CN112881299A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，包括：激励激光器模块、无源音叉模块、气室模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于充满目标气体的气室内，激励激光器模块产生指定调制频率的指定波长的激光，传输至气室，目标气体与激光作用产生声波信号，声波信号经微声学谐振腔收集和放大后传递给无源音叉，使其产生反相共振，导致干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化，干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，进而探测目标气体的气体浓度；通过干涉光的相位变化来拾取无源音叉的振动信号，恢复出激励激光与痕量气体作用产生的光声信号，进而提取出二次谐波信号，具有灵敏度高、体积小、组网容易、前端不带电、本征安全、抗电磁干扰和耐高温等优点。
Description
技术领域
本发明属于光声光谱技术领域，更具体地，本发明涉及一种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。
背景技术
痕量气体测量在污染监测、工业过程控制、电力设施在线监测、煤矿安全监测、生物工程和医疗诊断等领域有着重要的应用。基于光谱学的气体传感方法以精度高、选择性好、寿命长、响应时间短、实时监测和维护费用低等特点，近年来成为各国学者研究的热点。最常用的基于光谱学的气体传感方法包括非分散红外吸收光谱、可调谐二极管激光光谱、腔增强吸收光谱和光声光谱。相比于其他吸收光谱技术，光声光谱技术是一种间接的吸收光谱技术，具有诸多优势：不使用光电探测器，激励激光波长不受限制；探测灵敏度与光和样品相互作用长度关系不大，而是和激光功率以及声传感器灵敏度成正比；零背景特性允许放大器以零信号为基准工作在一个较大的动态范围内。
目前光声光谱技术分为共振光声光谱、悬臂增强型光声光谱和石英音叉谐振增强光声光谱。共振光声光谱通常采用带声学共振腔的光声池和电学声传感器或者光纤麦克风，但由于光声池尺寸较大，限制了仪器的小型化；悬臂增强型光声光谱采用微型硅悬臂梁和迈克尔逊干涉仪，灵敏度高、抗电磁干扰，但成本高、结构复杂、体积较大且不易与光声池匹配；石英音叉谐振增强光声光谱采用石英音叉作为光声信号探测器，具有品质因子(Q)高、结构简单和成本低的优点，但石英音叉产生的压电电流需要低噪声前置放大器进行放大，无法适用于强电磁干扰和易燃易爆等特殊场景，而且石英音叉共振频率过高(32.768kHz)、振臂间距过小(0.3mm)，不利于痕量气体传感。因此，提出一种体积小、灵敏度高、抗电磁干扰和本征安全的光声光谱系统，实现痕量气体测量，尤其是强电磁干扰和易燃易爆等特殊场景下痕量气体的高精度测量十分有意义。
发明内容
本发明提供一种无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，旨在改善上述问题。
本发明是这样实现的，一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，所述系统包括：
激励激光器模块、无源音叉模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于气室内，气室充满目标气体；其中，激励激光器模块用于产生指定调制频率的指定波长的激光，并传输至气室内，气室内的目标气体与激光进行作用产生声波信号，声波信号经无源音叉模块内微声学谐振腔收集和放大后传递给无源音叉，使其产生反相共振，导致干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化，干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，进而探测目标气体的气体浓度；
激光的波长为目标气体的吸收谱线上的波长，激光的调制频率为无源音叉的反相共振频率的一半。
进一步的，激励激光器模块包括：激光管、激光器电流源、温度控制器和光纤准直器，激光管通过光纤与光纤准直器连接；
激光器电流源具有调制接口，调制指定频率的指定波长的激光，激光管输出相应的激光，温度控制器保持激光管的温度恒定，出射激光经过光纤到达光纤准直器，经光纤准直器输出激光准直射入气室。
