CN213957138U - 一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统 - Google Patents
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Abstract
一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统，涉及光纤气体传感和激光光声光谱技术领域，解决传感器存在易受环境噪音干扰引起气体浓度测量误差增大问题；气体通过多个微小气孔扩散进入微型气室后通过声音敏感膜片上的缝隙进入到光声微腔，光声激发光通过光纤准直器入射到光声微腔后激发产生光声压力波，引起声音敏感膜片发生周期性振动；单模光纤端面与声音敏感膜片构成光纤法布里‑珀罗干涉仪，干涉仪测量膜片挠度大小反演待测气体的浓度，保留传感器的扩散式气体测量特点，使其具备了隔离高频噪音能力，结合工作频率主动选择方法和锁相放大器的窄带探测技术，降低了传感器对气体浓度测量中环境噪音引起的误差，提高了系统可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤气体传感和激光光声光谱技术领域，涉及一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统。
背景技术
微量气体检测技术已在电气设备故障特征气体分析、环境污染气体监测和煤矿安全监测等应用中发挥了重要作用。目前微量气体检测方法主要有气相色谱法、电化学传感法、半导体气敏传感法、红外吸收光谱法、光声光谱法和光纤传感法等。其中，光纤气体传感技术具有本质安全和可远程测量的特点，在石化厂区和煤矿等易燃易爆环境下的气体监测中具有无法比拟的优势。
光纤气体传感器从原理上主要有气敏型和光谱吸收型。气敏型传感器利用气敏材料对光纤光栅等进行修饰，气体浓度变化后改变特征光谱，但存在交叉干扰大、响应速度较慢和重复性较差等缺点。由于红外光谱区是大多数极性中小气体分子的特征吸收光谱波段，将吸收光谱技术与光纤传感技术结合，即可实现对待测气体的远程测量。吸收光谱法主要包括可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS，Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy)和激光光声光谱。TDLAS的测量灵敏度与吸收光程成正比，通常需要体积较大的气体吸收池，并且基于TDLAS的光纤气体传感器的检测极限通常只能做到几十个ppm。而采用的基于单程吸收光声池的激光光声光谱法的检测灵敏度则与吸收程长度的关系不大，体积能够做到毫升量级，检测极限较容易达到ppm量级。
现有技术中，文献Zhou S,Slaman M,Iannuzzi D.Demonstration of a highlysensitive photoacoustic spectrometer based on a miniaturized all-opticaldetecting sensor[J].Optics express,2017,25(15):17541-17548和文献Chen K,Guo M,Liu S,et al.Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gasmicro-leakage[J].Optics express,2019,27(4):4648-4659公开了微型光纤光声气体传感器，光声激发光和光声探测光均采用光纤传输，对乙炔气体的检测极限均可达到ppb量级。
然而上述文献，设计的传感器采用悬臂梁探测光声信号，悬臂梁同时能响应环境中的声波信号，导致存在易受环境噪音干扰产生浓度测量误差的问题，严重影响光纤光声气体传感器在现场的广泛应用。因此，设计一种对环境噪音免疫的高灵敏度光纤光声气体传感器具有重要的应用价值。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种抗环境噪音干扰的光纤光声气体传感系统及方法，旨在解决目前光纤光声气体传感器中存在的易受环境噪音干扰引起气体浓度测量误差增大的问题，为光纤光声气体传感技术在恶劣环境气体检测中的应用拓展更大的空间。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，包括：光纤准直器(9)、单模光纤(10)、光声微腔(11)、微型气室(12)、扩散小孔(13)、声音敏感膜片(14)和隔音外壳(15)；所述的隔音外壳(15)内部开有微型气室(12)，微型气室(12)上开设有多个扩散小孔(13)与外部连通；所述的声音敏感膜片(14)安装于微型气室(12)的内部，在隔音外壳(15)内部、垂直于微型气室(12)的方向开设有光声微腔(11)，光声微腔(11)的一端与外部连通另一端与微型气室(12)连通，所述的光纤准直器(9)密封安装于光声微腔(11)的与外部连通的一端；单模光纤(10)沿着隔音外壳(15)的水平中线方向与微型气室(12)连接。
