CN112161931A - 一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 - Google Patents
一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112161931A CN112161931A CN202010918253.2A CN202010918253A CN112161931A CN 112161931 A CN112161931 A CN 112161931A CN 202010918253 A CN202010918253 A CN 202010918253A CN 112161931 A CN112161931 A CN 112161931A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photoacoustic
- optical fiber
- cavity
- elastic tube
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 62
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 40
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 13
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 238000005562 fading Methods 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 2
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 claims description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 description 1
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001834 photoacoustic spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/02—Analysing fluids
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- 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
- 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/021—Gases
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明属于光纤气体检测技术领域，提供了一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法。本发明采用迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感单元，空芯弹性管作为声换能器，弹性管内放置一段与其等长的铜管，铜管腔作为光声腔，实现光声信号激发和探测的一体化，对光声信号进行数据处理得到气体浓度。本发明采用空芯弹性管作为声换能器，避免了薄膜声换能器引起的噪声敏感、稳定性差的缺点；管内放置和弹性管等长的铜管，使得声波传感器和光声池的共振频率接近，可以显著提高光声信号检测的灵敏度和信噪比。此外，铜管光声腔的使用减小气室体积、促进热交换。本发明在灵敏度、信噪比高，稳定性好，为光纤光声气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
Description
技术领域
本发明属于光纤气体检测技术领域，涉及一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法。
背景技术
光纤光声微量气体检测技术具有抗电磁干扰、本质安全、灵敏度高和响应速度快的优势，因此在微量气体检测领域占有越来越大的比重。在变压器油中溶解气体分析、煤矿瓦斯气体监测以及石化厂区安全监测等领域扮演重要角色。
激光光声光谱是间接吸收光谱中一种典型技术。使用频率为f正弦波调制激光器的输出，并且使用锯齿波控制激光器使其输出光扫描气体的吸收谱线。气体分子会吸收特定波长的光能激发到高能级，并通过无辐射跃迁过程回到低能级。在这个过程中被吸收的光能主要转化成热能，引起气体的周期性膨胀收缩，其频率与正弦调制频率f相同。使用微音器采集二倍频(2f)信号，即二次谐波信号。在气体浓度低的情况下，二次谐波幅值与气体浓度成正比。基于光纤声波传感的光声气体检测装置多采用基于光的干涉结构的微音器，将光声信号转换成光信号，通过后续的信号处理反演出气体浓度。文献High-sensitivityfiber-optic acoustic sensor for photoacoustic spectroscopy based traces gasdetection.Sensors and Actuators B:Chemical,2017,247:290-295提出了一种基于光纤法布里-珀罗(FP)干涉声传感器的光声气体检测系统。为了追求高灵敏度，该系统采用了厚度只有500nm的银膜作为声换能器。然而，过薄的膜片对气体分子布朗运动引起的噪声较敏感，限制了该系统信噪比的提升。同时，过薄的膜片对系统的稳定性也是挑战。文献Lock-inwhite-light-interferometry-based all-optical photoacousticspectrometer.Optics Letters,2018,43(20):5038-5041提出了悬臂梁增强型光纤FP声波传感器，其声学换能器是一片厚度5μm的门型结构不锈钢，结合共振式光声池实现了对气体的高灵敏检测。然而，常采用的共振式光声池采气量大，通常超过500mL。因此，设计一种抗电磁干扰、高灵敏度和采气量小的光纤光声气体检测系统有重大的应用意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法，旨在解决目前光纤光声光谱气体检测方案中基于膜片声换能器的系统其灵敏度、信噪比提升困难的难题，同时该系统具有较小的采气量，为光纤光声气体检测技术的应用提供了一种新的思路。
