CN110361342B - 一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统及方法 - Google Patents

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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry

Abstract

本发明公开了一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统及方法，系统包括依次连接的光源发生模块、波分解复用模块、N个光分路模块、N个光声池、N个光学微音器、波分复用模块、光信号接收模块以及用于各个模块之间连接的多根光纤，其中光声池用于产生光声效应。本发明将包含待测气体多个吸收峰的宽谱光源进行解波分复用，得到多路不同频率的窄带光，窄带光被分为两路，分别作为激励光源产生光声信号，光声信号经波分复用后被接收和处理，对不同中心频率下光信号的分析可以得到对应检测点的气体浓度信息，实现气体的多点多组分检测。

Description

一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统及方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统及方法。
背景技术
光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，在光声效应中，气体分子吸收特定波长的红外光而被激发到高能态，处于高能态的分子通过无辐射跃迁的形式将吸收的光能转变为热能后回到低能态，在对入射光进行频率调制，热能会呈现出与调制频率相同的周期性变化从而产生声波，通过微音器对声音信号进行检测并计算得到气体的最终浓度。
在如管廊气体检测等实际的应用中，需要对某气体浓度进行多点监测，构成一个分布式传感系统。这样不仅能够掌握气体浓度在较大范围内的分布，便于集中监控，而且还能通过对各点数据的分析，找出有害气体产生的原因从而避免损失。由于光声池结构的限制，传统的基于光声光谱的气体检测系统多为单点式探测系统。
国内外的光学气体传感系统，按其复用技术可分为波分复用技术和时分复用技术。波分复用技术是将不同波长(频率)的光信号分配给不同的监测点，在接收端通过区分光波波长(频率)来判断传感点的位置，当监测点较多时，不同点的光信号产生的谐波容易产生串扰。时分复用技术是利用监测点的检测光脉冲回到接收单元的时间不同来分辨监测点的位置，缺点在于若监测点太多则必须减小检测脉冲的脉宽，增加输出光功率，且串扰较大，监测范围小，速度慢等。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统及方法，旨在解决现有光声气体探测系统只能单点探测的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统，包括：
光源发生模块，用于产生宽谱光源；
波分解复用模块，与光源发生模块相连，用于将宽谱光源分为N路窄带光；
N个光分路模块，输入端分别与波分解复用模块的N个输出端相连，一个输出端分别与N个光声池相连，另一个输出端分别与N个光学微音器相连；
N个光声池，用于产生光声效应；
N个光学微音器，用于接收光声池产生的声音信号并将所述声音信号转化为光信号；
波分复用模块，用于整合各分路光信号，将多个光信号合为一束；
光信号接收模块，用于接收和处理光信号；
多根光纤，用于各个模块之间的连接；
其中，N为正整数。
优选地，光源发生模块为单波长或者多波长组合激光器，用于对单一组分气体或者多组分气体进行测量。
优选地，光源发生模块的宽谱光源的波长为3μm～12μm，覆盖多种气体分子的吸收光谱区。
优选地，光声池是一种侧面开孔的圆柱形光声池。
优选地，光声池为共振式光声池，共振频率范围为1KHz～1.5KHz，或者非共振式光声池，工作频率为5Hz～30Hz。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测方法，包括以下步骤：
将包含待测气体多个吸收峰的宽谱光源进行解波分复用，得到多路不同频率的窄带光；
窄带光被分为两路，分别作为激励光源产生光声信号；
光声信号经波分复用后被接收和处理，实现气体的多点多组分检测。
优选地，每一路窄带光都包含所述待测气体的一个吸收峰。
优选地，窄带光被分为两路，一路激励光声池产生声音信号，一路激励微音器将所述声音信号转化为光信号的相位变化。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的光声气体检测系统通过对不同中心频率下光信号的分析可以得到对应检测点的气体浓度信息，从而实现气体的多点多气体组分实时探测；
2、本发明提供的光声气体检测系统的结构简单，可靠性好，每个检测点的光声池和光学微音器的光源均为同一窄带光，大大减小了系统的复杂度，提高了整体的稳定性；
3、本发明提供的光声气体检测系统通过波分复用技术有效减少了各单点的系统损耗，进而减少了整体的损耗，同时有效减少了各传感点之间的串扰，灵敏度高，精确性更佳；
4、由于基于光纤网络的光学系统本身具备的易于组网且抗电磁干扰的优点，相对于传统的多点传感网络，本发明提供的系统可应用于更加恶劣的、对于探测结果要求更加严格的环境当中。