在光纤光声传感探头(5)上增加开设有多个扩散小孔(13)的隔音外壳(15)，既保留了传感器的扩散式气体测量特点，又使其具备了隔离高频噪音的能力。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的声音敏感膜片(14)的中心与单模光纤(10)端面构成光纤法布里-珀罗干涉仪。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的声音敏感膜片包括多条缝隙(141)，多条所述的缝隙(141)在声音敏感膜片(14)的中央位置形成十字形梁结构。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的微型气室(12)为圆柱形。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的扩散小孔(13)是沿着微型气室(12)的直径方向开设的。
一种采用所述的抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头的传感系统，包括信号采集与处理电路(1)、激光光源驱动电路(2)、光声激发光源(3)、双芯光纤(4)、光纤光声传感探头(5)、探测光源(6)、光纤环形器(7)和光电探测器(8)；所述的光电探测器(8)的输入端与光纤环形器(7)的3#端口连接，光电探测器(8)的输出端、信号采集与处理电路(1)、激光光源驱动电路(2)、光声激发光源(3)依次串联后通过双芯光纤(4)的其中一根光纤与光纤光声传感探头(5)连接；探测光源(6)与光纤环形器(7)的1#端口连接，光纤环形器(7)的2#端口通过双芯光纤(4)的另一根光纤与光纤光声传感探头(5)连接。
本实用新型的技术方案结合工作频率主动选择方法和锁相放大器的窄带探测技术，大幅度降低光纤光声传感器对气体浓度测量中环境噪音引起的误差；在几乎不增加光纤光声传感系统的成本下，大幅度提高了系统的可靠性和稳定性，且保留了系统自身具备的本质安全和可远程遥测的优点，为高灵敏和高可靠的光纤气体传感提供了一种极具竞争力的技术方案。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的信号采集与处理电路(1)采用基于FPGA的数字锁相放大器。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的光声激发光源(3)采用可耦合到单模光纤的近红外波长可调谐窄线宽激光光源。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的双芯光纤(4)由两根G652单模光纤组成。
作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述的探测光源(6)是波长可调谐窄线宽激光光源。
本实用新型的优点在于：
(1)在光纤光声传感探头(5)上增加开设有多个扩散小孔(13)的隔音外壳(15)，既保留了传感器的扩散式气体测量特点，又使其具备了隔离高频噪音的能力，结合工作频率主动选择方法和锁相放大器的窄带探测技术，大幅度降低光纤光声传感器对气体浓度测量中环境噪音引起的误差。
(2)本实用新型的技术方案在几乎不增加光纤光声传感系统的成本下，大幅度提高了系统的可靠性和稳定性，且保留了系统自身具备的本质安全和可远程遥测的优点，为高灵敏和高可靠的光纤气体传感提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是光纤光声传感探头的结构剖面示意图；
图2是声音敏感膜片的结构示意图；
图3是本实用新型系统的结构示意图；
图4是本实用新型系统测量的流程图；
图5是利用声学仿真软件得到的高频信号从小孔外侧通过扩散小孔后到达膜片中心的声压值变化曲线图；
