光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，可直接探测气体泄漏产生的声波信号，并利用主动降噪技术对光声信号进行高精度测量，实现对泄漏气体声音和浓度的多功能同时测量，具备“光耳”和“光鼻”两种功能；具体步骤如下：
首先，锯齿信号发生器6和正弦信号发生器8分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器7产生的合成信号用于驱动激光光源1，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源1发射的激光经过光缆2中的一根光纤入射到光纤听漏探头3，扩散进入到光纤听漏探头3中的泄漏气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号；宽谱光源4发射的宽谱光经光纤耦合器5分成两束光分别作为光声激发光和声波信号探测光，再入射到光纤听漏探头3；光纤听漏探头3是一种双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号；从光纤听漏探头3反射回来的两束干涉光再经过光纤耦合器5的另一个臂同时入射到光谱仪10；锁相环9对正弦信号发生器8输出的正弦信号进行相位锁定并产生倍频信号，锁相环9产生的TTL触发信号对光谱仪10进行同步采样控制，实现对干涉光谱的同步采样；工控机11设置数字光谱仪10的工作参数，并通过高速通信接口读取光谱仪10测量的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-光频域变换预处理后采用快速相位解调法，实现对两个由悬臂梁与光纤端面构成的法布里-珀罗腔的腔长的同时动态测量，进而得到正比于声波振幅的悬臂梁振动信号；工控机11采用主动降噪技术将两个法布里-珀罗腔长测量值进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除；进而，工控机11将经过相减处理后的光声信号与工控机11产生的同频率参考信号进行互相关运算，实现对光声信号的锁相放大，提高光声信号检测的信噪比，根据光声信号中二次谐波分量的峰值，反演出泄漏气体的浓度；同时，工控机11对测量的环境声波信号进行频谱特征分析，识别出气体泄漏声波信号；最后，工控机11对测量结果进行显示、存储和泄漏报警。
所述的激光光源1是波长可调谐窄线宽激光光源。
所述的光缆2是一种三芯光缆，内含三根单模光纤。
所述的光纤听漏探头3包含一个微型光声腔、三个光纤端面和两个悬臂梁，其中一个光纤端面用于将激光光源1产生的激光入射到微型光声腔；另外两个光纤端面与两个悬臂梁分别构成两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪，一个用于测量环境声波信号，另一个测量环境声波和光声的叠加信号。
所述的光纤听漏探头3中包含的两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪具有两个不同的腔长，腔长差值大于100nm。
所述的宽谱光源4的光谱宽度大于20nm。
所述的光谱仪10的光谱采集速率大于1kHz，光谱测量范围大于40nm。
所述的快速相位解调法是一种快速傅里叶变换解调法，通过限定两个法布里-珀罗腔长的测量范围，实现对两个腔长的同时无干扰解调。
本发明的有益效果：采用双悬臂梁结构结合主动降噪技术，可大幅减小环境噪声和振动对光声信号测量的影响，实现对气体浓度的高灵敏度和可靠性测量，并可同时探测泄漏气体的声波信号。通过设计两个具有不同腔长的光纤非本征法布里-珀罗干涉仪，采用一个光谱仪即可对两个悬臂梁声波传感器进行同时无干扰解调，简化了系统结构。由于激光和探测光均由光纤传输，本发明方案具有远程检测和本质安全的优点。本发明为远程泄漏气体监测提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明仪器的结构示意图。
图2是光纤听漏探头的结构示意图。
图3是悬臂梁膜片的示意图。
图4是光纤白光干涉仪测量的干涉谱。
图5是光频域的干涉谱的频谱。
图6是两个悬臂梁同时测量的气体泄漏声音信号。
图7是经过主动降噪扣除后的光声信号。
图8是测量的不同浓度乙炔气体的二次谐波光声信号。
图9是测量的二次谐波光声信号峰值与乙炔气体浓度的关系。
图10是测量的模拟泄漏乙炔气体的实时浓度。
图11是在空气背景下本发明仪器测量的背景噪声。
图中：1激光光源；2光缆；3光纤听漏探头；4宽谱光源；
5光纤耦合器；6锯齿信号发生器；7加法器；
8正弦信号发生器；9锁相环；10光谱仪；11工控机；
12微型光声腔；13单模光纤；14陶瓷插针；15悬臂梁膜片；
16传感器外壳；17测量的环境声波信号；
18测量的环境声波和光声的叠加信号。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，主要包括激光光源1、光缆2、光纤听漏探头3、宽谱光源4、光纤耦合器5、锯齿信号发生器6、加法器7、正弦信号发生器8、锁相环9、光谱仪10和工控机11。
