CN110470605B - 一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法，所述方法包括：在待测区域的多个节点处分别收集待测气体；通过激光器产生主路激光，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；利用所述支路激光分别照射所述多个节点的待测气体，获取反映所述待测气体特征的光声电压信号；对来自所述多个节点的光声电压信号进行处理和分析，得到所述区域内待测气体的化学成分和浓度分布信息。该多节点光声气体检测方法能够将激光光源耦合成多路的支路激光光源，实现激光光源远距离多节点复用以及广阔区间内的气体浓度检测，使气体检测系统更加小型化、低成本化。

Description

一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法

技术领域

本发明属于气体无损检测技术领域，具体涉及一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法。

背景技术

光声气体传感器是一种将气体化学成分种类和含量转化成对应电信号的转换器，在污染检测、工业生产、航空航天、火灾预警和医疗诊断等诸多方面有着重要的应用价值，其中，光纤耦合模式光声气体检测法基于光学测量方法，可在不易接触的危险区域或难以到达的不利地形对气体实现非接触式在线检测，且对被测对象不产生任何破坏。光学气体检测方法具有气体样品无需复杂前处理相对背景噪声低、对环境无二次污染、优势，工农业发展的需求和人们健康环保意识的提高使得光学气体检测的发展非常迅速。

应用光纤传输光信号可极大程度地降低光信号的损耗和提高保真能力，加之近年来光纤耦合技术的发展，使得激光光源能量可传输至广阔区域内多节点，实现激光信号复用。然而，现有技术的光纤气体检测方法对光源能量的利用率较低，如何进一步提高光源能量利用率、降低节点气体传感器噪声、提高气体检测精度一直是痕量气体检测领域的研究热点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法。本发明通过以下技术方案实现高光能利用效率和高检测精度的气体光声传感器：

本发明提供了一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法，所述方法包括：

步骤1：在待测区域的多个节点处分别收集待测气体；

步骤2：通过激光器产生主路激光，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

步骤3：利用所述支路激光分别照射所述多个节点的待测气体，获取反映所述待测气体特征的光声电压信号；

步骤4：对来自所述多个节点的光声电压信号进行处理和分析，得到所述待测区域内待测气体的化学成分和浓度分布信息。

在本发明的一个实施例中，所述待测区域的每个节点处设置有第一光声谐振腔和第二光声谐振腔，并且在所述步骤1之后还包括：

将参考气体与待测气体的混合气体放置在所述第一光声谐振腔中；将参考气体放置在所述第二光声谐振腔中。

在本发明的一个实施例中，所述步骤2包括：

步骤21：通过可调谐激光器产生主路激光；

步骤22：根据所述待测气体调节所述主路激光的波长；

步骤23：将所述主路激光通过主路光纤传输至光纤耦合装置，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

步骤24：将所述支路激光分别通过支路光纤传输至相应的节点。

在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：

步骤31：控制所述支路激光交替地照射到所述第一光声谐振腔和所述第二光声谐振腔；

步骤32：在所述第一光声谐振腔处获取参考气体和待测气体的混合气体的第一光声电压信号；

步骤33：在所述第二光声谐振腔处获得参考气体的第二光声电压信号。

在本发明的一个实施例中，所述支路激光的入射光光轴与所述镜式斩波器的斩波片呈45°角。

在本发明的一个实施例中，所述第一光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈0°角；所述第二光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈90°角。

在本发明的一个实施例中，所述步骤4包括：

步骤41：采集所述第一光声电压信号和所述第一光声电压信号并进行差分处理；

步骤42：对差分处理后的光声电压信号进行滤波处理，滤除噪声信号；

步骤43：对滤波处理后的光声电压信号进行信号放大、解调处理，获得当前节点的气体检测数据；

步骤44：对比所述多个节点的气体检测数据，判定所述待测区域内所述待测气体的化学成分和浓度分布信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法能够将主路激光光源耦合成多路的支路激光光源，实现激光光源的远距离多节点复用，使气体检测方法更加简便，检测系统更加小型化和低成本化。

2、本发明多节点光声气体检测方法通过镜式斩波器对光声谐振腔入射光进行时域反向调制，避免了对入射光的分束，提高了光能利用率。

3、本发明的多节点光声气体检测方法在每个节点处使用两个完全相同的光声谐振腔，减少了背景噪声和其他杂质气体对所检测气体吸收信息的干扰，提高了系统信噪比和检测精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种分布式传感模块的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光声谐振腔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法的流程图。本实施例的多节点光声气体检测方法包括：

