CN113281262A - 基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，该系统包括：激励激光器模块、无源音叉、气室、光纤微振动传感模块及和气体信息分析模块，无源音叉设于气室内，气室充满含有目标气体1及目标气体2的待测气体；本发明利用两个不同波长的激光器，同步激发无源音叉频率最低的两个反相共振模式，每一种振动模式探测一种气体，实现双气体同步探测；通过检测两个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、抗噪声、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。

Description

基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探 测方法

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 叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法。

背景技术

多气体在线测量在环境监测、工业控制、农业生产、生物工程和医疗诊 断等领域有着重要的应用。石英增强光声光谱是一种间接的吸收光谱技术， 具有诸多优势：外形紧凑，成本低；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。

但由于石英音叉无法识别被探测到的声波来自于哪些受激分子，传统的 石英增强光声光谱无法实现同步气体监测。即使一个激光器波长能够覆盖两 种目标气体，激光器也不得不在两种气体之间进行波长切换，使探测存在延 时。采用定制低频石英音叉的石英增强光声光谱利用基频和一次泛频实现了 双气体同步探测，但一次泛频频率通常比较高，与气体分子弛豫率不匹配。 同时，无论采用商用标准石英音叉(32.768kHz)还是定制石英音叉，石英 增强光声光谱均需要对微弱的压电电流进行低噪声前置放大，无法适用于强电磁干扰、高温和易燃易爆等特殊环境。

发明内容

本发明提供一种基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统 及其探测方法，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全光纤双气体同步探测光声 光谱系统，所述系统包括：

激励激光器模块、无源音叉、气室、光纤微振动传感模块及和气体信息 分析模块，无源音叉设于气室内，气室充满含有目标气体1及目标气体2的 待测气体；

其中，激励激光器模块用于同时产生两路指定调制频率指定波长的激光 1及激光2，并传输至无源音叉两振臂间的夹缝，目标气体1与激光1进行 作用产生声波信号1，目标气体2与激光2进行作用产生声波信号2，声波 信号1及声波信号2传递给无源音叉，使得无源音叉同时产生前后方向上的 反相共振及左右方向上的反相共振，导致光纤微振动传感模块在前后振动方 向及左右振动上距无源音叉振臂的距离发生变化，光纤微振动传感模块分别 采集基于上述两个距离变化所引起的干涉光相位差变化，气体信息分析模块 进而同时计算目标气体1及目标气体2的气体浓度；

激光1的波长为目标气体1的吸收谱线上的波长，激光1的频率为无源 音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半，激光2的波长为目标气体2 的吸收谱线上的波长，激光2的频率为无源音叉在左右方向上的最小反相共 振频率的一半。

进一步的，激励激光器模块包括：

激光器1和激光器2，激光器1及激光器2通过光纤与波分复用器连接， 波分复用器通过光纤与光纤准直器连接，激光器1产生指定调制频率指定波 长的激光1，激光器2产生指定调制频率指定波长的激光2；

激光1及激光2通过光纤传输至波分复用器，波分复用器将激光1及激 光2耦合成一束激光，耦合后的激光束经光纤输出至激光准直器，激光准直 器输出的准直激光对准无源音叉两振臂间的夹缝。

进一步的，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、二氧化硅、铜或铝，无源音叉基于声波信号1及声波信号2分别产生 前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振。

进一步的，气室包括：

气室本体及设于气室本体上的入射窗及出射窗，入射窗及出射窗布置于 激光入射方向上，无源音叉两振臂间的狭缝对准入射窗，使得准直激光从射 入光窗摄入，透过无源音叉两振臂间的狭缝。

进一步的，光纤微振动传感模块包括：

探测光源、两个光纤干涉仪及信号解调模块，探测光源通过光纤和两个 光纤干涉仪连接，两个光纤干涉仪通过光纤与信号解调模块连接；

以及设置无源音叉振臂上的两个反射薄膜，两个反射薄膜分别设于无源 音叉振臂的两个振动方向，探测光源输出探测激光分别经过两个光纤干涉仪 入射至两个反射薄膜，两路探测光又经反射薄膜的反射分别进入两个光纤干 涉仪，由于无源音叉振臂在前后方向上及左右方向上的振动引起无源音叉振 臂至两个光纤干涉仪间的距离变化，光纤干涉仪采集干涉光的相位差变化， 信号解调模块还原出光纤干涉仪的相位变化。

