一种基于光纤传感的光声光谱检测系统的制作方法

1.本发明属于油气检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的光声光谱检测系统。


背景技术：

2.光声光谱油中气体检测原理为气体的光声效应，即气体吸收特定波长光源产生声音效应，再通过声学共振的结构将其放大，探测声音信息的强度来反应气体的浓度。
3.如申请号cn201911032515.9公开的一种激光光声光谱油气在线监测系统，包括油气分离单元，对变压器油中溶解气体进行采样和油气分离；气路单元，与所述的油气分离单元连接，输送油气分离后的样气；光声检测单元，与所述的气路单元连接，通过调制激光光源产生脉冲光，样气吸收脉冲光后产生声波，通过微音器检测声波强度，并储存声波数据；现场控制单元，与所述的油气分离单元和光声检测单元连接，将现场数据输送至工作站。
4.这里的微音器是传统的光声光谱对共振声音的检测方式，需要微音器带电工作，并且容易受到电磁场的干扰，其灵敏度也受膜片老化程度的影响，导致其灵敏度收到局限。而目前光纤传感的高灵敏度特点以及抗电磁干扰等特点优势逐步体现出来，并且应用于各个行业，因此，此技术主要采取光纤传感的原理，制作适用于光声光谱气体检测的光纤传感声学检测装置，提高气体检测灵敏度，实现痕量气体检测的目的。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的光声光谱检测系统，旨在解决上述技术问题。
6.本发明采用如下技术方案：
7.所述光声光谱检测系统包括顺次连接的超窄带光纤激光器、第一光隔离器、压电陶瓷、第二光隔离器，所述压电陶瓷还连接有信号驱动模块，所述光声光谱检测系统包括光纤耦合器、光纤环形器、三三耦合器、声学传感单元、第一法拉第旋光镜和第二法拉第旋光镜，还包括光电探测器、采集卡和计算机信号处理单元，其中所述光电探测器、采集卡均有四路且一一对应连接，所有采集卡均连接至所述计算机信号处理单元，所述光纤耦合器具有一个入端和两个出端，光纤耦合器的入端连接至第二光隔离器，光纤耦合器的两个出端分别对应连接至光纤环形器以及第一路光电探测器，所述光纤环形器具有三个端口，按顺序三个端口分别连接至光纤耦合器、三三耦合器和第二路光电探测器，所述三三耦合器一侧分三路分别连接至光纤环形器、第三路光电探测器和第四路光电探测器，另一侧分两路分别连接至声学传感单元和第二法拉第旋光镜，所述声学传感单元还连接至第一法拉第旋光镜。
8.进一步的，四路采集卡与四路光电探测器一一对应，其中第一路采集卡输出的信号为参考信号p4，第二路采集卡至第四路采集卡输出的信号分别为波动信号p1-p3；所述计算机信号处理单元的处理过程如下：
9.波动信号p1-p3分别与参考信号p4相减，得到三路差值信号d1-d3，同时取差值信号d1-d3的平均值d；
10.三路差值信号d1-d3分别与平均值d相减，得到三路中间信号，分别为a、b、c，对三路中间信号a、b、c分别微分计算，得到对应得到信号d、e、f；
11.计算三路信号a51＝a(e-f)，a52＝b(f-d)，a53＝c(d-e)，将三路信号a51-a53进行求和，得到第一信号n；
12.将三路中间信号a、b、c分别计算平方值，然后求和得到第二信号m；
13.按照n/m计算后进行积分处理，然后通过高通滤波器，解调出声音信号。
14.本发明的有益效果是：现有的光声光谱探测装置主要采用微音器实现光声信号的检测，但是微音器灵敏度无法继续提高，受限了气体痕量浓度的检测能力，本发明通过光纤传感的方式，提升气体检测灵敏度，实现气体的痕量浓度检测。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的基于光纤传感的光声光谱检测系统的原理图；
16.图2是本发明实施例提供的计算机信号处理单元处理过程原理图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
19.图1示出了本发明实施例提供的基于光纤传感的光声光谱检测系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