锯齿信号发生器6和正弦信号发生器8分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器7产生的合成信号对激光光源1进行波长扫描和调制；激光光源1发射的激光经过光缆2中的其中一根光纤入射到光纤听漏探头3，渗入到光纤听漏探头3中的泄漏气体吸收激光后产生光声信号；宽谱光源4发射的宽谱光经光纤耦合器5分成两束光，分别入射到光纤听漏探头3；光纤听漏探头3是一种双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号；从光纤听漏探头3反射回来的两束干涉光再经过光纤耦合器5的另一个臂同时入射到光谱仪10；锁相环9对正弦信号发生器8输出的正弦信号进行相位锁定并产生倍频信号，锁相环9产生的TTL触发信号对光谱仪10进行同步采样控制，实现对干涉光谱的同步采样；工控机11对数字光谱仪10的工作参数进行设置，并通过高速通信接口读取光谱仪10测量的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-光频域变换等预处理后采用快速相位解调法，实现对两个法布里-珀罗腔长的同时动态测量；工控机11采用主动降噪技术将两个法布里-珀罗腔长测量值进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除；进而，工控机11将经过相减处理后的光声信号与工控机11产生的同频率参考信号进行互相关运算，实现锁相放大功能，提高光声信号检测的信噪比，通过寻找光声信号中二次谐波分量的峰值，反演出泄漏气体的浓度；同时，工控机11对测量的环境声波信号进行频谱特征分析；最后，工控机11对测量结果进行显示。
其中，激光光源1是波长可调谐的窄线宽分布反馈(DFB)激光器或者垂直腔面发射激光器(VCSEL)，中心波长为1532.83nm。光纤听漏探头3具有双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个测量环境声波和光声的叠加信号。宽谱光源4是一种超辐射发光二极管(SLED)，中心波长为1550nm，光谱宽度约为60nm。光纤耦合器5的分光比为50:50。
锯齿信号发生器6产生的锯齿波信号的频率为1Hz。正弦信号发生器8产生的正弦信号的频率为120Hz。光谱仪10是一种近红外高速光纤光谱仪，最高光谱采样速率为5kHz，光谱测量范围为1510nm-1590nm。
图2是光纤听漏探头的结构示意图。光纤听漏探头3由一个微型光声腔12、三根单模光纤13、三个陶瓷插针14、悬臂梁膜片15和传感器外壳16构成。微型光声腔12的内径为2.5mm，长度为3mm。其中一个单模光纤13和陶瓷插针14用于将激光光源1产生的激光入射到微型光声腔12；另外两根单模光纤13的端面与悬臂梁膜片15上的两个悬臂梁分别构成两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪，一个用于测量环境声波信号，另一个测量环境声波和光声的叠加信号。光纤听漏探头3中包含的两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪具有两个不同的腔长，分别为331μm和162μm。
图3是悬臂梁膜片的示意图。悬臂梁膜片15的材料为不锈钢。悬臂梁膜片15上的两个悬臂梁采用激光未经技术制作，厚度为10μm，尺寸为2mm×1mm。
图4是光纤白光干涉仪测量的干涉谱。由于两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪具有两个不同的腔长，因此测量的干涉谱是两个干涉仪产生的干涉谱的叠加。采用基于快速傅里叶变换的快速相位解调法，通过限定两个法布里-珀罗腔长的测量范围，实现对两个腔长的同时无干扰解调。
图5是光频域的干涉谱的频谱。频谱中的两个峰值分别对应两个不同的法布里-珀罗腔长。
图6是模拟气体泄漏时两个悬臂梁测量的环境声波信号17和测量的环境声波和光声的叠加信号18。
图7是对测量的环境声波信号17和测量的环境声波和光声的叠加信号18进行主动降噪扣除后得到的光声信号。
图8是测量的不同浓度乙炔气体的二次谐波光声信号。将光纤听漏探头3置于模拟气室中，模拟气室中通入1000ppm的乙炔/氮气混合气体，采用锁相放大技术提取出波长调制二次谐波光声信号。
图9是测量的二次谐波光声信号峰值与乙炔气体浓度的关系。两者之间具有较好的线性关系，通过线性拟合得到响应度为1.41pm/ppm，可实现对微量泄漏气体的高灵敏度检测。
图10是测量的模拟泄漏乙炔气体的实时浓度。将光纤听漏探头3置于模拟气室中，模拟气室中先后连续通入100ppm、200ppm、400ppm、600ppm、800ppm和1000ppm的乙炔/氮气混合气体，通过调节温度和电流将激光光源1的波长锁定到1532.83nm，测量二次谐波光声信号值，再根据标定结果计算出测量的浓度。
图11是在空气背景下本发明仪器测量的背景噪声。背景噪声的一倍标准差为2.1pm，根据响应度1.41pm/ppm，计算出系统的最小检测极限为1.5ppm。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (6)