图中：1-信号采集与处理电路；2-激光光源驱动电路；3-光声激发光源；4-双芯光纤；5-光纤光声传感探头；6-探测光源；7-光纤环形器；8-光电探测器；9-光纤准直器；10-单模光纤；11-光声微腔；12-微型气室；13-扩散小孔；14-声音敏感膜片；15-隔音外壳。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述：
实施例一
图1是光纤光声传感探头5的结构剖面示意图，光纤光声传感探头5包括：光纤准直器9、单模光纤10、光声微腔11、微型气室12、扩散小孔13、声音敏感膜片14和隔音外壳15；所述的隔音外壳15内部开有圆形的微型气室12，沿着微型气室12的直径方向开设有多个扩散小孔13与外部连通；所述的声音敏感膜片14安装于微型气室12的内部；在隔音外壳15内部、垂直于微型气室12的方向开设有光声微腔11，光声微腔11的一端与外部连通另一端与微型气室12连通，所述的光纤准直器9密封安装于光声微腔11的与外部连通的一端；单模光纤10沿着隔音外壳15的水平中线方向与微型气室12连接。
光纤准直器9用于将光声激发光源3发射的激光耦合到光声微腔11中，光声微腔11的内径和长度分别为1mm和10mm；隔音外壳15的直径为20mm，隔音外壳15上开有2个直径约为0.2mm的扩散小孔13，用于加速气体扩散到光声微腔11中，且能隔离环境噪音中的高频分量。
图2是声音敏感膜片14的结构示意图，声音敏感膜片14为高反射率膜片，包括多条缝隙141，多条所述的缝隙141在声音敏感膜片14的中央位置形成十字形梁结构，声音敏感膜片14的中心与单模光纤10端面构成法布里-珀罗腔，光纤法布里-珀罗干涉仪的静态腔长约为260μm；待测气体通过膜片上的缝隙141扩散到光声微腔11中，声音敏感膜片14利用MEMS工艺加工制作，膜片直径为10mm，膜片上的缝隙141宽度为5μm。
光纤光声传感探头5的工作原理：气体通过多个扩散小孔13扩散进入微型气室12后通过声音敏感膜片14上的缝隙141进入到光声微腔11，光声激发光通过光纤准直器9入射到光声微腔11后激发产生光声压力波，引起声音敏感膜片14发生周期性振动。单模光纤10端面与声音敏感膜片14构成光纤法布里-珀罗干涉仪，采用该干涉仪测量膜片的挠度大小反演待测气体的浓度。隔音外壳上面开有多个扩散小孔13，这些扩散小孔13对环境噪音的隔离效果相当于一个低通滤波器，即只有环境噪音中的低频分量才能通过，而高频分量则被“挡”在光声传感探头的外部，其截止频率与扩散小孔13的数量和大小有关；这些扩散小孔13在隔离高频环境噪音的同时，还可以加快气体扩散到光声微腔的速度，降低系统响应时间；在气体测量前关闭激光器，首先探测环境噪声并对噪音进行频谱分析，根据频谱分析结果，选择环境噪声较小的频率作为系统的工作频率；此外，利用锁相放大器的窄带探测技术，大幅度降低光纤光声气体浓度检测传感器受到的环境噪音干扰。
如图3所示，一种光纤光声气体传感系统，包括信号采集与处理电路1、激光光源驱动电路2、光声激发光源3、双芯光纤4、光纤光声传感探头5、探测光源6、光纤环形器7和光电探测器8；所述的光电探测器8的输入端与光纤环形器7的3#端口连接，光电探测器8的输出端、信号采集与处理电路1、激光光源驱动电路2、光声激发光源3依次串联后通过双芯光纤4的其中一根光纤与光纤光声传感探头5连接；探测光源6与光纤环形器7的1#端口连接，光纤环形器7的2#端口通过双芯光纤4的另一根光纤与光纤光声传感探头5连接。
光纤环形器7将从1#端口输入的光信号传输到2#端口，从2#端口输入的光信号传输到3#端口，实现了光路的不可逆；光纤环形器7具有隔离度高、插入损耗低、PDL低、偏振模色散低、环境稳定性好等优点。
系统的工作原理如下：信号采集与处理电路1控制激光光源驱动电路2，从而关闭光声激发光源3；探测光源6发射的探测激光经光纤环形器7后入射到光纤光声传感探头5，返回的法布里-珀罗干涉信号光经光纤环形器7后被光电探测器8接收；信号采集与处理电路1采集光电探测器8转换的光电信号，经快速傅里叶变换对探测的环境噪音进行频谱分析；根据频谱分析结果，选择环境噪音中干扰较低的频率为接下来光声测量的工作频率。然后，信号采集与处理电路1产生电流调制信号控制激光光源驱动电路2，电流调制频率为已选择的工作频率的一半，激光光源驱动电路2对光声激发光源3进行电流和恒温控制；光声激发光源3发射的激光经过双芯光纤4中的其中一根光纤传输到光纤光声传感探头5中，待测气体吸收光声激发光，在振动-转动跃迁过程中将光能转换为平动能，释放的热量使光纤光声传感探头5中气体发生周期性膨胀产生光声压力波；探测光源6发射的探测激光经光纤环形器7后，从双芯光纤4中的另一根光纤入射到光纤光声传感探头5，返回的干涉信号光经光纤环形器7后被光电探测器8接收；信号采集与处理电路1采集光电探测器8转换的光电信号，经滤波和二次谐波检测-锁相放大等数字信号处理后提取出光声信号；最后，信号采集与处理电路1根据光声信号的幅度计算出待测气体的浓度。