本发明的技术方案：
一种高灵敏度光纤光声气体检测系统，包括计算机101、信号处理电路102、数字信号发生器103、加法器104、分布反馈式激光器105、光纤准直器106、1#平面反射镜107、2#平面反射镜108、光声腔109、空芯弹性管110、传感光纤111、放大自发辐射光源112、光纤隔离器113、2×2光纤耦合器114、参考光纤115、1#法拉第旋转镜116、2#法拉第旋转镜117和红外光谱仪118；
所述计算机101发出指令控制信号处理电路102和数字信号发生器103输出信号；信号处理电路102和数字信号发生器103的输出信号通过加法器104后控制分布反馈式激光器105输出光；分布反馈式激光器105输出光经过光纤准直器106进入光声腔109；光声腔109两端分别安装1#平面反射镜107和2#平面反射镜108；光声腔109置于空芯弹性管110内，空芯弹性管110上固定传感光纤111；放大自发辐射光源112输出光经过光纤隔离器113后被2×2光纤耦合器114平均分成两路，一路经过参考光纤115和2#法拉第旋转镜117返回，另一路经过传感光纤111和1#法拉第旋转镜116返回，两束光发生干涉；返回光经过2×2光纤耦合器114亦被分成两路，其中一路被光纤隔离器113阻隔，另一路被红外光谱仪118采集，光谱采集速率被信号处理电路102控制，采集的数字信号被发送到计算机101进行后续处理。
所述空芯弹性管110为厚度小于1mm、半径大于15mm的空芯圆柱壳，管材料为杨氏模量低于5GPa的有机材料，该参数下的空芯弹性管对微弱声音信号有较高的响应灵敏度。
所述光声腔109为导热系数大于200W/m·K的金属圆柱管的内腔。金属管和弹性管的长度相同，外径略小于弹性管110的内径，二者之间存在一定缝隙。将金属圆柱管置于弹性管内，金属管和弹性管间的缝隙保证弹性管的自由振动。金属管的作用一方面是促进热交换，有利于光声效应的产生；一方面金属管内腔(光声腔)的直径小于5mm，大幅度缩小气室体积。
所述法拉第旋转镜116、117用于减弱光纤长距离传输引起的偏振衰落的影响。
所述ASE光源112在1525-1565nm(C波段)输出光较平坦。
所述光纤耦合器114为2×2的X型四端口耦合器，分光比为50:50，用于将ASE光源112输出的信号光平均分成两路。
所述的平面反射镜107、108具有高反射率，用于增加光路长度，提高气体吸收程。
所述信号处理电路102的包括提供激光器正弦调制信号、控制红外光谱仪光谱采样速率以及提供锁相控制单元。
一种高灵敏度光纤光声气体检测方法，采用基于迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感器采集光声信号。利用空芯弹性管对微弱信号响应而产生的形变带动传感光纤长度发生变化。因此，经过传感光纤与参考光纤的两路光的光程差变化。通过干涉信号的变化反演可以得到光声信号的强度，进而计算出气体浓度。具体步骤如下：
首先，放大自发辐射光源112输出光经过2×2光纤耦合器114平均分为两路光，其中一路光经过参考光纤115后被2#法拉第旋转镜117反射后返回，另一路光经过传感光纤111后被1#法拉第旋转镜116反射后返回，法拉第旋转镜用于减弱光纤长距离传输引起的偏振衰落的影响，两束光存在初始光程差，干涉光谱被红外光谱仪118采集，采集到的干涉光谱被计算机101处理后得到初始光程差的值；然后，计算机101控制信号处理电路102输出正弦波和数字信号发生器103输出锯齿波，正弦波和锯齿波通过加法器104相加控制分布反馈式激光器(105)，使其输出波长扫描光；波长扫描光通过光纤准直器106进入光声腔109，光声腔109两端安装1#平面反射镜107和2#平面反射镜108增加光程，光声腔109内的气体分子吸收光能产生周期性光声压力波，引起空芯弹性管110形变，固定在空芯弹性管110上的传感光纤111因此产生周期性长度变化，引起干涉信号周期性变化，并被红外光谱仪118采集，采集到的数字信号经过计算机101处理，得到实时光程差变化值，进而得到此时的光声信号强度；因为光声信号强度与气体浓度呈正比，所以可以得到此时气体浓度。
本发明的原理如下：本发明提出一种基于空芯弹性管声换能器的光纤光声气体传感系统，通过基于迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感器采集光声信号。传感光纤和参考光纤存在一个初始的长度差，因此通过这两段光纤的光存在初始光程差。当被调制的激光照射光声腔内的气体时，气体吸收光能跃迁到高能级，返回到低能级的过程中释放热量。气体受热膨胀，产生周期性光声压力波。其周期与激光器的调制频率相同，强度与气体浓度成正比。通过提取光声信号产生的二倍频信号，可以反演气体的浓度。
对于圆柱形共振光声池，当其工作在一阶纵向共振模式下时，光声池常数F可以表示为：
其中，Q100为一阶纵向共振模式下声共振品质因数，γ为气体的热容比，Lc为光声腔的长度，Rc为光声腔的半径，ω为频率。因此，光声信号的强度与光声腔半径的二次方呈反比，与光声腔的长度呈正比。因此为了提高光声信号的强度，光声池的半径要减小，长度会增大。但是，半径过小会使光照射在光声池池壁上引起干扰，长度增加会增大采气量，因此在光声池的设计方面要综合考虑半径和长度的选取。
本发明采用光谱方法采集和处理光信号，确定光程差l方式是在光频域寻峰。对于真实的频谱，由于数据点是离散的，因此峰值位置处实际上会落在两个相邻的数据点之间，这将会给相位测量带来额外的复杂性。在本发明中的光程差计算方法可以直接从非零填充数据中计算峰值的相位。通过与Buneman频率估计结合，可以使用单个非零填充FFT以及一些算术和三角计算来完成完整的两步式腔长反演。