进一步的，无源音叉模块包括：无源音叉和微声学谐振管，微声学谐振管由微型金属或者陶瓷管构成，一阶纵向共振频率和无源音叉的反相共振频率一致，微声学谐振管的谐振腔的延伸方向对准准直激励激光射出方向，气室内的目标气体吸收光纤准直器输出激光，产生声波信号，声波信号经微声学谐振管收集后传递至无源音叉，无源音叉产反相共振。
进一步的，所述无源音叉由两个振臂及连接两个振臂的底座连接，振臂材料为硅、石英或金属。
进一步的，干涉式光纤传感模块包括：探测光源、光纤干涉仪及设于无源音叉振臂振动方向上的反射薄膜，探测光源通过光纤和光纤干涉仪连接，探测光源输出的探测光经光纤进入光纤干涉仪，从光纤准直器出射的准直探测光对准无源音叉振臂上的反射薄膜，探测光被反射薄膜反射回来，无源音叉振臂的振动引起光纤准直器到无源音叉振臂的距离变化，进而引起光纤干涉仪输出干涉光的相位差变化。
进一步的，所述干涉式光纤传感模块还包括：光电探测器，光电探测器通过光纤与光纤干涉仪连接，光电探测器通过信号电缆与多功能输入/输出装置连接，多功能输入/输出装置通过信号电缆与解调器、加法器以及激励激光器模块连接；
光电探测器将光纤干涉仪检测到干涉光信号转变为电压信号，输出至多功能输入/输出装置，多功能输入/输出装置输出正弦波和方波信号经加法器进入调制线，调制线与激光器电流源上的调制接口连接，实现调制频率为无源音叉反相共振频率一半的激光波长调制，将光电探测器输出的光电信号送入解调器，得到二次谐波信号，进而计算出目标气体的浓度。
进一步的，反相共振为前后方向上的反相共振或左右方向上的反相共振。
另一方面，本发明提供一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的气体浓度探测方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于气室内待测目标气体的吸收谱线确定激励激光的波长；
S2、基于无源音叉的反相共振频率来确定激励激光的调制频率；
S3、激励激光器模块调制出相应波长和频率的激励激光，将激励激光入射至气室内，与气室内的目标气体作用后产生声波信号；
S4、微声学谐振腔采集和放大该声波信号后传递给无源音叉，使其产生反相共振，引起干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化；
S5、干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，通过正交锁相算法提取二次谐波信号，进而得到目标气体的气体浓度。
进一步的，通过减小无源音叉的振臂厚度T，增加振臂长度L，控制无源音叉的共振频率在20kHz以下。
本发明的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统通过检测光纤干涉仪输出干涉光的相位变化来拾取无源音叉的振动信号，恢复出激励激光与痕量气体作用产生的光声信号，进而提取出二次谐波信号，具有灵敏度高、体积小、组网容易、前端不带电、本征安全、抗电磁干扰和耐高温等优点，适用于多种痕量气体测量场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的结构示意图，其中，(a)中的无源音叉在左右方向上反相共振，(b)中的无源音叉在前后方向上反相共振；
图2为本发明实施例提供的无源音叉的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的无源音叉的共振频率与振臂厚度、长度的关系示意图；
图4为本发明实施例提供的干涉式光纤传感模块中光纤干涉仪的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的干涉式光纤传感模块中解调器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统布置示意图；
1.激励激光器模块、11.激光管、12.激光器电流源、13.温度控制器、14.光纤、15.光纤准直器、16.准直激励激光、2.无源音叉模块、21.无源音叉、22.微声学谐振管、3气室、31.气室本体、32.光窗、33.进气口、34.出气口、35.光纤进出孔、4.干涉式光纤传感模块、41.探测光源、42.光纤干涉仪、43.光电探测器、44.光纤、45.加法器、46.多功能输入/输出装置、47.解调器、48.信号线缆、421.3×3光纤耦合器、422.1×2光纤耦合器、423.光纤准直器、424.延迟光纤、471.电脑、472.相位解调算法、473.二次谐波信号提取算法、474.浓度分析软件。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