信号采集与处理电路1的核心是基于FPGA的数字锁相放大器，且能产生锯齿波与正弦波的叠加信号用来对光声激发光源3进行电流调制；优选地，所述的信号采集与处理电路1的核心是基于锁相放大技术的二次谐波检测器。
所述的光声激发光源3是可耦合到单模光纤的近红外波长可调谐窄线宽激光光源，且待测气体在其中心波长处具有较大的吸收系数；优选地，所述的光声激发光源3是中心波长为1531.6nm的分布反馈(DFB)激光器，功率为15mW。所述的双芯光纤4由两根G652单模光纤组成。所述的探测光源6是波长可调谐窄线宽激光光源，优选地，探测光源6是中心波长为1550nm的DFB激光器，功率为5mW。
如图4所示，采用开有扩散小孔13的隔音外壳15结合的工作频率主动选择方法，通过隔离环境噪音中的高频干扰，并且使传感器工作在低环境噪音干扰频率下，利用锁相放大器的窄带探测技术，大幅度降低光纤光声传感器对气体浓度测量中环境噪音引起的误差；具体如下：
首先，探测光源6发射的探测激光经光纤环形器7后入射到光纤光声传感探头5中，返回的法布里-珀罗干涉信号光经光纤环形器7后被光电探测器8接收；信号采集与处理电路1采集光电探测器8转换的光电信号，采用干涉-强度解调法还原出声波信号，经快速傅里叶变换对探测的环境噪音进行频谱分析；根据光纤光声传感探头5对外界声波的频率响应情况以及频谱分析结果，在高频频率范围内选择环境噪音中的低干扰频率为接下来光声测量的工作频率；再根据光纤光声传感探头5的频率响应曲线对实际工作频率的测量值进行补偿，补偿系数为实际工作频率的响应与默认工作频率的响应之商。
然后，信号采集与处理电路1产生电流调制信号控制激光光源驱动电路2，电流调制频率为已选择的工作频率的一半，激光光源驱动电路2对光声激发光源3进行电流和恒温控制；光声激发光源3发射的激光经过双芯光纤4中的其中一根光纤传输到光纤光声传感探头5中，待测气体吸收光声激发光，在振动-转动跃迁过程中将光能转换为平动能，释放的热量使光纤光声传感探头5中气体发生周期性膨胀产生光声压力波；探测光源6发射的探测激光经光纤环形器7后，从双芯光纤4中的另一根光纤入射到光纤光声传感探头5，返回的干涉信号光经光纤环形器7后被光电探测器8接收；信号采集与处理电路1采集光电探测器8转换的光电信号，经滤波和二次谐波检测-锁相放大的数字信号处理后提取出光声信号。
最后，信号采集与处理电路1根据光声信号的幅度计算出待测气体的浓度。
所述的干涉-强度解调法是通过设置探测光源6的中心波长，使工作点锁定在光纤光声传感探头5中用于光声探测的光纤法布里-珀罗干涉仪的干涉曲线斜率绝对值的最大位置，使声波探测具有最高的灵敏度和最大的线性响应范围。
图5是利用声学仿真软件得到的高频信号从小孔外侧通过扩散小孔后到达膜片中心的声压值变化曲线。在声波从传感器外部通过扩散小孔传导到传感器内部的过程中，扩散小孔对声波的粘滞阻尼会对声波产生阻挡，声压会随着进一步的深入而逐渐衰落；当声波穿过小孔后声波会在内腔多次反射并产生一定的叠加增强，进而使得内腔端小孔的孔内声压随着接近内腔而逐渐增大。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，其特征在于，包括：光纤准直器(9)、单模光纤(10)、光声微腔(11)、微型气室(12)、扩散小孔(13)、声音敏感膜片(14)和隔音外壳(15)；所述的隔音外壳(15)内部开有微型气室(12)，微型气室(12)上开设有多个扩散小孔(13)与外部连通；所述的声音敏感膜片(14)安装于微型气室(12)的内部，在隔音外壳(15)内部、垂直于微型气室(12)的方向开设有光声微腔(11)，光声微腔(11)的一端与外部连通另一端与微型气室(12)连通，所述的光纤准直器(9)密封安装于光声微腔(11)的与外部连通的一端；单模光纤(10)沿着隔音外壳(15)的水平中线方向与微型气室(12)连接。
2.根据权利要求1所述的一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，其特征在于，所述的声音敏感膜片(14)的中心与单模光纤(10)端面构成光纤法布里-珀罗干涉仪。
3.根据权利要求1所述的一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，其特征在于，所述的声音敏感膜片包括多条缝隙(141)，多条所述的缝隙(141)在声音敏感膜片(14)的中央位置形成十字形梁结构。