步骤1：在待测区域的多个节点处分别收集待测气体；

在本实施例中，所述待测区域的每个节点处设置有第一光声谐振腔和第二光声谐振腔，在步骤1之后还包括：

将参考气体与待测气体的混合气体放置在所述第一光声谐振腔中；将参考气体放置在所述第二光声谐振腔中。

步骤2：通过激光器产生主路激光，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

步骤3：利用所述支路激光分别照射所述多个节点的待测气体，获取反映所述待测气体特征的光声电压信号；

步骤4：对来自所述多个节点的光声电压信号进行处理和分析，得到所述待测区域内待测气体的化学成分和浓度分布信息。

进一步地，步骤2包括：

步骤21：通过可调谐激光器产生主路激光；

步骤22：根据待测气体的吸收特性调节所述主路激光的波长；

具体地，可以通过连接至可调谐激光器的调制信号产生单元产生调节所述可调谐激光器所需的温度和电压信号，以实现对可调谐激光器的输出波长和输出光能量的调节。

步骤23：将所述主路激光通过主路光纤传输至光纤耦合装置，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

具体地，所述主路光纤的第一端连接至可调谐激光器，第二端连接至光纤耦合装置的输入端，将主路激光传输至光纤耦合装置，光纤耦合装置的输出端连接多个支路光纤，从而将主路激光分配成多路支路激光。在实际应用中，可以根据待测区域节点的数量调整支路光纤的数量。

步骤24：将所述多路支路激光分别通过多路支路光纤传输至相应的节点。

进一步地，步骤3包括：

步骤31：控制所述支路激光交替地照射到所述第一光声谐振腔和所述第二光声谐振腔；

步骤32：在所述第一光声谐振腔处获取参考气体和待测气体的混合气体的第一光声电压信号；

步骤33：在所述第二光声谐振腔处获得参考气体的第二光声电压信号。

进一步地，所述待测区域的每个节点处还设置有镜式斩波器，所述镜式斩波器包括一面镀有高反膜的斩波片。具体地，所述支路激光的入射光光轴与所述镜式斩波器的斩波片呈45°角；所述斩波片上包括沿圆周方向交替分布的刻槽区域和高反区域，因此，当斩波片转动时，支路激光的入射光能够沿着45°角的方向交替照射到刻槽区域和高反区域上。所述刻槽区域能够使入射光透射；所述高反区域不能够透射入射光，但能够使入射光在高反区域反射。当入射光照射到所述斩波片的刻槽区域时，入射光透过刻槽区域照射到所述第一光声谐振腔上；当入射光照射到所述斩波片的高反区域时，入射光被反射至所述第二光声谐振腔上。

进一步地，所述第一光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈0°角；所述第二光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈90°角。

在本实施例中，所述第一光声谐振腔可以被成为样品池，所述第二光声谐振腔可以被成为参考池。样品池和参考池可为性能相同的任意类型光声谐振腔，例如Helmholtz型、T型、缓冲型、多次反射型光声谐振腔等。

进一步地，步骤4包括：

步骤41：将所述第一光声电压信号和所述第一光声电压信号进行差分处理；

步骤42：对差分处理后的光声电压信号进行滤波处理，滤除其他波段噪声信号；

步骤43：对滤波处理后的光声电压信号进行信号放大、解调处理，获得当前节点的气体检测数据；

步骤44：对比所述多个节点的气体检测数据，判定所述待测区域内所述待测气体的化学成分和浓度变化趋势。

本发明基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法能够将主路激光光源耦合成多路的支路激光光源，实现激光光源的远距离多节点复用，使气体检测方法更加简便，检测系统更加小型化和低成本化；另外，本发明多节点光声气体检测方法通过镜式斩波器对光声谐振腔入射光进行时域反向调制，避免了对入射光的分束，提高了光能利用率。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施具体描述了能够实现本发明多节点光声气体检测方法的一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器的示意图。该分布式光纤气体传感器包括可调谐激光器1、调制信号产生单元2、光纤耦合模块3、分布式传感模块4、中央处理单元5和控制终端6。可调谐激光器1的波长范围可覆盖多种需检测气体的吸收特征峰，其输入端连接调制信号产生单元2的输出端，其输出端连接光纤耦合模块3的输入端，调制信号产生单元2能够产生调节可调谐激光器1所需的电流和温度信号，以实现对可调谐激光器1的输出波长和输出光能量的调节；光纤耦合模块3可将来自可调谐激光器1的第一激光能量按照设定的比例分配成多路第二激光能量，实现激光能量的调控和复用。分布式传感模块4的输入端连接光纤耦合模块3的输出端，其输出端连接中央处理单元5的输入端，用于将所述第二激光能量转换成反映待测气体特征信息的光声信号，并可实现所述光声信号的共振增强、采集储存和处理传输。控制终端6的输入端连接中央处理单元5的输出端，其输出端连接调制信号产生单元2的输入端。控制终端6用于控制中央处理单元5从所述分布式传感模块4中采集光声信号，同时控制调制信号产生单元2产生调节可调谐激光器1波长的电流和温度信号。中央处理单元5接收分布式传感模块4所采集的光声信号，并进行数据分析和处理，通过对比所采集的数据，判定该气体采集区域内目标气体化学成分和浓度变化趋势。