光程差l与峰值位置的索引号np的关系式为：
峰值指数np的真实值可以表示为：
其中
是初始相位，
是索引号为n时的相位。
是
的舍入值，可以通过Buneman估计得到。通过式(2)与式(3)可以得到绝对光程差l。从式(3)可以看出，当光谱宽度k1-k0变大时，所得光程差分辨率提升，因此本发明使用ASE宽谱光源。
本发明的有益效果：采用空芯弹性管作为声换能器代替膜片，避免了膜片过薄引起的稳定性差、对噪声敏感等问题。利用铜管结构减小气室体积，同时铜管结构能够增加热传导，有利于光声信号的激发。本发明提供了一种光声信号激发与检测一体化的结构，由于光声腔和空芯弹性管的长度相同，因此光声池的共振频率和声波传感器的共振频率接近，因而在检测微弱光声信号时具有超高灵敏度和信噪比。本发明为本质安全和超高灵敏度的光声气体检测技术提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明的系统结构剖面示意图。
图中：101计算机；102信号处理电路；103数字信号发生器；104加法器；105DFB激光器；106光纤准直器；1071#平面反射镜；1082#平面反射镜；109光声腔；110空芯弹性管；111传感光纤；112ASE光源；113光纤隔离器；114 2×2光纤耦合器；115参考光纤；1161#法拉第旋转镜；1172#法拉第旋转镜；118光谱仪。
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。
一种基于空芯弹性管的光纤光声气体传感系统，包括计算机101、信号处理电路102、数字信号发生器103、加法器104、DFB激光器105、光纤准直器106、1#平面反射镜107、2#平面反射镜108、光声腔109、空芯弹性管110、单模传感光纤111、ASE光源112、光纤隔离器113、2×2光纤耦合器114、参考光纤115、1#法拉第旋转镜116、2#法拉第旋转镜117、光谱仪118。计算机101控制信号处理电路102输出正弦调制信号，同时控制数字信号发生器103输出锯齿波信号，两种信号经过加法器104之后控制DFB激光器及其驱动电路105输出波长调制激光，调制光经过光纤准直器106进入光声腔109内，光声腔109的两端安装两个高反射率平面反射镜107、108来增加光程。光声腔内气体分子吸收光能产生周期性光声信号，由光声腔中心开孔导出与空芯弹性管110接触，引起空芯弹性管110形变，因此固定在空芯弹性管110表面的传感光纤111产生周期性长度变化。ASE光源112输出光经过2×2光纤耦合器114后平均分成两路光，一路光经过参考光纤115和法拉第旋转镜2#117后返回，一路光经过传感光纤111和1#法拉第旋转镜116后返回。由于光声信号引起传感光纤111长度变化，因此两路分别经过传感光纤111和参考光纤115的光的光程差产生周期性变化，因此干涉光谱同步产生周期性变化。返回光经过2×2光纤耦合器后亦被分成两路，其中一路被光纤隔离器113阻断以避免返回光对ASE光源112的损伤，另一路被红外光谱仪118采集，光谱采样速率由信号处理电路102控制。通过计算机101进行后续数据处理与分析得到此时光声信号强度。因为光声信号强度与气体浓度成正比，所以可以进一步反演得到气体浓度值。
其中，本实验所用光纤均为G652单模石英光纤，主要用于光的传输。黄铜管的内腔构成光声腔109，起到减小气室体积、促进热交换的作用。黄铜管外直径为17mm，内腔(光声腔)长度为100mm，直径为4mm。光声腔的轴心位置有对称分布的4个直径为1.5mm的通孔，用于将光声信号导出与空芯弹性管110接触。空芯弹性管110材料为聚氯乙烯(PVC)，管的长度为100mm，厚度0.45mm，外直径18mm。激光器105为中心波长1653.7nm的分布式反馈(DFB)激光器，1653.7nm对应甲烷分子的高强度吸收峰。ASE光源112是一种输出波段为1525-1565nm的非相干光源。2×2光纤耦合器114是一种分光比50:50的四端X型耦合器。红外光谱仪118可以采集带宽为1510-1590nm的光谱，采样速率5kHz。信号处理电路102是基于FPGA的锁相放大电路，提供激光器正弦调制信号以及控制光谱仪光谱采样速率。
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 (9)
1.一种高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，该高灵敏度光纤光声气体检测系统包括计算机(101)、信号处理电路(102)、数字信号发生器(103)、加法器(104)、分布反馈式激光器(105)、光纤准直器(106)、1#平面反射镜(107)、2#平面反射镜(108)、光声腔(109)、空芯弹性管(110)、传感光纤(111)、放大自发辐射光源(112)、光纤隔离器(113)、2×2光纤耦合器(114)、参考光纤(115)、1#法拉第旋转镜(116)、法拉第旋转镜2#(117)和红外光谱仪(118)；
所述计算机(101)发出指令控制信号处理电路(102)和数字信号发生器(103)输出信号；信号处理电路(102)和数字信号发生器(103)的输出信号通过加法器(104)后控制分布反馈式激光器(105)输出光；分布反馈式激光器(105)输出光经过光纤准直器(106)进入光声腔(109)；光声腔(109)两端分别安装1#平面反射镜(107)和2#平面反射镜(108)；光声腔(109)置于空芯弹性管(110)内，空芯弹性管(110)上固定传感光纤(111)；放大自发辐射光源(112)输出光经过光纤隔离器(113)后被2×2光纤耦合器(114)平均分成两路，一路经过参考光纤(115)和2#法拉第旋转镜117返回，另一路经过传感光纤(111)和1#法拉第旋转镜(116)返回，两束光发生干涉；返回光经过2×2光纤耦合器(114)亦被分成两路，其中一路被光纤隔离器(113)阻隔，另一路被红外光谱仪(118)采集，光谱采集速率被信号处理电路(102)控制，采集的数字信号被发送到计算机(101)进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述空芯弹性管(110)为厚度小于1mm、半径大于15mm的空芯圆柱壳，管材料为杨氏模量低于5GPa的有机材料。
