CN117233112A - 一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乙炔气体检测技术领域，是一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统及方法，其前者包括光纤耦合器、单模光纤、单光纤光声传感探头和带通介质薄膜滤光片；光纤耦合器接收激发光和宽谱光，并经单模光纤输出；单光纤光声传感探头接收激发光产生光声效应；单光纤光声传感探头接收宽谱光，将其在内部干涉后输出干涉光至光纤耦合器；带通介质薄膜滤光片接收光纤耦合器输出的干涉光，并滤除干涉光中部分激发光后输出；本发明结构简单，使用方便，通过设置单模光纤连接单光纤光声传感探头，单模光纤即可实现激发光和宽谱光的输出，减少了光纤资源的占用，使得整个装置体积小，方便使用。

Description

一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统及方法

技术领域

本发明涉及乙炔气体检测技术领域，尤其涉及一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统及方法。

背景技术

常见的微量乙炔气体检测方法有电化学传感法、催化燃烧法、气相色谱法、光声光谱法等，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。

痕量乙炔气体检测在基于变压器油中溶解气体的故障分析以及工业的安全生产中具有重要的意义。传统的光声光谱法是使用气体吸收池结合声波探测器来检测乙炔气体，通常气室体积较大、结构复杂。采用光纤光声传感器可以大大减小气室体积，简化结构，更重要的是可以进行远距离监测和实现检测的本质安全。光纤光声传感器包括气体吸收池和基于法布里-珀罗腔的声波探测器，其检测灵敏度主要取决于声波探测器的检测性能和气体吸收池的性能。文献Lock-in white-light-interferometry-based all-opticalphotoacoustic spectrometer，2018. 43(20): 5038-41 报道了一种基于锁相的白光干涉解调仪，可快速解调法布里-珀罗腔的腔长信息。

现有乙炔气体检测的装置结构复杂，导致体积大，且乙炔测量使用的光纤传感探头需要连接两路光纤，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，光纤资源占用多，不利于减小体积；同时现有使用单光纤光声传感器检测甲烷气体的装置采用波分复用器，受限于波分复用器两个不同通道的波段，导致该装置无法用来检测乙炔等气体，从而不利于单光纤光声传感系统的使用。

发明内容

本发明提供了一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统及方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有乙炔气体测量使用的测量装置结构复杂以及连接光纤传感探头需要连接两路光纤导致光纤资源占用多，以及体积大的问题。

进一步的，本发明还解决了现有使用单光纤光声传感器检测甲烷气体的装置采用波分复用器，受限于波分复用器两个不同通道的波段，导致该装置无法用来检测乙炔等气体的问题。

为解决上述问题，本发明技术方案之一是通过以下技术手段来实现的：一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，包括光纤耦合器、单模光纤、单光纤光声传感探头和带通介质薄膜滤光片；

光纤耦合器接收激发光和宽谱光，并经单模光纤输出；

单光纤光声传感探头接收激发光产生光声效应；单光纤光声传感探头接收宽谱光，将其在内部干涉后输出干涉光至光纤耦合器；

带通介质薄膜滤光片接收光纤耦合器输出的干涉光，并滤除干涉光中部分激发光后输出。

上述单光纤光声传感探头包括光纤陶瓷插针、微型气室、光纤端面和声波敏感悬臂梁膜片，微型气室的右侧设有声波敏感悬臂梁膜片，待测气体经声波敏感悬臂梁膜片上的悬臂梁缝隙扩散进入微型气室；微型气室内部左侧套装有内部套装单模光纤的光纤陶瓷插针，光纤陶瓷插针右侧的单模光纤端面与声波敏感悬臂梁膜片之间形成法布里-珀罗腔。

上述还包括激发光输出模块，激发光输出模块包括窄线宽激光光源和光隔离器，窄线宽激光光源输出调制激发光至光隔离器；光隔离器将调制激发光输入光纤耦合器。

上述还包括宽谱光模块，宽谱光模块包括宽谱探测光源和光环形器，宽谱探测光源将宽谱光经光环形器输出至光纤耦合器；光环形器接收光纤耦合器输出的干涉光，并输出至带通介质薄膜滤光片。

上述还包括光接收处理模块，光接收处理模块包括高速光谱仪和计算机，高速光谱仪接收干涉光，并将干涉光转变为电信号；计算机接收电信号进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

上述带通介质薄膜滤光片的透射带波长范围为1535nm-1570nm；或/和，声波敏感悬臂梁膜片的表面镀金，其长度小于3mm，厚度小于20μm；或/和，窄线宽激光光源的波长是1532.8nm，线宽小于1pm。

