CN110470630A - 一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器，包括可调谐激光器、调制信号产生单元、光纤耦合模块、分布式传感模块、中央处理模块和控制终端，其中，调谐激光器用于产生主路激光能量，调制信号产生模块用于调节可调谐激光器的波长；光纤耦合模块连接分布式传感模块，用于将主路激光能量耦合至多路支路光纤；分布式传感模块用于将支路激光能量转换成反映待测气体信息的光声信号；中央处理模块用于接收和处理光声信号；控制终端用于控制中央处理模块和调制信号产生单元。本发明的分布式光纤气体传感器通过光纤耦合模块将单一光源能量传输至多个分布式传感模块，实现了光能量多次复用以及广阔区间内的气体浓度检测。

Description

一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器

技术领域

本发明属于气体无损检测技术领域，具体涉及一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器。

背景技术

气体传感器是一种将气体某种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，光纤气体传感器基于光学测量方法，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。光纤气体检测方法具有气体样品无需复杂前处理、测量过程较为简单、背景噪声低、无损无污染等优势，工农业发展的需求和人们健康环保意识的提高使得光纤气体传感器的发展非常迅速。

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点，实现激光信号复用。然而，现有技术的光纤气体传感器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一直是光纤气体传感器研究的热点。

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差分模式的分布式光纤气体传感器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器，包括可调谐激光器、调制信号产生模块、光纤耦合模块、分布式传感模块、中央处理模块和控制终端，其中，

所述调谐激光器，连接所述光纤耦合模块，用于产生主路激光能量；

所述调制信号产生模块，连接所述调谐激光器和所述控制终端，用于根据所述控制终端的控制信号产生调节所述可调谐激光器波长的电流和温度信号；

所述光纤耦合模块，连接所述分布式传感模块，用于将所述主路激光能量耦合至多路支路光纤；

所述分布式传感模块，连接所述中央处理模块，用于将所述支路激光能量转换成反映待测气体信息的光声电压信号；

所述中央处理模块，连接所述控制终端，用于接收所述光声信号，并对所述光声电压信号进行处理。

所述控制终端用于控制所述中央处理模块从所述分布式传感模块中采集所述光声电压信号。

在本发明的一个实施例中，所述光纤耦合模块包括主路光纤、光纤耦合器和多个支路光纤，其中，

所述主路光纤的输入端连接所述可调谐激光器的输出端，所述主路光纤的输出端连接所述光纤耦合器的输入端；

所述多个支路光纤的输入端均连接所述光纤耦合器的输出端，所述多个支路光纤的输出端均连接所述分布式传感模块的输入端。

在本发明的一个实施例中，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，其中，

每个所述分布式传感子模块对应地连接一个所述支路光纤。

在本发明的一个实施例中，所述分布式传感子模块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对应的一个所述支路光纤连接的输出端，所述差分检测单元的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。

在本发明的一个实施例中，所述差分检测单元包括样品池、参考池和镜式斩波器，其中，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在一个周期内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的信号输出端以及所述镜式斩波器的参考信号输出端均连接所述节点信号处理单元。

在本发明的一个实施例中，所述样品池和所述参考池垂直分布于所述斩波片的两侧；

所述样品池与所述支路光纤的入射光光轴呈0°角；

所述参考池与所述支路光纤的入射光光轴呈90°角。

在本发明的一个实施例中，所述样品池和所述参考池均为光声谐振腔。

在本发明的一个实施例中，所述节点信号处理单元包括依次连接的信号混合子单元、滤波放大子单元、信号解调子单元、信号储存子单元和信号传输子单元，其中，

所述信号混合子单元的输入端分别连接所述样品池的信号输出端和所述参考池的信号输出端；

所述信号传输子单元的输出端连接所述中央处理单元的输入端。

在本发明的一个实施例中，所述镜式斩波器的信号输出端连接所述信号解调子单元的输入端。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于差分模式的分布式光纤气体传感器通过可调谐激光器和光纤耦合模块，可实现激光光源远距离多点复用，降低光纤气体传感装置的成本，使检测系统更易于小型化。

2、本发明基于差分模式的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，提高了光能利用率。

3、本发明的分布式光纤气体传感器在分布式传感模块中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基于差分模式的分布式光纤气体传感器的示意图；