3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述光声腔(109)为导热系数大于200W/m·K的金属圆柱管的内腔；光声腔(109)和空芯弹性管(110)的长度相同，外径小于空芯弹性管(110)的内径，二者之间存在一定缝隙。
4.根据权利要求1或2所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述光纤耦合器114为2×2的X型四端口耦合器，分光比为50:50，用于将放大自发辐射光源(112)输出的信号光平均分成两路。
5.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述光纤耦合器114为2×2的X型四端口耦合器，分光比为50:50，用于将放大自发辐射光源(112)输出的信号光平均分成两路。
6.根据权利要求1、2或5所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述信号处理电路(102)的包括提供激光器正弦调制信号、控制红外光谱仪光谱采样速率以及提供锁相控制单元。
7.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述信号处理电路(102)的包括提供激光器正弦调制信号、控制红外光谱仪光谱采样速率以及提供锁相控制单元。
8.根据权利要求4所述的高灵敏度光纤光声气体检测系统，其特征在于，所述信号处理电路(102)的包括提供激光器正弦调制信号、控制红外光谱仪光谱采样速率以及提供锁相控制单元。
9.一种高灵敏度光纤光声气体检测方法，其特征在于，步骤如下：
首先，放大自发辐射光源(112)输出光经过2×2光纤耦合器(114)平均分为两路光，其中一路光经过参考光纤(115)后被2#法拉第旋转镜117反射后返回，另一路光经过传感光纤(111)后被1#法拉第旋转镜(116)反射后返回，法拉第旋转镜用于减弱光纤长距离传输引起的偏振衰落的影响，两束光存在初始光程差，干涉光谱被红外光谱仪(118)采集，采集到的干涉光谱被计算机(101)处理后得到初始光程差的值；然后，计算机(101)控制信号处理电路(102)输出正弦波和数字信号发生器(103)输出锯齿波，正弦波和锯齿波通过加法器(104)相加控制分布反馈式激光器(105)，使其输出波长扫描光；波长扫描光通过光纤准直器(106)进入光声腔(109)，光声腔(109)两端安装1#平面反射镜(107)和2#平面反射镜(108)增加光程，光声腔(109)内的气体分子吸收光能产生周期性光声压力波，引起空芯弹性管(110)形变，固定在空芯弹性管(110)上的传感光纤(111)因此产生周期性长度变化，引起干涉信号周期性变化，并被红外光谱仪(118)采集，采集到的数字信号经过计算机(101)处理，得到实时光程差变化值，进而得到此时的光声信号强度；因为光声信号强度与气体浓度呈正比，所以可以得到此时气体浓度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010918253.2A CN112161931B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010918253.2A CN112161931B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112161931A true CN112161931A (zh) | 2021-01-01 |
| CN112161931B CN112161931B (zh) | 2022-02-15 |
Family
ID=73858574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010918253.2A Active CN112161931B (zh) | 2020-09-04 | 2020-09-04 | 一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112161931B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113267453A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-17 | 安徽工程大学 | 无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统及其探测方法 |
| CN114062274A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-18 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统及方法 |
| CN114088631A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-25 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种六氟化硫分解产物分布式在线监测系统及方法 |
| CN114264611A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-01 | 武汉豪迈光电科技有限公司 | 一种基于光纤传感的光声光谱检测系统 |
| CN117929313A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-26 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法 |
Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212670A (en) * | 1992-07-20 | 1993-05-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Flextensional hydrophone |
| KR20030026030A (ko) * | 2001-09-24 | 2003-03-31 | 한국전자통신연구원 | 파장분할다중화방식 광통신 시스템의 채널 등화장치 및 방법 |
| CN101055243A (zh) * | 2007-04-04 | 2007-10-17 | 南京旭飞光电有限公司 | 光纤气体传感的方法和传感器 |
| CN101887009A (zh) * | 2010-03-22 | 2010-11-17 | 山东省科学院自动化研究所 | 基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统 |
| CN101936879A (zh) * | 2010-07-28 | 2011-01-05 | 山东大学 | 一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统 |
| WO2012154386A1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-11-15 | Harris Corporation | Interferometric material sensing apparatus including adjustable reference arm and associated methods |
| CN204008434U (zh) * | 2014-04-29 | 2014-12-10 | 贵州电力试验研究院 | 光声光谱在线监测sf6电气设备内气体分解产物装置 |
| WO2015030569A1 (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | University Of Malaya | All fibre based diaphragm-less optical microphone |
| WO2015081682A1 (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 匠研光学科技（上海）有限公司 | 消除法拉第旋转镜旋转角与波长温度相关的方法及旋转镜 |
| CN105424605A (zh) * | 2015-11-18 | 2016-03-23 | 安徽大学 | 基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置及方法 |
| CN205333497U (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-22 | 湖北索瑞电气有限公司 | 一种用于混合气体检测的非共振式光声池 |
| CN106289669A (zh) * | 2016-08-04 | 2017-01-04 | 安徽大学 | 基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置和方法 |
| CN205982520U (zh) * | 2016-03-18 | 2017-02-22 | 国网江西省电力科学研究院 | 一种电气设备局放源定位装置 |
| CN109115688A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-01-01 | 大连理工大学 | 一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法 |
| CN111426338A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-07-17 | 中国人民解放军91388部队 | 一种光纤矢量声磁复合传感器 |
-
2020
- 2020-09-04 CN CN202010918253.2A patent/CN112161931B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5212670A (en) * | 1992-07-20 | 1993-05-18 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Flextensional hydrophone |
| KR20030026030A (ko) * | 2001-09-24 | 2003-03-31 | 한국전자통신연구원 | 파장분할다중화방식 광통신 시스템의 채널 등화장치 및 방법 |
| CN101055243A (zh) * | 2007-04-04 | 2007-10-17 | 南京旭飞光电有限公司 | 光纤气体传感的方法和传感器 |
| CN101887009A (zh) * | 2010-03-22 | 2010-11-17 | 山东省科学院自动化研究所 | 基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统 |
| CN101936879A (zh) * | 2010-07-28 | 2011-01-05 | 山东大学 | 一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统 |
