CN113252572B - 一种光纤尖式光声气体传感系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤尖式光声气体传感系统及方法，属于光学微量气体检测技术领域。该气体传感系统包括窄线宽激光光源、宽谱探测光源、波分复用器、光环形器、光谱仪、计算机、单模光纤、光纤尖式光声传感探头。窄线宽激光和宽谱探测光经波分复用器耦合并经单根光纤同时传输到光纤尖式光声传感探头，采用一个公用气腔同时作为光声气体吸收池和法布里‑珀罗干涉腔；待测气体通过悬臂梁缝隙自由扩散进入微型气室，利用声波敏感的悬臂梁膜片探测产生的光声信号。本发明方案具有探头体积小、响应速度快、结构简单、本质安全、灵敏度高等优点，为光纤光声气体传感技术在狭窄管道中的微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。

Description

一种光纤尖式光声气体传感系统及方法
技术领域
本发明属于光学微量气体检测技术领域，涉及一种光纤尖式光声气体传感系统及方法。
背景技术
甲烷是一种无色无味的可燃性气体，是十分重要的清洁能源，但甲烷气体也会导致爆炸等灾难性事故。然而，有些监测场景(比如狭窄管道等)对传感器的尺寸提出了较高要求，因此，设计出一种微型高灵敏度的气体传感器具有重要的意义。
常见的微量甲烷气体检测方法有气相色谱法、电化学传感法、光声光谱法、拉曼光谱法等，其中光声光谱(PAS)法有着灵敏度高和免维护的优点。但是，现有的光声光谱气体检测系统往往存在体积大和系统复杂等问题。为进一步减小光声探头体积同时保证探测灵敏度，文献Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[J].Optics Express,2019.27(4):4648-4659及文献Parylene-C diaphragm-based low-frequency photoacoustic sensor for space-limited trace gasdetection[J].Optics and Lasers in Engineering,2020.134:106288先后报道了基于光声光谱的痕量气体检测系统，将光纤法布里-珀罗声波传感器和小型光声池结合，使光纤尖式光声传感探头中的微型气室体积小于74μL。但是，由于利用了高灵敏度的光纤声波传感器，探头上往往需要连接两路光纤，一路传输激发光声信号的激发光，一路传输组成法布里-珀罗干涉仪的探测光，占据了多余的空间，不易于进一步减小探头体积。文献Miniaturefiber-tip photoacoustic spectrometer for trace gas detection[J].OpticsLetters,2013.38(4):434提出一种单光纤光声光谱气体探测系统，可以减小光声探头体积。但是，有源器件如气阀的使用限制了这种传感器的微型化。此外，所使用的强度解调法需要采用窄带光纤可调谐滤波器将探测光滤出，而可调谐滤波器的中心波长极易受到温度影响而发生漂移，导致该方案不利于现场应用。因此，设计一种体积小、灵敏度高且本质安全的光纤尖式光声气体传感系统有着重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光纤尖式光声气体传感系统及方法，该方案结构简单、探头体积小且灵敏度高。可以有效解决甲烷气体传感器普遍存在的体积大、系统复杂、抗电磁干扰能力差等问题，进一步拓展光纤光声传感技术在有电磁干扰环境或者狭窄管道等场景中的应用。
本发明的原理如下：
中心波长调整在甲烷吸收峰值处的窄线宽激光器和宽光谱探测光源耦合进入波分复用器，并在同一根光纤中传输。窄线宽激光激发末端光声探头腔内的气体分子，产生光声信号，推动光声探头端面的悬臂梁膜片振动。光纤端面和悬臂梁之间的空气间隙形成一个法布里-珀罗干涉腔，采用光谱仪解调得到声波信息，从而测得光声信号的二次谐波幅度，进而获得气体的浓度信息。
光声探头端面刻蚀的矩形悬臂梁的一阶共振频率可以表示为：
Figure BDA0003057802680000021
式中，E是悬臂梁材料的杨氏模量，ρ是材料密度，L和t分别是悬臂梁的长度和厚度。例如采用硅基悬臂梁，E＝169Gpa且ρ＝2.33g/cm3；若取悬臂梁长0.5mm，厚度2μm，计算得到一阶共振频率约为11,000Hz。