进一步地，光纤耦合模块3包括主路光纤31、光纤耦合器32和多个支路光纤33。主路光纤31的输入端连接可调谐激光器1的输出端，其输出端连接光纤耦合器32的输入端。所述多个支路光纤33的输入端均连接光纤耦合器32的输出端，其输出端均连接分布式传感模块4的输入端。光纤耦合模块3可将主路光纤31中的激光能量按照设定的比例分配至多个支路光纤33，实现激光光源能量的调控和复用，通过调节光纤耦合器32出口的支路光纤33的数量和每一支路光能量比例来实现激光多次利用，提高激光能量的效率。

进一步地，分布式传感模块4包括与所述多个支路光纤33数量相同的多个分布式传感子模块40，每个所述分布式传感子模块40连接对应的一个所述支路光纤33。例如，在本实施例中，光纤耦合模块3中包括4个支路光纤33，对应地，分布式传感模块4中包括分别与每个支路光纤33连接的4个分布式传感子模块40。通过多个分布式传感子模块40的设计，可以实现大范围区域内多种气体的多点分布式检测。

继续参见图2，每个分布式传感子模块40均包括差分检测单元41和节点信号处理单元42。差分检测单元41的输入端连接支路光纤33的输出端，其输出端连接节点信号处理单元42；节点信号处理单元42的输出端连接中央处理单元5的输入端。差分检测单元41用于对来自支路光纤33的光学信号进行时域反向调制，并生成反应检测气体信息的光声电压信号，节点信号处理单元42用于对所产生的光声信号进行混合、解调、收集、储存和传输。

请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种分布式传感模块的示意图，其中，虚线箭头表示光的传播方向。如图所示，差分检测单元41包括样品池411、参考池412和镜式斩波器413。在本实施例中，镜式斩波器413的斩波片为一面镀有高反膜的全反射片。如图3的虚线箭头所示，支路光纤33的入射光光轴与镜式斩波器413的斩波片呈45°角，并且，入射光能够通过镜式斩波器413的转动而交替地照射到样品池411或参考池412上。具体地，样品池411和参考池412均为光声谐振腔，且结构相同。样品池411中放置背景气体和目标气体的混合物，参考池412中只放置背景气体，这里使用相同的光声谐振腔有利于减小背景杂质气体和环境噪声对实验系统的干扰。样品池411和参考池412分别位于镜式斩波器413的两侧，如图3可知，样品池411与支路光纤33的入射光光轴光轴呈0°角；参考池412与支路光纤33的入射光光轴呈90°角。在使用时，来自支路光纤33的入射光照射在镜式斩波器413上，镜式斩波器413以光声谐振腔共振频率转动，当入射光照射到镜式斩波器413上的刻槽区域时，入射光透过所述透光区域照射到样品池411上，并在样品池411处获取背景气体和目标气体混合物的光声电压信号；当入射光照射到镜式斩波器413上的波片高反区域时，入射光被反射，照射至参考池412，并在参考池412处获取背景气体的光声电压信号，这种轮流照射样品池411和参考池412的设计避免了对入射光的分束处理，实现了入射光时域差分，最大程度地提高了入射光的利用率。另外，当环境中背景杂质气体和系统所需检测的目标气体吸收峰相互重叠且杂质气体的吸收强度高于目标气体时，该差分检测模式可消除杂质气体强烈干扰，提取痕量目标气体的有效吸收信息，增强了气体传感器环境适应性。

进一步地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种光声谐振腔的结构示意图。如图所示，本实施例的光声谐振腔由依次连接的吸收腔4111、缓冲腔4112和共振腔4113构成。吸收腔4111主要负责对照射至光声谐振腔的入射光进行吸收，其截面大小可根据入射光光斑大小等特性改变。该光声谐振腔的共振频率主要由共振腔4113决定，入射光在共振腔4113处产生的声波将在共振腔4113的开口处附近被反射而形成声驻波。共振腔4113与入射光路垂直，其长度不受水平面的狭窄空间的影响，故可在有限的空间中实现低频率共振。缓冲腔4112位于吸收腔4111与共振腔4113之间，主要负责吸收腔4111与共振腔4113的连接和开端误差校正，并使整个光声谐振腔具有调节简单、拆卸和清洗容易的优势。

此外，样品池411、参考池412和镜式斩波器413的信号输出端均连接节点信号处理单元42，分别将样品池411和参考池412产生的电信号以及镜式斩波器413参考信号传输至节点信号处理单元42。

具体地，在检测之前，将待测气体和背景气体的混合物充入样品池411，将背景气体充入参考池412，待测气体吸收入射光发生光声效应，温度升高形成局部热源，向周围扩散形成声波，产生的声波经光声谐振腔共振放大后，由声信号探测器接收转换为电压信号输出至节点信号处理单元42。