附图说明
图1是本发明提供的基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统的结构示意图；
附图标注：
1、光源发生模块，2、波分解复用模块，3、第一光纤，4、光分路模块，5、光声池，6、光学微音器，7、第二光纤，8、波分复用模块，9、光信号接收模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一方面提供了一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统，如图1所示，包括：
光源发生模块1，用于产生宽谱光源；
波分解复用模块2，与光源发生模块相连，用于将宽谱光源分为N路窄带光；
N个光分路模块4，输入端分别与波分解复用模块的N个输出端相连，一个输出端分别与N个光声池相连，另一个输出端分别与N个光学微音器相连；
N个光声池5，用于产生光声效应；
N个光学微音器6，用于接收光声池产生的声音信号并将所述声音信号转化为光信号；
波分复用模块8，用于整合各分路光信号，将多个光信号合为一束；
光信号接收模块9，用于接收和处理光信号；
第一光纤3、第二光纤7，用于各个模块之间的连接；
其中，N为正整数。
具体地，光源发生模块1为单波长或者多波长组合激光器，用于对单一组分气体或者多组分气体进行测量。
具体地，光源发生模块1的宽谱光源的波长为3μm～12μm，覆盖多种气体分子的吸收光谱区。
具体地，光声池5是一种侧面开孔的圆柱形光声池。
具体地，光声池5为共振式光声池，共振频率范围为1KHz～1.5KHz，或者非共振式光声池，工作频率为5Hz～30Hz。
本发明另一方面提供了一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测方法，包括以下步骤：
将包含待测气体多个吸收峰的宽谱光源进行解波分复用，得到多路不同频率的窄带光；
窄带光被分为两路，分别作为激励光源产生光声信号；
光声信号经波分复用后被接收和处理，实现气体的多点多组分检测。
具体地，每一路窄带光都包含所述待测气体的一个吸收峰。
具体地，窄带光被分为两路，一路激励光声池产生声音信号，一路激励微音器将所述声音信号转化为光信号的相位变化。
本发明实施例的同一宽谱光源不仅为多个检测点的微音器提供了输入光信号，同时也为多个检测点的光声池提供了输入光源，因而光学系统集成度更高，其简便度更高，精确性更好。基于光声光谱理论实现了多个检测点的气体浓度探测，符合本发明提出的建立一种实时的基于光声光谱的多点多组分气体浓度探测系统的设计理念。同时运用波分复用的技术，同时实现了高集成度和高同步性，对于实际的管廊气体和井下气体浓度的探测有着更重要的实用价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于全光网络的多点多气体光声光谱检测系统，其特征在于，包括：
光源发生模块，用于产生宽谱光源；
波分解复用模块，与所述光源发生模块相连，用于将所述宽谱光源分为N路窄带光；
N个光分路模块，输入端分别与所述波分解复用模块的N个输出端相连，一个输出端分别与N个光声池相连，另一个输出端分别与N个光学微音器相连；
N个光声池，用于产生光声效应；
N个光学微音器，用于接收所述光声池产生的声音信号并将所述声音信号转化为光信号；
波分复用模块，用于整合各分路光学微音器发出的光信号，将多个光信号合为一束；
光信号接收模块，用于接收和处理光信号；
多根光纤，用于各个模块之间的连接；
其中，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光源发生模块为单波长激光器或者多波长组合激光器，用于对单一组分气体或者多组分气体进行测量。
3.根据权利要求1或2所述的检测系统，其特征在于，所述光源发生模块的宽谱光源的波长为3μm～12μm，覆盖多种气体分子的吸收光谱区。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光声池是一种侧面开孔的圆柱形光声池。
5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述光声池为共振式光声池，共振频率范围为1KHz～1.5KHz，或者非共振式光声池，工作频率为5Hz～30Hz。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的检测系统的光声光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将包含待测气体多个吸收峰的宽谱光源进行解波分复用，得到多路不同频率的窄带光；
所述窄带光被分为两路，分别作为激励光源产生光声信号；
所述光声信号经波分复用后被接收和处理，实现气体的多点多组分检测。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多路不同频率的窄带光都包含所述待测气体的一个吸收峰。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述窄带光被分为两路，一路激励光声池产生声音信号，一路激励微音器将所述声音信号转化为光信号的相位变化。
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