光纤法布里-珀罗腔长的解调分辨率由干涉光谱的对比度决定。反射光场和基模光场的耦合效率为：
Figure BDA0003057802680000031
其中，d是腔长，r0是光纤模场半径，
Figure BDA0003057802680000032
是反射光场模场半径。对比度可以表示为：
Figure BDA0003057802680000033
其中，IMAX和IMIN分别是光强的最大值和最小值，R1和R2分别是光纤端面和悬臂梁的反射率。
为了保证解调的稳定性，光谱每周期取样点数定为4，频谱范围ξp＝N/4-1。解调系统的最大解调腔长可以表示为：
Figure BDA0003057802680000034
其中，λc和Δλ分别是光源的中心波长和光谱范围。对于λc＝1550nm，Δλ＝70nm且N＝512pixels的白光干涉光谱仪，计算得到最大解调腔长为2.2mm。
光声信号幅度可以表示为：
Figure BDA0003057802680000035
其中，α是目标气体的吸收系数,γ是气体热容比,P0是光声激发光源的光功率,V是腔体积,f是频率。τ1和τ2分别是气体和热能流动造成的热阻尼时间和阻尼效应的时间常数。频率为11,000Hz时，PPA(f)在半径为～0.18mm时处达到最大值。光声系统的幅度-频率响应可以表示为：
A(f)＝PPA(f)AcRc(f)， (6)
其中，Ac为悬臂梁的面积，Rc(f)为悬臂梁的幅频响应。
根据式(2)、(3)、(5)和(6)，得到干涉对比度/光声系统响应幅值-腔长函数曲线，如图3所示。从中可以看出，当腔长大于0.2mm时，光声信号幅度增大时干涉对比度会下降。为实现探测系统的高灵敏度，同时保证解调系统的稳定运行，选择光声池长度为2.2mm；为了减小传感器直径，气腔的内半径设计为0.18mm。因此，气腔体积仅为0.22μL。
本发明的技术方案：
一种光纤尖式光声气体传感系统，包括窄线宽激光光源1、宽谱探测光源2、波分复用器3、光环形器4、光谱仪5、计算机6、单模光纤7、光纤尖式光声传感探头8；窄线宽激光光源1连接到波分复用器3的反射端，波分复用器3的公共端通过单模光纤7连接到光纤尖式光声传感探头8；窄线宽激光光源1输出的激光经由波分复用器3和单模光纤7入射到光纤尖式光声传感探头8；光环形器4连接到波分复用器3的透射端，宽谱探测光源2发出的宽谱光经由光环形器4和波分复用器3同时进入单模光纤7，在光纤尖式光声传感探头8中发生干涉，返回的干涉信号经由波分复用器3和光环形器4传输给光谱仪5，干涉光谱传输给计算机6进行处理和显示。
所述的窄线宽激光光源1的波长是1650.9nm或者1653.7nm，线宽小于1pm。
所述的宽谱探测光源2是近红外宽带光源，中心波长为1550nm，谱宽不小于20nm。
所述的波分复用器3的透射端的工作波长范围为1520-1570nm，反射端的工作波长范围为1600-1700nm。
所述的光谱仪5的波长范围为1525-1565nm，帧速高于10kHz。
所述的单模光纤7的长度范围为1m-10km。
所述的光纤尖式光声传感探头8包括光纤陶瓷插针9、微型气室10、光纤端面11和声波敏感悬臂梁膜片12。声波敏感悬臂梁膜片12安装在微型气室10的右侧，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片12上的悬臂梁缝隙扩散进入气室10；声波敏感悬臂梁膜片12的表面镀金，其长度、宽度和厚度分别为0.5mm、0.3mm和2μm；声波敏感悬臂梁膜片12与光纤端面11形成法布里-珀罗腔，腔长为2.2mm。
一种光纤尖式光声气体传感方法，窄线宽激光和宽谱探测光经波分复用器耦合并经单根光纤同时传输到光纤尖式光声传感探头，采用一个公用气腔同时作为光声气体吸收池和法布里-珀罗干涉腔；待测气体通过悬臂梁缝隙自由扩散进入微型气室，利用声波敏感的悬臂梁膜片探测产生的光声信号。具体步骤如下：
首先，由窄线宽激光光源1输出特定波长的激光，经由波分复用器3的反射端在单模光纤7中传输，通过光纤陶瓷插针9右端的光纤端面11进入光纤尖式光声传感探头8中；待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片12上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室10；入射激光激发微型气室10中的待测气体，产生光声效应，引起气体周期性的热膨胀，进而产生声信号，从而使声波敏感悬臂梁膜片12发生受迫振动。