图1为本发明实施例提供的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
该系统包括：激励激光器模块、无源音叉模块、气室模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于气室内，气室充满目标气体；其中，激励激光器模块用于产生指定调制频率的指定波长的激光，并传输至气室内，气室内的目标气体与激光进行作用产生声波信号，声波信号经无源音叉模块内微声学谐振管收集和放大后传递给无源音叉，使得无源音叉产生反相共振，导致干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化，干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，进而探测目标气体的气体浓度；
激光的波长为目标气体的吸收谱线上的波长，激光的频率与无源音叉的反相共振频率的一半相同；反相共振包括左右方向上的反相共振和前后方向上的反向共振，反向共振是指两个振臂的振动相位差180度。
在本发明实施例中，激励激光器模块包括：激光管、激光器电流源、温度控制器和光纤准直器，激光管通过光纤与光纤准直器连接；
激光器电流源具有调制接口，调制指定频率上的指定波长的激光波长，激光的输出相应的激光，激光波长对应目标气体的吸收谱线，激光频率对应无源音叉的反相共振频率的一半，温度控制器保持激光管的温度恒定，出射激光经过光纤到达光纤准直器，经光纤准直器输出激光准直射入气室，光纤准直器输出激光在本发明又称准直激励激光，激励激光是指波为目标气体吸收谱线上波长的激光。
无源音叉模块包括：无源音叉和微声学谐振管，微声学谐振管由微型金属或者陶瓷管构成，一阶纵向共振频率和无源音叉的共振频率一致，微声学谐振管的谐振腔的延伸方向对准准直激励激光射出方向，气室内的目标气体吸收光纤准直器输出激光，产生声波信号，声波信号经微声学谐振管收集后传递至无源音叉，使无源音叉产生反相共振，即无源音叉的两个振臂反相运动。微声学谐振管与无源音叉共轴设置或离轴设置，其中图1中的无源音叉与微声学谐振管共轴设置，在微声学谐振管旋转90度后，无源音叉与微声学谐振管离轴设置。
无源音叉由两个振臂及连接两个振臂的底座连接，其结构示意图如图2所示，无须供电也不产生电流，振臂材料包括但不限于硅、石英和金属，基于无源音叉的干涉式光纤光谱系统的灵敏度S可以表达为：
式中：Q和f0分别是无源音叉的品质因子和基模共振频率，P是激励激光的功率，α是目标气体的吸收系数，R是所述干涉式光纤传感模块的灵敏度。系统的灵敏度S正比于所述无源音叉的Q值，激励激光的功率，目标气体的吸收系数和干涉式光纤传感模块的灵敏度，反比于无源音叉的共振频率f0。
无源音叉的振臂宽度、厚度和长度为w、T和L，两振臂间距为s，一根振臂外侧镀有反射薄膜，薄膜宽度为w，靠近振臂外侧顶部，用于反射探测光；所述无源音叉工作在反相共振模式，两振臂反相运动，抗环境噪声干扰，无源音叉的共振频率和其参数的关系如下：
式中：E和ρ分别是无源音叉的杨氏模量和密度，vn是常数，对于基模振动，v0＝1.194。由式(2)可知：通过调整无源音叉材料及振臂的厚度和长度可以改变音叉的共振频率。同时，合理增加无源音叉的宽度，可以增加光声能量传递给音叉的效率。
请参阅图3，作为示例，所述无源音叉例如采用黄铜材料，该图描述的是所述无源音叉的共振频率和振臂厚度及长度的关系。减小无源音叉的振臂厚度T，增加振臂长度L，可以有效降低无源音叉的共振频率。由式(1)可知，降低无源音叉的共振频率可以提高本发明的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的灵敏度。根据应用需要，无源音叉的共振频率可以设计在20kHz以下特定值。
在本发明实施例中，气室包括：气室本体，设于气室本体上的光窗，包括入射窗及出射窗，入射窗及出射窗布置于激光入射方向上，设于气室本体顶部的进气口及出气口，设于气室本体底部的光纤进出孔，采用密封橡胶密封。入射窗及出射窗包括但不限于氟化钙光学窗片、氟化镁光学窗片、碘化铯光学窗片和石英光学窗片，进气口设置于气室本体顶部，用于输入目标气体，出气口设置于气室本体顶部，用于排出目标气体，光纤进出孔设置于气室本体底部，并采用密封胶密封。