本发明是这样实现的，一种基于所述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、基于气室内待测的目标气体1及目标气体2的吸收谱线分别确定激 光1及激光2的波长；

S2、基于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率、左右方向上的最 小反相共振频率分别确定激光1、激光2的调制频率；

S3、激励激光器模块同时输出相应调制频率和波长的激光1及激光2， 将耦合后的激光1和激光2入射至无源音叉两振臂间的狭缝，分别与气室内 的目标气体1和目标气体2作用，同时产生声波信号1及声波信号2；

S4、声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，无源音叉基于声波信号 1及声波信号2同时产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振， 引起两光纤干涉仪距无源音叉振臂的距离发生变化；

S5、两光纤干涉仪分别采集基于对应距离变化而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1及目标气体 2的气体浓度。

进一步的，通过调整无源音叉的材料、无源音叉的振臂厚度T及振臂长 度L来控制无源音叉的共振频率。

本发明的基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统利用两 个不同波长的激光器，同步激发无源音叉频率最低的两个反相共振模式，每 一种振动模式探测一种气体，实现双气体同步探测；通过检测两个光纤干涉 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、抗噪声、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全光纤双气体同步探测光声 光谱系统的结构示意图；

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两个反相共振方向，其中，(a) 为前后方向上的反相共振，(b)为前后方向上的反相共振；

图4为本发明实施例提供的气室模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的光纤微振动传感模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于无源音叉的全光纤双气体同步探测方法 流程图；

1.激励激光器模块、11.激光器1、12.激光器2、13.波分复用器、14.光 纤准直器、15.光纤、2.无源音叉、21.底座、22.振臂、23.反射薄膜1、24. 反射薄膜2、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.光纤微振动传感模块、41.探测光源、42.光纤干涉仪1、421.2 ×2结构的3dB光纤耦合器、422.法拉第旋转镜、423.法拉第旋转器、43.光 纤干涉仪2、431.2×2结构的3dB光纤耦合器、432.法拉第旋转镜、433.法 拉第旋转器、44.信号解调模块、5.气体信息分析模块、51.信号发生器、52. 锁相放大器、53.数据采集卡、54.电脑、55.加法器。

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全光纤双气体同步探测光声 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、气室、光纤微振动传感模块及和气体信息 分析模块，无源音叉设于气室内，气室充满含有目标气体1及目标气体2的 待测气体；

其中，激励激光器模块用于同时产生两路指定调制频率指定波长的激光 1及激光2，并传输至无源音叉两振臂间的夹缝，目标气体1与激光1进行 作用产生声波信号1，目标气体2与激光2进行作用产生声波信号2，声波 信号1及声波信号2传递给无源音叉，使得无源音叉同时产生前后方向上的 反相共振及左右方向上的反相共振，导致光纤微振动传感模块在前后振动方 向及左右振动上距无源音叉振臂的距离发生变化，光纤微振动传感模块分别 采集基于上述两个距离变化引起的干涉光相位差变化，气体信息分析模块进 而同时计算目标气体1及目标气体2的气体浓度；

激光1的波长为目标气体1的吸收谱线上的波长，激光1的频率与无源 音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半相同，激光2的波长为目标气 体2的吸收谱线上的波长，激光2的频率与无源音叉在左右方向的最小反相 共振频率的一半相同，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：激光器1和激光器2，激光 器1及激光器2通过光纤与波分复用器连接，波分复用器通过光纤与光纤准 直器连接，激光器1产生指定调制频率指定波长的激光1，激光器1的波长 为目标气体1的吸收谱线上的波长，激光1的频率与无源音叉在前后方向上 的最小反相共振频率的一半相同，激光器2产生指定调制频率指定波长的激 光2，激光2的频率与无源音叉在左右方向上的最小反相共振频率的一半相同；激光1及激光2通过光纤传输至波分复用器，波分复用器将激光1及激 光2耦合成一束激光，耦合后的激光束经光纤输出至激光准直器，激光准直 器输出的准直激光对准无源音叉两振臂间的夹缝，可以是夹缝的中心位置或 者狭缝的非中心位置。