然后，由光纤端面11和声波敏感悬臂梁膜片12构成一个法布里-珀罗干涉腔；宽谱探测光源2出射的宽谱光先后经过光环形器4、波分复用器3和单模光纤7，然后通过光纤陶瓷插针9右端的光纤端面11入射微型气室10，并照射在声波敏感悬臂梁膜片12上。声波敏感悬臂梁膜片12上刻蚀的悬臂梁末端反射探测光并在腔内形成法布里-珀罗干涉。
最后，声波敏感悬臂梁膜片12产生的受迫振动会使得法布里-珀罗腔的腔长发生周期性变化，进而使干涉谱的相位发生变化，由光谱仪5接收干涉谱并将信息传输到计算机6进行处理，解调出法布里-珀罗腔的动态腔长信息，并根据提取出的二次谐波信号的幅度计算出气体的浓度。
本发明的有益效果：利用波分复用器将窄线宽激发光和宽谱探测光耦合进一根光纤中传输，简化了系统结构并解决了反射的窄线宽激发光对法布里-珀罗干涉谱的干扰问题；采用公用气腔同时作为光声池和法布里-珀罗干涉腔，结合MEMS技术可设计成针尖式传感探头，探头直径仅为1mm左右；小于1μL的超小气室体积还可大幅度提升气体响应速度。本发明方案具有探头体积小、响应速度快、结构简单、本质安全、灵敏度高等优点，为光纤光声气体传感技术在狭窄管道中的微量气体检测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示意图。
图2是光纤尖式光声气体传感器示意图。
图3是干涉对比度、光声系统响应幅值-腔长函数曲线。
图中：1窄线宽激光光源；2宽谱探测光源；3波分复用器；4光环形器；5光谱仪；6计算机；7单模光纤；8光纤尖式光声传感探头；9光纤陶瓷插针；10微型气室；11光纤端面；12声波敏感悬臂梁膜片。
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。
一种光纤尖式光声气体传感系统，主要包括窄线宽激光光源1、宽谱探测光源2、波分复用器3、光环形器4、光谱仪5、计算机6、单模光纤7和光纤尖式光声传感探头8。窄线宽激光光源1发射的激光经由波分复用器3在单模光纤7中传输，进入光纤尖式光声传感探头8并激发气体产生光声效应；宽谱探测光源2出射的宽谱光先后经过光环形器4、波分复用器3和单模光纤7，进入光纤尖式光声传感探头8后反射光携带干涉信息，经由单模光纤7、波分复用器3和光环形器4后传输到光谱仪5进行信号处理，最后将信号传输给计算机6进行处理和显示。
其中，窄线宽激光光源1是中心波长为1650.9nm的分布反馈(DFB)激光器，功率为10mW。宽谱探测光源2是中心波长为1550nm、带宽为50nm的SLED光源。波分复用器3的透射端的工作波长范围为1520-1570nm，反射端的工作波长范围为1600-1700nm。光谱仪5是光谱采集速率为5kHz的高速微型光谱仪。单模光纤7是G652单模光纤。
光纤尖式光声传感探头8包括光纤陶瓷插针9、微型气室10、光纤端面11和声波敏感悬臂梁膜片12。圆柱形微型气室10的气腔长2.2mm，直径1.0mm，声波敏感悬臂梁膜片12在气室右端。声波敏感悬臂梁膜片12上刻蚀的硅基悬臂梁长0.5mm，宽0.3mm，厚2μm；刻蚀矩形悬臂梁的缝隙的宽度约为10μm，以使待测气体扩散进入微型气室10内。入射光通过光纤陶瓷插针9右端的光纤端面11进入微型气室10，激发待测气体发生光声效应，进而使矩形悬臂梁发生受迫振动，使得法布里-珀罗干涉腔长发生改变。探测光通过光纤陶瓷插针9右端的光纤端面11入射微型气室10，携带干涉信息的光重新返回耦合进光纤陶瓷插针9。
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 (7)

1.一种光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，该光纤尖式光声气体传感系统包括窄线宽激光光源（1）、宽谱探测光源（2）、波分复用器（3）、光环形器（4）、光谱仪（5）、计算机（6）、单模光纤（7）、光纤尖式光声传感探头（8）；窄线宽激光光源（1）连接到波分复用器（3）的反射端，波分复用器（3）的公共端通过单模光纤（7）连接到光纤尖式光声传感探头（8）；窄线宽激光光源（1）输出的激光经由波分复用器（3）和单模光纤（7）入射到光纤尖式光声传感探头（8）；光环形器（4）连接到波分复用器（3）的透射端，宽谱探测光源（2）发出的宽谱光经由光环形器（4）和波分复用器（3）进入单模光纤（7），宽谱光在光纤尖式光声传感探头（8）中与反射探测光发生干涉，返回的干涉信号经由波分复用器（3）和光环形器（4）传输给光谱仪（5），干涉光谱传输给计算机（6）进行处理和显示；