干涉式光纤传感模块包括：探测光源、光纤干涉仪及设置无源音叉振臂上的反射薄膜，反射薄膜设于无源音叉振臂的振动方向，探测光源通过光纤和光纤干涉仪连接；探测光源可以为激光光源和低相干光源，作为示例，所述探测光源为超辐射发光二极管，光源光纤干涉仪为低相干干涉仪或者激光干涉仪，光纤干涉仪为白光干涉仪时，请参阅图4，包括一个3×3光纤耦合器、一个1×2光纤耦合器、一个光纤准直器和延迟光纤，其中，光纤准直器的端面做消除反射处理，探测光源输出的探测光经光纤进入光纤干涉仪，从光纤准直器出射的准直探测光对准无源音叉振臂上的反射薄膜，探测光被反射薄膜反射回来，无源音叉振臂的振动引起光纤准直器到无源音叉振臂的距离变化，进而引起光纤干涉仪输出干涉光的相位差变化，其中，图1(a)给出的无源音叉两振臂在左右方向上反相共振的反射薄膜设置示意图，图1(b)给出的无源音叉两振臂在前后方向上反相共振的反射薄膜设置示意图。
所述干涉式光纤传感模块还包括：光电探测器，光电探测器通过光纤与光纤干涉仪连接，光电探测器通过信号电缆与多功能输入/输出装置连接，多功能输入/输出装置通过信号电缆与解调器、加法器以及激励激光器模块连接；
光电探测器将光纤干涉仪检测到干涉光信号转变为电信号，输出至多功能输入/输出装置，多功能输入/输出装置是带数模转换功能的数字采集卡，输出正弦波和方波信号经加法器进入调制线，调制线与激光器电流源上的调制接口连接，实现调制频率为无源音叉共振频率一半的激光波长调制，将光电探测器输出的光电信号送入解调器，得到二次谐波信号，进而计算出目标气体的浓度。
请参阅图5，解调器例如可以包括电脑，集成于电脑上的相位解调算法、二次谐波信号提取算法和浓度分析软件。所述相位解调算法例如可以为3×3耦合器无源零差解调算法、相位载波无源零差解调算法、多波长解调算法和外差解调算法；二次谐波信号提取算法例如可以为正交锁相算法。作为示例，相位解调算法为3×3耦合器无源零差解调算法，解调光纤干涉仪的相位变化，获取无源音叉振臂的振动信号，即光声信号，送入所述二次谐波信号提取算法和浓度分析软件，根据二次谐波信号强度和浓度标定关系，即可实时输出气体浓度信息。
请参阅图6，无源音叉模块和气室通过光纤和拉远设置于远端，例如测试环境，所述激励激光器模块和干涉式光纤传感模块设置于近端，例如控制室；同时，采用空分复用和波分复用技术，基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统可以实现多点测量。
综上所述，本发明的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统通过检测光纤干涉仪输出干涉光的相位变化来拾取无源音叉的振动信号，恢复出激励激光与痕量气体作用产生的光声信号，进而提取出二次谐波信号，具有灵敏度高、体积小、组网容易、前端不带电、本征安全、抗电磁干扰和耐高温等优点，适用于多种痕量气体测量场景。
图2为本发明提供的基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的气体浓度探测方法，该方法具体包括如下步骤：
S1、基于气室内待测目标气体的吸收谱线确定激励激光的波长；
S2、基于无源音叉的反相共振频率来确定激励激光的调制频率；
S3、激励激光器模块调制出相应波长和频率的激励激光，将激励激光入射至气室内，与气室内的目标气体作用后产生声波信号；
S4、微声学谐振腔采集和放大该声波信号后传递给无源音叉，使其产生反相共振，引起干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化；
S5、干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，通过正交锁相算法提取二次谐波信号，进而得到目标气体的气体浓度。
在本发明实施例中，通过减小无源音叉的振臂厚度T，增加振臂长度L，控制无源音叉的共振频率在20kHz以下。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，所述系统包括：
激励激光器模块、无源音叉模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于气室内，气室充满目标气体；其中，激励激光器模块用于产生指定调制频率的指定波长的激光，并传输至气室内，气室内的目标气体与激光进行作用产生声波信号，声波信号经无源音叉模块内微声学谐振腔收集和放大后传递给无源音叉，使其产生反相共振，导致干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化，干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，进而探测目标气体的气体浓度；