20.如图1所示，本实施例提供的基于光纤传感的光声光谱检测系统包括顺次连接的超窄带光纤激光器1、第一光隔离器2、压电陶瓷3、第二光隔离器4，所述压电陶瓷4还连接有信号驱动模块10，所述光声光谱检测系统包括光纤耦合器5、光纤环形器6、三三耦合器7、声学传感单元8、第一法拉第旋光镜9和第二法拉第旋光镜11，还包括光电探测器14、采集卡12和计算机信号处理单元13，其中所述光电探测器14、采集卡12均有四路且一一对应连接，所有采集卡12均连接至所述计算机信号处理单元13，所述光纤耦合器5具有一个入端和两个出端，光纤耦合器5的入端连接至第二光隔离器4，光纤耦合器5的两个出端分别对应连接至光纤环形器6以及第一路光电探测器(即图示pd4’)，所述光纤环形器6具有三个端口，按顺序三个端口分别连接至光纤耦合器5、三三耦合器7和第二路光电探测器(即图示pd1’)，所述三三耦合器一侧分三路分别连接至光纤环形器6、第三路光电探测器(即图示pd2’)和第四路光电探测器(即图示pd3’)，另一侧分两路分别连接至声学传感单元8和第二法拉第旋光镜11，所述声学传感单元8还连接至第一法拉第旋光镜9。
21.本系统的工作原理如下：
22.声学传感单元集成到光声池内，声学传感单元与光声池可设计成一体形式。检测油中的气体被抽入至光声池，然后通过激光准直照射光声池，光声池内的气体吸收脉冲激光后产生特定频率的声波，声波参数与气体浓度相关。同时采用激光信号输入至声学传感
单元，声波会影响声学传感单元的输出光信号，因此通过最终解析声学传感单元的输出光信号即可解调出原始声音信号。通过解调系统提取出放大后的原始声音信号，再采取锁相放大的方式测出其声学信号，从而达到对气体浓度的测量。本系统也是基于此原理实现对声音信号的锁相放大等方式处理是现有技术，这里不赘述。
23.具体的，首先超窄带光纤激光器光源输出光经过第一光隔离器(防止反射光)输入到plz压电陶瓷进行调制，调制通过信号驱动模块驱动，再由第二光隔离器输出(防止反射光)，通过光纤耦合器分成两路，一路为未参加传感的参考光进行采集，通过第一路光电探测器和第一路采集卡进行采集；另一路顺次通过环形器以及三三光纤耦合器分进入光纤传感单元；图示中，三三耦合器输出分成的两束光，一路作为信号光经过声学传感单元拾取声传感信号，然后通过第一法拉第旋光镜反射，另一路作为参考光不做任何处理(试验中需要简单隔音)，并通过第二法拉第旋光镜，两路光反射回来通过三三耦合器均分成三路，三路光信号相位相差180度，第一路通过光纤环形器返回到第二路光电探测器，另外两路分别输出至第三和第四路光电探测器，总共形成三路信号光。最后四路光电探测器进行光电转换，转换过后的四路采集卡进行采集，最后将采集的信号输入计算机信号处理单元，通过光纤解调算法进行解调，提取声信号。
24.四路采集卡与四路光电探测器一一对应，其中第一路采集卡输出的信号为参考信号p4，第二路采集卡至第四路采集卡输出的信号分别为波动信号p1-p3；如图2所示，所述计算机信号处理单元的处理过程如下：
25.s1、波动信号p1-p3分别与参考信号p4相减，得到三路差值信号d1-d3，同时取差值信号d1-d3的平均值d。
26.p1-p3减去参考信号p4后，得到有效的三路差值信号：
[0027][0028]
根据式(1)，可得到(d1+d2+d3)/3＝d；
[0029]
其中a为信号幅值，综合信号包含了待测信号фs、系统固有初始相位环境引起的相位偏移本实施例需要求的便是待测声信号фs。
[0030]
s2、三路差值信号d1-d3分别与平均值d相减，得到三路中间信号，分别为a、b、c，对三路中间信号a、b、c分别微分计算，得到对应得到信号d、e、f。
[0031]
d1-d3分别与平均值d相减后，有：
[0032][0033]
然后对式(2)对时间进行微分，得到：
[0034][0035]
s3、计算三路信号a51＝a(e-f)，a52＝b(f-d)，a53＝c(d-e)，将三路信号a51-a53进行求和，得到第一信号n。
[0036]
将式(3)所得结果两两相减，然后交叉相乘，最后求和可得到：
[0037][0038]
s4、将三路中间信号a、b、c分别计算平方值，然后求和得到第二信号m。
[0039]
s5、按照n/m计算后进行积分处理，然后通过高通滤波器，解调出声音信号。
[0040]
然后计算m值和n/m值，n/m值对时间进行积分，可得到根据值，通过高通滤波，即可过滤其中的和最后得到待测信号即声音信号。
[0041]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。