CN217033600U - 一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，所述解调仪器包括宽谱光源、光纤分路器、多组光纤光声传感通道、玻璃片、光电二极管阵列、数据采集与处理电路及通信模块；宽谱光源发射的宽谱光被光纤分路器分成多束，同时入射到多组光纤光声传感通道，反射回的信号光分别经对应的光纤光声传感通道后，同时入射到玻璃片，从玻璃片表面反射的高斯发散光投射到光电二极管阵列的不同空间区域后被光电二极管阵列接收；数据采集与处理电路与光电二极管阵列连接，通信模块与数据采集与处理电路连接；本实用新型的优点在于：多个光纤光声传感通道共用一个解调仪，大幅度减小成本。

Description

一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感技术领域，更具体涉及一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器。

背景技术

对电气绝缘设备中的故障特征气体分析中，通常采用气相色谱和光声光谱技术。其中，光声光谱技术因其具有灵敏度高、免维护的特点，正逐步替代气相色谱法。然而，高电压电气绝缘设备附近的强电磁环境使得传统的光声光谱装置易受干扰，影响了变压器油中溶解气体浓度测量的稳定性和可靠性。

光纤光声传感是一种新的微量气体检测技术，其基本原理是利用光纤声波传感器件检测气体吸收产生的光声压力波信号，具有抗电磁干扰、远距离测量、可分布传感等多诸多优点。光声激发光和光声探测光均采用光纤传输，实现了光声探头的无源化和微型化，可将光纤光声传感器用于石化厂区气体泄漏、变压器油中溶解气体分析、气体绝缘设备在线监测等应用中。文献Chen Ke, Guo Min, Liu Shuai, et al. Fiber-opticphotoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[J]. Opticsexpress, 2019, 27(4): 4648-4659报道了一种微型的光纤光声气体传感器，激光通过光纤传输到光声探头中，扩散到探头中的目标气体吸收激光能量产生光声信号，宽谱的探测光经另外一根光纤传输到探头中，被悬臂梁反射后的信号光被高速光纤光谱仪探测，通过测量干涉光的相位变化实现对光声信号的解调。然而，采用的光谱解调法需要利用价格昂贵的高速光谱仪对干涉信号光谱进行实时探测。对于分布式测量需求，需要采用多个光纤光声传感器。通常1个光纤光声传感器需要配置1个解调仪，这将大幅度增大分布式测量的成本。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于现有技术光纤光声传感系统中对于分布式测量需求，需要采用多个光纤光声传感器，1个光纤光声传感器需要配置1个解调仪，大幅度增大成本的问题。

本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，包括宽谱光源、光纤分路器、多组光纤光声传感通道、玻璃片、光电二极管阵列、数据采集与处理电路及通信模块；宽谱光源发射的宽谱光被光纤分路器分成多束，同时入射到多组光纤光声传感通道，反射回的信号光分别经对应的光纤光声传感通道后，同时入射到玻璃片，从玻璃片表面反射的高斯发散光投射到光电二极管阵列的不同空间区域后被光电二极管阵列接收；数据采集与处理电路与光电二极管阵列连接，通信模块与数据采集与处理电路连接。

本实用新型将不同光纤光声传感通道反射的光信号投射到光电二极管阵列的不同空间区域，数据采集与处理电路采集光电二极管阵列上的空间光信号，多个光纤光声传感通道共用一个数据采集与处理电路也即共用一个解调仪，大幅度减小成本。

进一步地，所述空间域复用解调仪器包括两组光纤光声传感通道，第一组光纤光声传感通道包括第一通道光纤耦合器和第一通道光纤传感器接口，第二组光纤光声传感通道包括第二通道光纤耦合器和第二通道光纤传感器接口，宽谱光源发射的宽谱光被光纤分路器分成两束，同时入射到第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器后，经第一通道光纤耦合器入射到第一通道光纤传感器接口，经第二通道光纤耦合器入射到第二通道光纤传感器接口；反射回的信号光分别经第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器后，同时入射到玻璃片，从玻璃片表面反射的高斯发散光被光电二极管阵列接收。

更进一步地，所述玻璃片相对地面水平，第一通道光纤耦合器以及第二通道光纤耦合器入射到玻璃片表面的光均相对玻璃片倾斜45°。

更进一步地，所述宽谱光源的谱宽超过40nm。

更进一步地，所述光纤分路器的分光比为50:50。

更进一步地，所述第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器的光耦合比为50:50。

更进一步地，所述玻璃片的厚度是光纤光声传感器腔长的1.5倍。

更进一步地，所述光电二极管阵列中光电二极管的数量不少于512个，每个光电二极管与玻璃片的夹角为45°。

更进一步地，所述第一通道光纤传感器接口和第二通道光纤传感器接口均为光纤FC/APC接头。

进一步地，所述数据采集与处理电路核心为FPGA芯片。

本实用新型还提供一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器的方法，将不同光纤光声传感通道反射的光信号投射到光电二极管阵列的不同空间区域，数据采集与处理电路采集光电二极管阵列上的空间光信号并解调处理，对多个光纤光声传感通道无干扰同时解调。