1.一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，其特征在于，所述的光纤遥测式多功能气体听漏仪器包括激光光源(1)、光缆(2)、光纤听漏探头(3)、宽谱光源(4)、光纤耦合器(5)、锯齿信号发生器(6)、加法器(7)、正弦信号发生器(8)、锁相环(9)、光谱仪(10)和工控机(11)；锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)产生的信号经过加法器(7)产生的合成信号驱动激光光源(1)；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光，分别入射到光纤听漏探头(3)；从光纤听漏探头(3)反射回来的干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂入射到光谱仪(10)；正弦信号发生器(8)的输出端与锁相环(9)的输入端相连，锁相环(9)的输出端与光谱仪(10)的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)与光谱仪(10)相连，用于设置光谱仪(10)的工作参数并对光谱仪(10)输出的光谱信号进行采集、处理和显示；
所述的光纤听漏探头(3)包含一个微型光声腔、三个光纤端面和两个悬臂梁，其中一个光纤端面用于将激光光源(1)产生的激光入射到微型光声腔；另外两个光纤端面与两个悬臂梁分别构成两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪，一个用于测量环境声波信号，另一个测量环境声波和光声的叠加信号；
所述的光纤听漏探头(3)中包含的两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪具有两个不同的腔长，腔长差值大于100nm。
2.一种光纤遥测式多功能气体听漏方法，光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，可直接探测气体泄漏产生的声波信号，并利用主动降噪技术对光声信号进行高精度测量，实现对泄漏气体声音和浓度的多功能同时测量，具备“光耳”和“光鼻”两种功能；其特征在于，步骤如下：
首先，锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器(7)产生的合成信号用于驱动激光光源(1)，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)，扩散进入到光纤听漏探头(3)中的泄漏气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光分别作为光声激发光和声波信号探测光，再入射到光纤听漏探头(3)；光纤听漏探头(3)是一种双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号；从光纤听漏探头(3)反射回来的两束干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂同时入射到光谱仪(10)；锁相环(9)对正弦信号发生器(8)输出的正弦信号进行相位锁定并产生倍频信号，锁相环(9)产生的TTL触发信号对光谱仪(10)进行同步采样控制，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)设置数字光谱仪(10)的工作参数，并通过高速通信接口读取光谱仪(10)测量的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-光频域变换预处理后采用快速相位解调法，实现对两个由悬臂梁与光纤端面构成的法布里-珀罗腔的腔长的同时动态测量，进而得到正比于声波振幅的悬臂梁振动信号；工控机(11)采用主动降噪技术将两个法布里-珀罗腔长测量值进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除；进而，工控机(11)将经过相减处理后的光声信号与工控机(11)产生的同频率参考信号进行互相关运算，实现对光声信号的锁相放大，提高光声信号检测的信噪比，根据光声信号中二次谐波分量的峰值，反演出泄漏气体的浓度；同时，工控机(11)对测量的环境声波信号进行频谱特征分析，识别出气体泄漏声波信号；最后，工控机(11)对测量结果进行显示、存储和泄漏报警。
3.根据权利要求2所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光缆(2)是一种三芯光缆，内含三根单模光纤。
4.根据权利要求2或3所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的激光光源(1)是波长可调谐窄线宽激光光源；所述的宽谱光源(4)的光谱宽度大于20nm。
5.根据权利要求2或3所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光谱仪(10)的光谱采集速率大于1kHz，光谱测量范围大于40nm。
6.根据权利要求4所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光谱仪(10)的光谱采集速率大于1kHz，光谱测量范围大于40nm。
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