图2是本发明实施例提供的另一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基于差分模式的分布式光纤气体传感器的示意图。本实施例的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的波长和输出能量的调节；光纤耦合模块3可将来自可调谐激光器1的主路激光能量按照设定的比例分配成多路支路激光能量，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，用于将所述支路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信息及变化趋势。

进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一基于差分模式的分布式光纤气体传感器的示意图。如图所示，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，如图3所示，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。

进一步地，请继续参见图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。

本发明基于差分模式的分布式光纤气体传感器通过单一可调谐激光光源和光纤耦合模块，可实现光源远距离多点复用，极大程度地降低了光谱气体传感装置的成本，使检测系统更易于小型化。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例对分布式传感模块中的差分检测单元和节点信号处理单元的结构进行详细描述。

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。

值得注意的是，根据实际情况需求，样品池411和参考池412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。

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信息及的变化趋势。

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 (9)

1.一种基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、调制信号产生模块(2)、光纤耦合模块(3)、分布式传感模块(4)、中央处理模块(5)和控制终端(6)，其中，

所述调谐激光器(1)，连接所述光纤耦合模块(3)，用于产生主路激光能量；

所述调制信号产生模块(2)，连接所述调谐激光器(1)和所述控制终端(6)，用于根据所述控制终端(6)的控制信号产生调节所述可调谐激光器(1)波长的电流和温度信号；

所述光纤耦合模块(3)，连接所述分布式传感模块(4)，用于将所述主路激光能量耦合为多路支路激光能量；

所述分布式传感模块(4)，连接所述中央处理模块(5)，用于将所述支路激光能量转换成反映待测气体信息的光声电压信号；

所述中央处理模块(5)，连接所述控制终端(6)，用于接收所述光声信号，并对所述光声电压信号进行处理。

所述控制终端(6)用于控制所述中央处理模块(5)从所述分布式传感模块(4)中采集所述光声电压信号。

2.根据权利要求1所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述光纤耦合模块(3)包括主路光纤(31)、光纤耦合器(32)和多个支路光纤(33)，其中，

所述主路光纤(31)的输入端连接所述可调谐激光器(1)的输出端，所述主路光纤(31)的输出端连接所述光纤耦合器(32)的输入端；

所述多个支路光纤(33)的输入端均连接所述光纤耦合器(32)的输出端，所述多个支路光纤(33)的输出端均连接所述分布式传感模块(4)的输入端。

3.根据权利要求2所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述分布式传感模块(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)，其中，

每个所述分布式传感子模块(40)对应地连接一个所述支路光纤(33)。

4.根据权利要求3所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述分布式传感子模块(40)包括差分检测单元(41)和节点信号处理单元(42)，其中，

所述差分检测单元(41)的输入端连接对应的一个所述支路光纤(33)连接的输出端，所述差分检测单元(41)的输出端连接所述节点信号处理单元(42)；

所述节点信号处理单元(42)的输出端连接所述中央处理单元(5)的输入端。

5.根据权利要求4所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述差分检测单元(41)包括样品池(411)、参考池(412)和镜式斩波器(413)，其中，所述支路光纤(33)的入射光光轴与所述镜式斩波器(413)的斩波片呈45°角，并且入射光能够通过所述镜式斩波器(413)的转动在一个周期内交替地照射到所述样品池(411)或所述参考池(412)；

所述样品池(411)和所述参考池(412)的信号输出端以及所述镜式斩波器(413)的参考信号输出端均连接所述节点信号处理单元(42)。

6.根据权利要求5所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，

所述样品池(411)和所述参考池(412)垂直分布于所述斩波片的两侧；

所述样品池(411)与所述支路光纤(33)的入射光光轴呈0°角；

所述参考池(412)与所述支路光纤(33)的入射光光轴呈90°角。

7.根据权利要求6所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，

所述样品池(411)和所述参考池(412)均为光声谐振腔。

8.根据权利要求7所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述节点信号处理单元(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，

所述信号混合子单元(421)的输入端分别连接所述样品池(411)的信号输出端和所述参考池(412)的信号输出端；

所述信号传输子单元(425)的输出端连接所述中央处理单元(5)的输入端。

9.根据权利要求8所述的基于差分模式的分布式光纤气体传感器，其特征在于，所述镜式斩波器(413)的信号输出端连接所述信号解调子单元(423)的输入端。