激光的波长为目标气体的吸收谱线上的波长，激光的调制频率为无源音叉的反相共振频率的一半。
2.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，激励激光器模块包括：激光管、激光器电流源、温度控制器和光纤准直器，激光管通过光纤与光纤准直器连接；
激光器电流源具有调制接口，调制指定频率的指定波长的激光，激光管输出相应的激光，温度控制器保持激光管的温度恒定，出射激光经过光纤到达光纤准直器，经光纤准直器输出激光准直射入气室。
3.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，无源音叉模块包括：无源音叉和微声学谐振管，微声学谐振管由微型金属或者陶瓷管构成，一阶纵向共振频率和无源音叉的反相共振频率一致，微声学谐振管的谐振腔的延伸方向对准准直激励激光射出方向，气室内的目标气体吸收光纤准直器输出激光，产生声波信号，声波信号经微声学谐振管收集后传递至无源音叉，无源音叉产反相共振。
4.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，所述无源音叉由两个振臂及连接两个振臂的底座连接，振臂材料为硅、石英或金属。
5.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，干涉式光纤传感模块包括：探测光源、光纤干涉仪及设于无源音叉振臂振动方向上的反射薄膜，探测光源通过光纤和光纤干涉仪连接，探测光源输出的探测光经光纤进入光纤干涉仪，从光纤准直器出射的准直探测光对准无源音叉振臂上的反射薄膜，探测光被反射薄膜反射回来，无源音叉振臂的振动引起光纤准直器到无源音叉振臂的距离变化，进而引起光纤干涉仪输出干涉光的相位差变化。
6.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，所述干涉式光纤传感模块还包括：光电探测器，光电探测器通过光纤与光纤干涉仪连接，光电探测器通过信号电缆与多功能输入/输出装置连接，多功能输入/输出装置通过信号电缆与解调器、加法器以及激励激光器模块连接；
光电探测器将光纤干涉仪检测到干涉光信号转变为电压信号，输出至多功能输入/输出装置，多功能输入/输出装置输出正弦波和方波信号经加法器进入调制线，调制线与激光器电流源上的调制接口连接，实现调制频率为无源音叉共振频率一半的激光波长调制，将光电探测器输出的光电信号送入解调器，得到二次谐波信号，进而计算出目标气体的浓度。
7.如权利要求1至6任一权利要求所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，反相共振为前后方向上的反相共振或左右方向上的反相共振。
8.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的气体浓度探测方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于气室内待测目标气体的吸收谱线确定激励激光的波长；
S2、基于无源音叉的反相共振频率来确定激励激光的调制频率；
S3、激励激光器模块调制出相应波长和频率的激励激光，将激励激光入射至气室内，与气室内的目标气体作用后产生声波信号；
S4、微声学谐振腔采集和放大该声波信号后传递给无源音叉，使其产生反相共振，引起干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化；
S5、干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，通过正交锁相算法提取二次谐波信号，进而得到目标气体的气体浓度。
9.如权利要求8所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的气体浓度探测方法，其特征在于，通过减小无源音叉的振臂厚度T，增加振臂长度L，控制无源音叉的共振频率在20kHz以下。
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