4.根据权利要求1所述的一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，其特征在于，所述的微型气室(12)为圆柱形。
5.根据权利要求1所述的一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头，其特征在于，所述的扩散小孔(13)是沿着微型气室(12)的直径方向开设的。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头的传感系统，其特征在于，包括信号采集与处理电路(1)、激光光源驱动电路(2)、光声激发光源(3)、双芯光纤(4)、光纤光声传感探头(5)、探测光源(6)、光纤环形器(7)和光电探测器(8)；所述的光电探测器(8)的输入端与光纤环形器(7)的3#端口连接，光电探测器(8)的输出端、信号采集与处理电路(1)、激光光源驱动电路(2)、光声激发光源(3)依次串联后通过双芯光纤(4)的其中一根光纤与光纤光声传感探头(5)连接；探测光源(6)与光纤环形器(7)的1#端口连接，光纤环形器(7)的2#端口通过双芯光纤(4)的另一根光纤与光纤光声传感探头(5)连接。
7.根据权利要求6所述的传感系统，其特征在于，所述的信号采集与处理电路(1)采用基于FPGA的数字锁相放大器。
8.根据权利要求6所述的传感系统，其特征在于，所述的光声激发光源(3)采用可耦合到单模光纤的近红外波长可调谐窄线宽激光光源。
9.根据权利要求6所述的传感系统，其特征在于，所述的双芯光纤(4)由两根G652单模光纤组成。
10.根据权利要求6所述的传感系统，其特征在于，所述的探测光源(6)是波长可调谐窄线宽激光光源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022917652.5U CN213957138U (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202022917652.5U CN213957138U (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统 |
Publications (1)
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| CN213957138U true CN213957138U (zh) | 2021-08-13 |
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ID=77215073
Family Applications (1)
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| CN202022917652.5U Active CN213957138U (zh) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | 一种抗环境噪音干扰的光纤光声传感探头及传感系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114088734A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-25 | 广东电网有限责任公司 | 一种复合绝缘子内部缺陷检测系统及方法 |
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2020
- 2020-12-08 CN CN202022917652.5U patent/CN213957138U/zh active Active
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114088734A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-02-25 | 广东电网有限责任公司 | 一种复合绝缘子内部缺陷检测系统及方法 |
| CN114088734B (zh) * | 2021-11-18 | 2022-06-24 | 广东电网有限责任公司 | 一种复合绝缘子内部缺陷检测系统及方法 |
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