本发明技术发方案之二是通过以下技术手段来实现的：一种微型光纤痕量乙炔气体检测方法，包括以下步骤：

S101，窄线宽激光光源输出特定波长的激发光，经光隔离器，由光纤耦合器的一个耦合端在单模光纤中传输；

S102，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室；激发光入射激光激发微型气室中的待测气体，产生光声效应；

S103，宽谱探测光源出射的宽谱光先后经过光环形器、光纤耦合器和单模光纤，通过光纤陶瓷插针右端的光纤端面入射微型气室，并照射在声波敏感悬臂梁膜片上；

S104，声波敏感悬臂梁膜片上刻蚀的悬臂梁末端反射宽谱光并在法布里-珀罗腔内形成法布里-珀罗干涉；

S105，干涉后的光反射耦合进单模光纤，由光纤耦合器分光到光纤隔离器和光纤环形器；

S106，光纤环形器返回的干涉光经过带通介质薄膜滤光片滤除部分由窄线宽激光光源输出的激发光，进入高速光谱仪；

S107，高速光谱仪接收干涉光并将信息传输到计算机进行处理。

本发明结构简单，使用方便，通过设置单模光纤连接单光纤光声传感探头，单模光纤即可实现激发光和宽谱光的输出，减少了光纤资源的占用，使得整个装置体积小，方便使用；同时本发明通过设置光纤耦合器，使得激发光和宽谱光经光纤耦合器耦合，并在同一根光纤中传输，反射的干涉光也经光纤耦合器耦合，并通过带通介质薄膜滤光片滤除干涉光强中的激发光，实现了乙炔气体的检测。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1 的系统结构示意图。

图2为单光纤光声传感探头的结构示意图。

图3为本发明实施例2的方法流程示意图。

图4为实施例中高速光谱仪获取的受到调制激发光干扰的白光干涉谱。

图5为实施例中光纤光声传感系统在500ppm乙炔气体下获得的二次谐波信号。

图中：1-光纤陶瓷插针，2-微型气室，3-光纤端面，4-声波敏感悬臂梁膜片，5-单模光纤。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图2的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图2的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如图1所示，一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，包括光纤耦合器、单模光纤5、单光纤光声传感探头和带通介质薄膜滤光片；

光纤耦合器接收激发光和宽谱光，并经单模光纤5输出；

单光纤光声传感探头接收激发光产生光声效应；单光纤光声传感探头接收宽谱光，将其在内部干涉后输出干涉光至光纤耦合器；

带通介质薄膜滤光片接收光纤耦合器输出的干涉光，并滤除干涉光中部分激发光后输出。

上述光纤耦合器为是1x2的分束器，分光比为50：50；单模光纤5是G652单模光纤5，长度范围为1m-100km；

上述带通介质薄膜滤光片的透射带波长范围为1535nm-1570nm；通过设置带通介质薄膜滤光片滤除干涉光中反射的激发光，减弱激发光对法布里-珀罗干涉谱的干扰，并且在信号处理方面截断信噪比较差的光谱范围。

使用时，光纤耦合器将接收到的激发光经单模光纤5输出至单光纤光声传感探头，单光纤光声传感探头接收激发光，待测气体进入到单光纤光声传感探头内，激发光激发待测气体，产生光声效应，引起待测气体周期性的热碰撞，进而产生声信号，使单光纤光声传感探头产生受迫振动；光纤耦合器将接收到的宽谱光经单模光纤5输出至单光纤光声传感探头，在单光纤光声传感探头内形成法布里-珀罗干涉，干涉后的干涉光反射耦合进单模光纤5，由光纤耦合器输出至带通介质薄膜滤光片，经过带通介质薄膜滤光片滤除部分激发光后输出。

综上，本发明结构简单，使用方便，通过设置单模光纤5连接单光纤光声传感探头，单模光纤5即可实现激发光和宽谱光的输出，减少了光纤资源的占用，使得整个装置体积小，方便使用；同时本发明通过设置光纤耦合器，使得激发光和宽谱光经光纤耦合器耦合，并在同一根光纤中传输，反射的干涉光也经光纤耦合器耦合，并通过带通介质薄膜滤光片滤除干涉光强中的激发光，实现了乙炔气体的检测。

如图2所示，单光纤光声传感探头包括光纤陶瓷插针1、微型气室2、光纤端面3和声波敏感悬臂梁膜片4，微型气室2的右侧设有声波敏感悬臂梁膜片4，待测气体经声波敏感悬臂梁膜片4上的悬臂梁缝隙扩散进入微型气室2；微型气室2内部左侧套装有内部套装单模光纤5的光纤陶瓷插针1，光纤陶瓷插针1右侧的单模光纤5端面3与声波敏感悬臂梁膜片4之间形成法布里-珀罗腔。