| WO2012154386A1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-11-15 | Harris Corporation | Interferometric material sensing apparatus including adjustable reference arm and associated methods |
| WO2015030569A1 (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | University Of Malaya | All fibre based diaphragm-less optical microphone |
| WO2015081682A1 (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 匠研光学科技（上海）有限公司 | 消除法拉第旋转镜旋转角与波长温度相关的方法及旋转镜 |
| CN204008434U (zh) * | 2014-04-29 | 2014-12-10 | 贵州电力试验研究院 | 光声光谱在线监测sf6电气设备内气体分解产物装置 |
| CN105424605A (zh) * | 2015-11-18 | 2016-03-23 | 安徽大学 | 基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置及方法 |
| CN205333497U (zh) * | 2015-12-24 | 2016-06-22 | 湖北索瑞电气有限公司 | 一种用于混合气体检测的非共振式光声池 |
| CN205982520U (zh) * | 2016-03-18 | 2017-02-22 | 国网江西省电力科学研究院 | 一种电气设备局放源定位装置 |
| CN106289669A (zh) * | 2016-08-04 | 2017-01-04 | 安徽大学 | 基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置和方法 |
| CN109115688A (zh) * | 2018-09-10 | 2019-01-01 | 大连理工大学 | 一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法 |
| CN111426338A (zh) * | 2020-05-19 | 2020-07-17 | 中国人民解放军91388部队 | 一种光纤矢量声磁复合传感器 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| J. BREGUET 等: "Photoacoustical detection of trace gases with an optical microphone", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 * |
| KE CHEN 等: "Tube-cantilever double resonance enhanced fiber-optic photoacoustic spectrometer", 《OPTICS AND LASER TECHNOLOGY》 * |
| MATTHEW J. MURRAY 等: "Fiber-Wrapped Mandrel Microphone for Low-Noise Acoustic Measurements", 《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》 * |
| 杨天荷 等: "基于悬臂梁光纤F-P 声传感器的光声光谱检测法及其对微量乙炔气体的检测", 《高压电技术》 * |
| 马凤翔 等: "基于微型光声传感器的油中溶解气体检测技术", 《光学学报》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113267453A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-17 | 安徽工程大学 | 无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统及其探测方法 |
| CN114062274A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-18 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种用于油中溶解气体检测的光纤光声传感系统及方法 |
| CN114088631A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-25 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种六氟化硫分解产物分布式在线监测系统及方法 |
| CN114264611A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-04-01 | 武汉豪迈光电科技有限公司 | 一种基于光纤传感的光声光谱检测系统 |
| CN117929313A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-26 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 增强型空芯光波导的气体浓度与同位素测量装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112161931B (zh) | 2022-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112161931B (zh) | 一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法 | |