本实用新型的优点在于：本实用新型将不同光纤光声传感通道反射的光信号投射到光电二极管阵列的不同空间区域，数据采集与处理电路采集光电二极管阵列上的空间光信号，多个光纤光声传感通道共用一个数据采集与处理电路也即共用一个解调仪，大幅度减小成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例所公开的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器的结构示意图。

图中：1宽谱光源；2光纤分路器；3第一通道光纤耦合器；

4第一通道光纤传感器接口；5第二通道光纤耦合器；

6第二通道光纤传感器接口；7玻璃片；8光电二极管阵列；

9数据采集与处理电路；10通信模块。

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。

如图1所示，一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，包括宽谱光源1、光纤分路器2、第一通道光纤耦合器3、第一通道光纤传感器接口4、第二通道光纤耦合器5、第二通道光纤传感器接口6、玻璃片7、光电二极管阵列8、数据采集与处理电路9和通信模块10；宽谱光源1发射的宽谱光被光纤分路器2分成功率相同的两束光，同时入射到第一通道光纤耦合器3和第二通道光纤耦合器5后，再分别入射到第一通道光纤传感器接口4和第一通道光纤传感器接口6；然后，反射回的信号光分别经第一通道光纤耦合器3和第二通道光纤耦合器5后，同时以45°角入射到薄玻璃片7，从薄玻璃片7表面反射的高斯发散光投射到光电二极管阵列8的不同空间区域；数据采集与处理电路9采集光电二极管阵列8上的空间光信号，并对两个传感器对应的两个不同空间区域的光信号分别进行解调处理，通过通信模块10对外传输光声信号的解调结果。

其中，宽谱光源1的中心波长为850 nm，谱宽为50nm。光纤分路器2的分光比为50:50。第一通道光纤耦合器3和第二通道光纤耦合器5的光耦合比为50:50。第一通道光纤传感器接口4和第二通道光纤传感器接口6为光纤FC/APC接头。玻璃片7的厚度是0.5mm。光电二极管阵列8中光电二极管的数量为3600个，与玻璃片7的夹角为45°。数据采集与处理电路9的核心是一个FPGA芯片，数据采集速率为1MHz，对光电二极管阵列8的信号进行实时数据采集。

本实用新型的主要改进点在于空间域复用解调仪器，只保护硬件架构，对于解调的原理和方法不做保护，数据采集与处理电路9内置的解调方法可以采用本实用新型背景技术中记载的测量干涉光的相位变化实现对光声信号的解调，可以采用现有技术中任何能够对光声信号解调的算法。

通过以上技术方案，本实用新型将不同光纤光声传感通道反射的光信号投射到光电二极管阵列8的不同空间区域，数据采集与处理电路9采集光电二极管阵列8上的空间光信号，多个光纤光声传感通道共用一个数据采集与处理电路9也即共用一个解调仪，对多个光纤光声传感通道无干扰同时解调，相比于1个光纤光声传感器需要配置1个解调仪的传统方法，本实用新型通过空间域复用解调器的方式大幅度减小了基于多个光纤光声传感器的分布式测量系统的成本。

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)

1.一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，包括发射宽谱光的宽谱光源、将宽谱光分成多束的光纤分路器、多组光纤光声传感通道、玻璃片、光电二极管阵列、数据采集与处理电路及通信模块；所述光纤分路器设置在宽谱光源的发射路径上，光纤分路器输出端口分别与多组光纤光声传感通道连接，所述玻璃片设置在光纤光声传感通道反射回的信号光的路径上，光电二极管阵列的不同空间区域均位于所述玻璃片表面反射的高斯发散光的路径上；数据采集与处理电路与光电二极管阵列连接，通信模块与数据采集与处理电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述空间域复用解调仪器包括两组光纤光声传感通道，第一组光纤光声传感通道包括第一通道光纤耦合器和第一通道光纤传感器接口，第二组光纤光声传感通道包括第二通道光纤耦合器和第二通道光纤传感器接口，所述光纤分路器设置在宽谱光源的发射路径上，光纤分路器的两个输出端口分别与第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器连接，第一通道光纤耦合器与第一通道光纤传感器接口连接，第二通道光纤耦合器与第二通道光纤传感器接口连接；玻璃片设置在第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器反射回的信号光的路径上，光电二极管阵列位于所述玻璃片表面反射的高斯发散光的路径上。

3.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述玻璃片相对地面水平，第一通道光纤耦合器以及第二通道光纤耦合器入射到玻璃片表面的光均相对玻璃片倾斜45°。

4.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述宽谱光源的谱宽超过40nm。

5.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述光纤分路器的分光比为50:50。

6.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述第一通道光纤耦合器和第二通道光纤耦合器的光耦合比为50:50。

7.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述玻璃片的厚度是光纤光声传感器腔长的1.5倍。

8.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述光电二极管阵列中光电二极管的数量不少于512个，每个光电二极管与玻璃片的夹角为45°。

9.根据权利要求2所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述第一通道光纤传感器接口和第二通道光纤传感器接口均为光纤FC/APC接头。

10.根据权利要求1所述的一种光纤光声传感器的空间域复用解调仪器，其特征在于，所述数据采集与处理电路核心为FPGA芯片。

Images