上述微型气室2的腔长可为2.2mm，半径可为1.5mm；声波敏感悬臂梁膜片4是硅基悬臂梁，其长可为0.8mm，宽可为0.4mm，厚度可为5μm；刻蚀矩形悬臂梁的缝隙的宽度约为10μm，以使气体通过缝隙扩散进入微型气室2内。

激发光经光纤耦合器的一个耦合端在单模光纤5中传输，通过光纤陶瓷插针1右端的光纤端面3进入单光纤光声传感探头中，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片4上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室2，激发光入射激光激发微型气室2中的待测气体，产生光声效应，引起待测气体周期性的热膨胀，进而产生声信号，使声波敏感悬臂梁膜片4产生受迫振动；宽谱光经光纤耦合器和单模光纤5，通过光纤陶瓷插针1右端的光纤端面3入射微型气室2，并照射在声波敏感悬臂梁膜片4上，声波敏感悬臂梁膜片4上刻蚀的悬臂梁末端反射宽谱光并在光纤端面3和声波敏感悬臂梁膜片4构成的法布里-珀罗腔内形成法布里-珀罗干涉，干涉后的干涉光反射耦合进单模光纤5，由光纤耦合器输出；声波敏感悬臂梁膜片4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，进而使干涉光的相位发生变化。

由此，本发明通过将光声池和法布里-珀罗干涉腔集成在一个微型气室2，结合微电机系统（MEMS）技术可以设计成微型光纤光声传感探头，避免了乙炔气体检测时的强电磁干扰问题，便于狭窄管道中的微量乙炔气体检测。

如图1所示，还包括激发光输出模块，激发光输出模块包括窄线宽激光光源和光隔离器，窄线宽激光光源输出调制激发光至光隔离器；光隔离器将调制激发光输入光纤耦合器。

上述窄线宽激光光源可为中心波长1532.8nm的分布反馈（DFB）激光器，线宽小于1pm，功率为10mW；其中窄线宽激光光源在中心波长为1532.8nm，调制频率为1kHz下，本发明在500ppm乙炔气体下获得的二次谐波信号如图5所示；窄线宽激光光源输出调制激发光；光隔离器用于将激发光输入至光纤耦合器，同时隔离光纤耦合器输出的干涉光，避免干涉光反射至窄线宽激光光源。

如图1所示，还包括宽谱光模块，宽谱光模块包括宽谱探测光源和光环形器，宽谱探测光源将宽谱光经光环形器输出至光纤耦合器；光环形器接收光纤耦合器输出的干涉光，并输出至带通介质薄膜滤光片。

上述宽谱探测光源为中心波长1550±10nm，谱宽不小于20nm的宽谱探测光源；宽谱探测光源输出宽谱光，宽谱光经光环形器、带通介质薄膜滤光片输出至光纤耦合器，经光纤耦合器进入到单模光纤5，在单光纤光声传感探头中与窄线宽激光光源发出的激发光产生干涉，返回的干涉光依次经由光纤耦合器、光环形器和带通介质薄膜滤光片输出。

如图1所示，还包括光接收处理模块，光接收处理模块包括高速光谱仪和计算机，高速光谱仪接收干涉光，并将干涉光转变为电信号；计算机接收电信号进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

上述高速光谱仪为波长范围为1525nm-1570nm，帧速高于5kHz的高速微型光谱仪；高速光谱仪接收过滤后的干涉光，其干涉光谱如图4所示，截断信噪比差的光谱范围，利用高信噪比的干涉光谱解调法布里-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，并将其转化为电信号，计算机读取携带气体浓度的电信号，并进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

实施例2：如图3所示，一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S101，窄线宽激光光源输出特定波长的激发光，经光隔离器，由光纤耦合器的一个耦合端在单模光纤5中传输；

S102，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片4上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室2；激发光入射激光激发微型气室2中的待测气体，产生光声效应；

其中步骤S102中，光声效应具体为，激发光入射激光激发微型气室2中的待测气体，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4产生受迫振动；