| Lang et al. | Fabry–Perot-based phase demodulation of heterodyne light-induced thermoelastic spectroscopy | |
| CN113252572B (zh) | 一种光纤尖式光声气体传感系统及方法 | |
| Fu et al. | Small-volume highly-sensitive all-optical gas sensor using non-resonant photoacoustic spectroscopy with dual silicon cantilever optical microphones | |
| CN108051400B (zh) | 一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法 | |
| Guo et al. | Miniaturized anti-interference cantilever-enhanced fiber-optic photoacoustic methane sensor | |
| CN109115688B (zh) | 一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法 | |
| Chen et al. | Detection of SF6 gas decomposition component H2S based on fiber-optic photoacoustic sensing | |
| Guo et al. | High-sensitivity silicon cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy analyzer with low gas consumption | |
| CN101055243A (zh) | 光纤气体传感的方法和传感器 | |
| CN201034929Y (zh) | 光纤气体传感器 | |
| CN112924388A (zh) | 正交双通道声学谐振模块及包括该模块的装置 | |
| Guo et al. | Multi-mechanism collaboration enhanced photoacoustic analyzer for trace H2S detection | |
| Wang et al. | Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy based on the four-off-beam acoustic micro-resonator | |
| Dai et al. | Photothermally stabilized Fabry-Perot cavity with patterned nanofilm for photoacoustic trace gas sensing | |
| Li et al. | Differential Cantilever Enhanced Fiber-Optic Photoacoustic Sensor for Diffusion Gas Detection | |
| CN114062273B (zh) | 一种抗干扰光纤光声气体传感系统及方法 | |
| Wu et al. | Single fiber-type double cavity enhanced photoacoustic spectroscopy sensor for trace methane sensing | |
| Cattaneo et al. | Photoacoustic detection of oxygen using cantilever enhanced technique | |
| Wei et al. | All-optical cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy in the open environment | |
| Hong et al. | Improved IP-QEPAS sensor based on cylindrical cavity enhancement | |
| CN113552212A (zh) | 径向腔石英增强光声光谱测声器及其气体探测装置 | |
| Wang et al. | Optical interferometer-based methods for photoacoustic gas sensing: a review | |
| CN107271546B (zh) | 基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统 | |
| CN112881299B (zh) | 基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统及其探测方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240122 Address after: Room 303, Floor 56A3, Torch Road, High tech Industrial Park, Dalian City, Liaoning Province, 116085 Patentee after: DALIAN LITECHNIC CO.,LTD. Country or region after: China Address before: 116024 No. 2 Ling Road, Ganjingzi District, Liaoning, Dalian Patentee before: DALIAN University OF TECHNOLOGY Country or region before: China |