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、二氧化硅、铜或 铝，准直激光传输至无源音叉两振臂间的夹缝时，由于目标气体1与激光1 进行作用产生声波信号1，目标气体2与激光2进行作用产生声波信号2， 因此声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，使得无源音叉同时产生前后 方向上的反相共振及左右方向上的反相共振；其中，声波信号1传递给无源音叉后，无源音叉产生前后方向上的反相共振，声波信号2传递给无源音叉 后，无源音叉产生左右方向上的反相共振，图3(a)给出了无源音叉在前后 方向上的反相共振示意图，图3(b)给出了无源音叉在左右方向上的反相共 振示意图；此外，由于无源音叉可能存在多个前后方向上的反相共振频率及 多个左右方向上的共振频率，优先将前后方向上的反相共振频率最小值作为 无源音叉在前后方向上的反相共振频率，同理，也是优先将左右方向上的反 相共振频率最小值作为无源音叉在左右方向上的反相共振频率。

结合图2，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是所述光纤微振动传感模块的灵敏 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 体的吸收系数和光纤微振动传感模块的灵敏度，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，v_n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。

在本发明实施例中，气室包括：气室本体，设置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，设于气室本体上端的光纤进出孔，采用密封橡胶 密封，其中，无源音叉两振臂间的狭缝对准入射窗，使得准直激光能够从射 入光窗摄入，透过无源音叉两振臂间狭缝，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 设置于气室本体上部，用于输入目标气体，出气口设置于气室本体上部，用 于排出目标气体，光纤进出孔设置于气室本体下部，并采用密封胶密封，如 图4所述。

光纤微振动传感模块包括：探测光源、两个光纤干涉仪(包括光纤干涉 仪1及光纤干涉仪2)及信号解调模块，探测光源通过光纤和两个光纤干涉 仪连接，两个光纤干涉仪通过光纤与信号解调模块连接；

以及设置无源音叉振臂上的两个反射薄膜，两个反射薄膜分别设于无源 音叉振臂的两个振动方向，探测光源输出探测激光分别经过两个光纤干涉仪 入射至两个反射薄膜，两路探测光又经反射薄膜的分别进入两个光纤干涉 仪，由于无源音叉振臂在前后方向上及左右方向上的振动引起无源音叉振臂 至两个光纤干涉仪间的距离变化，进而引起光纤干涉仪输出干涉光的相位差 变化，信号解调模块还原出光纤干涉仪的相位差变化，反射薄膜(23，24) 与对应光纤干涉仪(423，433)的位置关系见图5中。

在本发明实施例中，探测光源为窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光 器；光纤干涉仪为激光干涉仪，例如为光纤迈克尔逊干涉仪，信号解调模块 用于拾取所述无源音叉的振动信号；所述信号解调模块包括光电探测器和信 号解调电路，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，信 号解调电路从光电压中恢复出和相位变化线性相关的电压信号，采用例如相 位载波方案或者外差解调方案来恢复两个光纤干涉仪和输出干涉光的相位 变化。

作为示例，结合图5进行说明，光纤干涉仪为光纤迈克尔逊干涉仪，一 个光纤干涉仪包括一个2×2结构的3dB光纤耦合器，一个法拉第旋转镜以 及一个法拉第旋转器；具体地，法拉第旋转器均设置于气室内，和无源音叉 振臂上的反射薄膜组成传感机构，无源音叉振臂发生振动使得反射薄膜与法 拉第旋转器的距离发生变化，进而引起所述光纤干涉仪的相位发生变化。其 中，法拉第旋转器的尾纤通过气室的光纤进出孔引出，与2×2结构的3dB 光纤耦合器熔接。

在本发明实施例中，气体信息分析模块包括：信号发生器、锁相放大器、 数据采集卡、电脑、加法器；信号发生器通过调制信号线和加法器连接，信 号发生器通过时钟信号线和锁相放大器连接，锁相放大器、数据采集卡以及 电脑通过信号传输线依次连接，数据采集卡过调制信号线和加法器连接，其 中，信号发生器输出正弦波信号至加法器，数据采集卡输出锯齿波信号至加 法器；加法器基于锯齿波信号及正弦波信号调制相应频率下相应波长的激 光；锁相放大器从光纤微振动传感模块输出的两路信号中提取二次谐波信 号，并被数据采集卡和电脑采集和存储，电脑基于二次谐波信号进而计算出 目标气体的浓度。

本发明的基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统利用两 个不同波长的激光器，同步激发无源音叉频率最低的两个反相共振模式，每 一种振动模式探测一种气体，实现双气体同步探测；通过检测两个光纤干涉 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、抗噪声、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6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、基于气室内待测的目标气体1及目标气体2的吸收谱线分别确定激 光1及激光2的波长；