S103，宽谱探测光源出射的宽谱光先后经过光环形器、光纤耦合器和单模光纤5，通过光纤陶瓷插针1右端的光纤端面3入射微型气室2，并照射在声波敏感悬臂梁膜片4上；

S104，声波敏感悬臂梁膜片4上刻蚀的悬臂梁末端反射宽谱光并在法布里-珀罗腔内形成法布里-珀罗干涉；

S105，干涉后的光反射耦合进单模光纤5，由光纤耦合器分光到光纤隔离器和光纤环形器；

S106，光纤环形器返回的干涉光经过带通介质薄膜滤光片滤除部分由窄线宽激光光源输出的激发光，进入高速光谱仪；

S107，光谱仪接收干涉光并将信息传输到计算机进行处理。

上述步骤S107中，声波敏感悬臂梁膜片4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，高速光谱仪接收干涉光并截断信噪比差的光谱范围，利用1535nm-1570nm的干涉谱进行解调，获得法布里-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，并将其转化为电信号输出至计算机，计算进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

Claims (10)

1.一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，包括光纤耦合器、单模光纤、单光纤光声传感探头和带通介质薄膜滤光片；

光纤耦合器接收激发光和宽谱光，并经单模光纤输出；

单光纤光声传感探头接收激发光产生光声效应；单光纤光声传感探头接收宽谱光，将其在内部干涉后输出干涉光至光纤耦合器；

带通介质薄膜滤光片接收光纤耦合器输出的干涉光，并滤除干涉光中部分激发光后输出。

2.根据权利要求1所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，单光纤光声传感探头包括光纤陶瓷插针、微型气室、光纤端面和声波敏感悬臂梁膜片，微型气室的右侧设有声波敏感悬臂梁膜片，待测气体经声波敏感悬臂梁膜片上的悬臂梁缝隙扩散进入微型气室；微型气室内部左侧套装有内部套装单模光纤的光纤陶瓷插针，光纤陶瓷插针右侧的单模光纤端面与声波敏感悬臂梁膜片之间形成法布里-珀罗腔。

3.根据权利要求1或2所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括激发光输出模块，激发光输出模块包括窄线宽激光光源和光隔离器，窄线宽激光光源输出调制激发光至光隔离器；光隔离器将调制激发光输入光纤耦合器。

4.根据权利要求1或2所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括宽谱光模块，宽谱光模块包括宽谱探测光源和光环形器，宽谱探测光源将宽谱光经光环形器输出至光纤耦合器；光环形器接收光纤耦合器输出的干涉光，并输出至带通介质薄膜滤光片。

5.根据权利要求3所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括宽谱光模块，宽谱光模块包括宽谱探测光源和光环形器，宽谱探测光源将宽谱光经光环形器输出至光纤耦合器；光环形器接收光纤耦合器输出的干涉光，并输出至带通介质薄膜滤光片。

6.根据权利要求1或2或5所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括光接收处理模块，光接收处理模块包括高速光谱仪和计算机，高速光谱仪接收干涉光，并将干涉光转变为电信号；计算机接收电信号进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

7.根据权利要求3所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括光接收处理模块，光接收处理模块包括高速光谱仪和计算机，高速光谱仪接收干涉光，并将干涉光转变为电信号；计算机接收电信号进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

8.根据权利要求4所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，还包括光接收处理模块，光接收处理模块包括高速光谱仪和计算机，高速光谱仪接收干涉光，并将干涉光转变为电信号；计算机接收电信号进行数据的提取、处理和显示浓度信息。

9.根据权利要求3所述的一种微型光纤痕量乙炔气体检测系统，其特征在于，带通介质薄膜滤光片的透射带波长范围为1535nm-1570nm；或/和，声波敏感悬臂梁膜片的表面镀金，其长度小于3mm，厚度小于20μm；或/和，窄线宽激光光源的波长是1532.8nm，线宽小于1pm。

10.一种使用如权利要求1至9任一项所述的微型光纤痕量乙炔气体检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，窄线宽激光光源输出特定波长的激发光，经光隔离器，由光纤耦合器的一个耦合端在单模光纤中传输；

S102，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室；激发光入射激光激发微型气室中的待测气体，产生光声效应；

S103，宽谱探测光源出射的宽谱光先后经过光环形器、光纤耦合器和单模光纤，通过光纤陶瓷插针右端的光纤端面入射微型气室，并照射在声波敏感悬臂梁膜片上；

S104，声波敏感悬臂梁膜片上刻蚀的悬臂梁末端反射宽谱光并在法布里-珀罗腔内形成法布里-珀罗干涉；

S105，干涉后的光反射耦合进单模光纤，由光纤耦合器分光到光纤隔离器和光纤环形器；

S106，光纤环形器返回的干涉光经过带通介质薄膜滤光片滤除部分由窄线宽激光光源输出的激发光，进入高速光谱仪；

S107，高速光谱仪接收干涉光并将信息传输到计算机进行处理。