所述的光纤尖式光声传感探头（8）包括光纤陶瓷插针（9）、微型气室（10）、光纤端面（11）和声波敏感悬臂梁膜片（12）；声波敏感悬臂梁膜片（12）安装在微型气室（10）的右侧，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片（12）上的悬臂梁缝隙扩散进入微型气室（10）；声波敏感悬臂梁膜片（12）的表面镀金，其长度、宽度和厚度分别为0.5mm、0.3mm和2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；声波敏感悬臂梁膜片（12）与光纤端面（11）形成法布里-珀罗腔，腔长为2.2mm，法布里-珀罗腔的内半径设计为0.18
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，法布里-珀罗腔体积为0.22
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
2.根据权利要求1所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的窄线宽激光光源（1）的波长是1650.9nm或者1653.7nm，线宽小于1pm。
3.根据权利要求2所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的波分复用器（3）的透射端的工作波长范围为1520-1570nm，反射端的工作波长范围为1600-1700nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的宽谱探测光源（2）是近红外宽带光源，中心波长为1550nm，谱宽不小于20
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
5.根据权利要求4所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的光谱仪（5）的波长范围为1525-1565nm，帧速高于10kHz。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的单模光纤（7）的长度范围为1m-10km。
7.一种光纤尖式光声气体传感方法，采用权利要求1-5所述的任意一种光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，步骤如下：
首先，由窄线宽激光光源（1）输出特定波长的激光，经由波分复用器（3）的反射端在单模光纤（7）中传输，通过光纤陶瓷插针（9）右端的光纤端面（11）进入法布里-珀罗腔中；待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片（12）上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室（10）；入射激光激发微型气室（10）中的待测气体，产生光声效应，引起气体周期性的热膨胀，进而产生声信号，从而使声波敏感悬臂梁膜片（12）发生受迫振动；
然后，由光纤端面（11）和声波敏感悬臂梁膜片（12）构成一个法布里-珀罗干涉腔；宽谱探测光源（2）出射的宽谱光先后经过光环形器（4）、波分复用器（3）和单模光纤（7），然后通过光纤陶瓷插针（9）右端的光纤端面（11）入射法布里-珀罗腔，并照射在声波敏感悬臂梁膜片（12）上；声波敏感悬臂梁膜片（12）上刻蚀的悬臂梁末端反射探测光并在腔内形成法布里-珀罗干涉；
最后，声波敏感悬臂梁膜片（12）产生的受迫振动会使得法布里-珀罗腔的腔长发生周期性变化，进而使干涉谱的相位发生变化，由光谱仪（5）接收干涉谱并将信息传输到计算机（6）进行处理，解调出法布里-珀罗腔的动态腔长信息，并根据提取出的二次谐波信号的幅度计算出气体的浓度。
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