S2、基于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率、左右方向上的最 小反相共振频率分别确定激光1、激光2的调制频率；

S3、激励激光器模块同时输出相应调制频率和波长的激光1及激光2， 将耦合后的激光1和激光2入射至无源音叉两振臂所在的狭缝，分别与气室 内的目标气体1和目标气体2作用，同时产生声波信号1及声波信号2；

S4、该声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，无源音叉同时产生前 后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振，引起两光纤干涉仪距无源音 叉振臂的距离发生变化；

S5、两光纤干涉仪分别采集基于对应距离变化而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1及目标气体 2的气体浓度。

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 (7)

1.一种基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，所述系统包括：

激励激光器模块、无源音叉、气室、光纤微振动传感模块及和气体信息分析模块，无源音叉设于气室内，气室充满含有目标气体1及目标气体2的待测气体；

其中，激励激光器模块用于同时产生两路指定调制频率指定波长的激光1及激光2，并传输至无源音叉两振臂间的夹缝，目标气体1与激光1进行作用产生声波信号1，目标气体2与激光2进行作用产生声波信号2，声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，使得无源音叉同时产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振，导致光纤微振动传感模块在前后振动方向及左右振动上距无源音叉振臂的距离发生变化，光纤微振动传感模块分别采集基于上述两个距离变化所引起的干涉光相位差变化，气体信息分析模块进而同时计算目标气体1及目标气体2的气体浓度；

激光1的波长为目标气体1的吸收谱线上的波长，激光1的频率为无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半，激光2的波长为目标气体2的吸收谱线上的波长，激光2的频率为无源音叉在左右方向上的最小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全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，激励激光器模块包括：

激光器1和激光器2，激光器1及激光器2通过光纤与波分复用器连接，波分复用器通过光纤与光纤准直器连接，激光器1产生指定调制频率指定波长的激光1，激光器2产生指定调制频率指定波长的激光2；

激光1及激光2通过光纤传输至波分复用器，波分复用器将激光1及激光2耦合成一束激光，耦合后的激光束经光纤输出至激光准直器，激光准直器输出的准直激光对准无源音叉两振臂间的夹缝。

3.如权利要求1或2所述基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，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、二氧化硅、铜或铝，无源音叉基于声波信号1及声波信号2分别产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振。

4.如权利要求1所述基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，气室包括：

气室本体及设于气室本体上的入射窗及出射窗，入射窗及出射窗布置于激光入射方向上，无源音叉两振臂间的狭缝对准入射窗，使得准直激光从射入光窗摄入，透过无源音叉两振臂间的狭缝。

5.如权利要求1所述基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，光纤微振动传感模块包括：

探测光源、两个光纤干涉仪及信号解调模块，探测光源通过光纤和两个光纤干涉仪连接，两个光纤干涉仪通过光纤与信号解调模块连接；

以及设置无源音叉振臂上的两个反射薄膜，两个反射薄膜分别设于无源音叉振臂的两个振动方向，探测光源输出探测激光分别经过两个光纤干涉仪入射至两个反射薄膜，两路探测光又经反射薄膜的反射分别进入两个光纤干涉仪，由于无源音叉振臂在前后方向上及左右方向上的振动引起无源音叉振臂至两个光纤干涉仪间的距离变化，光纤干涉仪采集干涉光的相位差变化，信号解调模块还原出光纤干涉仪的相位变化。

6.一种基于所述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、基于气室内待测的目标气体1及目标气体2的吸收谱线分别确定激光1及激光2的波长；

S2、基于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率、左右方向上的最小反相共振频率分别确定激光1、激光2的调制频率；

S3、激励激光器模块同时输出相应调制频率和波长的激光1及激光2，将耦合后的激光1和激光2入射至无源音叉两振臂间的狭缝，分别与气室内的目标气体1和目标气体2作用，同时产生声波信号1及声波信号2；

S4、声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，无源音叉基于声波信号1及声波信号2同时产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振，引起两光纤干涉仪距无源音叉振臂的距离发生变化；

S5、两光纤干涉仪分别采集基于对应距离变化而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1及目标气体2的气体浓度。

7.如权利要求6所述气体浓度探测方法，其特征在于，通过调整无源音叉的材料、无源音叉的振臂厚度T及振臂长度L来控制无源音叉的共振频率。

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