进一步地，继续参见图3，本实施例的节点信号处理单元42包括依次连接的信号混合子单元421、滤波放大子单元422、信号解调子单元423、信号储存子单元424和信号传输子单元425，其中，信号混合子单元421的输入端分别连接样品池411和参考池412的信号输出端；信号传输子单元425的输出端连接中央处理单元5的输入端。此外，镜式斩波器413的参考信号终端连接信号调节单元423的输入端。

具体地，样品池411和参考池412中的气体吸收入射光产生的光声压电信号输入信号混合子单元421中进行差分处理后，随后由滤波放大子单元422接收、滤除其他波段噪声信号并放大。镜式斩波器413的参考信号终端连接信号解调子单元423的输入端，以镜式斩波器413的调制信号，即光声谐振腔的共振频率作为外部输入参考信号，在信号解调子单元423中对光声电压信号作互解调处理，随后储存于信号储存子单元424中。当控制终端6发出指令后，该光声压电信号由信号传输子单元425传输至中央处理单元5，中央处理器5进行数据分析和处理，通过对比所检测区域内各个节点的数据，判定该区域内目标气体化学成分和浓度变化趋势。

本实施例的基于差分模式的光声分布式光纤气体传感器通过镜式斩波器对光声池入射光进行时域反向调制，避免了对入射光的分束，最大限度地提高了光能利用率。另外，本实施例的分布式光纤气体传感器使用两个完全一致的光声谐振腔，减少了背景噪声和其他杂质气体对所检测气体吸收信息的干扰，提高了系统信噪比和检测精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光纤耦合模式的多节点光声气体检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：在待测区域的多个节点处分别收集待测气体；

步骤2：通过激光器产生主路激光，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

进一步地，所述步骤2包括：

步骤21：通过可调谐激光器产生主路激光；

步骤22：根据所述待测气体调节所述主路激光的波长；

步骤23：将所述主路激光通过主路光纤传输至光纤耦合装置，并将所述主路激光耦合成多路支路激光；

步骤24：将所述支路激光分别通过支路光纤传输至相应的节点；

步骤3：利用所述支路激光分别照射所述多个节点的待测气体，通过分布式传感模块获取反映所述待测气体特征的光声电压信号；

步骤4：利用中央处理单元对来自所述多个节点的光声电压信号进行处理和分析，得到所述待测区域内待测气体的化学成分和浓度分布信息；

所述分布式传感模块包括与所述多个支路光纤数量相同的多个分布式传感子模块；每个分布式传感子模块均包括差分检测单元和节点信号处理单元，其中，所述差分检测单元的输入端连接所述支路光纤的输出端，其输出端连接所述节点信号处理单元；所述节点信号处理单元的输出端连接所述中央处理单元的输入端，所述差分检测单元用于对来自所述支路光纤的光学信号进行时域反向调制，并生成反应检测气体信息的光声电压信号，所述节点信号处理单元用于对所产生的光声信号进行混合、解调、收集、储存和传输；

所述差分检测单元包括样品池、参考池和镜式斩波器，所述支路光纤的入射光光轴与所述镜式斩波器的斩波片呈45°角，并且，入射光能够通过所述镜式斩波器的转动而交替地照射到所述样品池或所述参考池上，所述样品池和所述参考池均为光声谐振腔，且结构相同；

所述待测区域的每个节点处设置有第一光声谐振腔和第二光声谐振腔，并且在所述步骤1之后还包括：

将参考气体与待测气体的混合气体放置在所述第一光声谐振腔中；将参考气体放置在所述第二光声谐振腔中；

所述步骤3包括：

步骤31：控制所述支路激光交替地照射到所述第一光声谐振腔和所述第二光声谐振腔；

步骤32：在所述第一光声谐振腔处获取参考气体和待测气体的混合气体的第一光声电压信号；

步骤33：在所述第二光声谐振腔处获得参考气体的第二光声电压信号；

所述步骤4包括：

步骤41：采集所述第一光声电压信号和所述第二光声电压信号并进行差分处理；

步骤42：对差分处理后的光声电压信号进行滤波处理，滤除噪声信号；

步骤43：对滤波处理后的光声电压信号进行信号放大、解调处理，获得当前节点的气体检测数据；

步骤44：对比所述多个节点的气体检测数据，判定所述待测区域内所述待测气体的化学成分和浓度分布信息。

2.根据权利要求1所述的多节点光声气体检测方法，其特征在于，所述支路激光的入射光光轴与所述镜式斩波器的斩波片呈45°角。

3.根据权利要求2所述的多节点光声气体检测方法，其特征在于，

所述第一光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈0°角；

所述第二光声谐振腔与所述支路激光的入射光光轴呈90°角。

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