基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统的制作方法

本发明涉及一种多点光声光谱气体检测技术，具体讲的是一种基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统。属于光纤气体传感技术领域。

背景技术：

工农业生产以及日常生活中，对气体的多点测量已成为急需解决的重要问题之一。如环境中有毒工业废气的监测，高纯气体制备过程中杂质气体含量的监测，高压电力设备绝缘气体性能的监测以及液压系统中杂质的监测等。光声光谱法是目前常用的一种气体检测技术，具有灵敏度高，连续监测稳定性较高等优点。

申请号为2015109849672、申请人为哈尔滨工业大学、发明人为马欲飞等人的发明《一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法》提出了一种以半导体激光器作为光源，利用光纤分束器对光进行分束来进行多点气体检测的方法。该方法是将半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。利用其实现微量气体传感测量的方法如下：步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。该发明可以实现空间浓度场多点的同时测量，具有简单易行、可靠性高、成本低的优点。但该发明存在以下缺陷和不足，通常所用的半导体激光器的光功率都是毫瓦量级，经过光纤分束器分束后，每一个气体检测装置所用来进行气体检测的功率会更小，所得到的光声信号的幅值也会变小，进而引起信噪比减小，最小检测极限增大。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统,包括泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、微音器、光声池、计算机、锁相放大器、调Q元件、环形器、信号发生器和光栅，其特征在于泵浦光源的输出端通过光纤连接波分复用器的一输入端，波分复用器的复合端通过光纤连接稀土掺杂光纤的输入端，稀土掺杂光纤的输出端通过光纤连接第一个光声池的激光入口端，该光声池的激光出口端通过光纤连接到第二个光声池的激光入口端，第二个光声池的激光出口端通过光纤连接其后面的光声池，以此类推能够连接到第N个光声池，第N个光声池的激光出口端通过光纤连接环形器的输入端，环形器的中间端通过光纤连接光栅，环形器的输出端通过光纤连接调Q元件的输入端，调Q元件的输出端通过光纤连接波分复用器的另一输入端，调Q元件的信号端连接信号发生器，N个微音器分别置于所对应的N个光声池中，N个微音器连接锁相放大器的输入端，锁相放大器连接到计算机；

所述的光声池是由钢材制成的圆桶状封闭结构,其两端分别开有激光入口和激光出口，光声池的前后端上方带有入气口和出气口，光声池中间位置上部带有微音器固定处，光声池的前后端位于入气口和出气口的下方空间分别是缓冲室a和缓冲室b，缓冲室a和缓冲室b之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔；

所述的N>1。

所述的泵浦光源为半导体激光器。

所述的N个光声池的共振频率均相等。

所述的稀土掺杂光纤为掺铒光纤或掺镱光纤或掺铥光纤或铒镱共掺光纤。

所述的调Q元件为声光调制器或电光调制器。

本发明检测系统可采用多泵浦的光纤激光器。

本发明检测系统工作过程如下：泵浦光源出射的光经过波分复用器后入射到稀土掺杂光纤上，产生一个宽谱光，经过光栅选择波长后，进入调Q元件，后又进入波分复用器的另一输入端，形成光纤激光器环形腔，将多个光声池分别放在一个空间内不同的地点进行气体检测。被测气体分子吸收激光能量后而处于激发态,分子通过无辐射跃迁的方式回到基态，这期间，其吸收的激发能量转化为气体的内能，引起温度升高，进而引起气体膨胀，产生声信号。用微音器来探测光声池产生的声信号并转换为电信号，经过锁相放大器进行信号处理，在计算机上显示被测气体信号的大小，实现了对气体的多点测量。

本发明气体检测系统将多个光声池串联在光纤激光器环形腔内，利用光纤激光器环形腔内调Q效应产生的高功率脉冲进行多点检测，光纤激光器调Q效应得到的光功率可以达到瓦量级，这样不仅可以实现对气体的多点检测，而且还可以提高信噪比。

附图说明

图1是本发明检测系统实施例1的结构示意图。

其中1.泵浦光源，2.波分复用器，3.稀土掺杂光纤，4.微音器a，5.光声池a，6.计算机，7.锁相放大器，8.微音器b，9.光声池b，10.微音器c，11.光声池c，12.调Q元件，13.环形器，14.信号发生器，15.光栅。

图2是多泵浦的光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统的结构示意图。

其中1.泵浦光源a，2.波分复用器a，3.稀土掺杂光纤a，4.微音器a，5.光声池a，6.计算机，7.锁相放大器，8.微音器b，9.光声池b，10.微音器c，11.光声池c，12.调Q元件，13.环形器，14.信号发生器，15.光栅，16.泵浦光源b，17.波分复用器b，18.稀土掺杂光纤b，19.泵浦光源c，20.波分复用器c，21.稀土掺杂光纤c。

图3是本发明光声池的示意图。

其中22.激光入口,23.入气口,24.微音器固定处,25.出气口,26.缓冲室b,27.激光出口,28.缓冲室a,29.谐振腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1、3所示的基于光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统,包括泵浦光源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、微音器a4、光声池a5、计算机6、锁相放大器7、微音器b8、光声池b9、微音器c10、光声池c11、调Q元件12、环形器13、信号发生器14、光栅15。其特征在于泵浦光源1的输出端通过光纤连接波分复用器2的一输入端，波分复用器2的复合端通过光纤连接稀土掺杂光纤3的输入端，稀土掺杂光纤3的输出端通过光纤连接光声池a5的激光入口。光声池a5的激光出口端通过光纤连接光声池b9的激光入口，光声池b9的激光出口通过光纤连接光声池c11的激光入口端，光声池c11的输出端通过光纤连接环形器13的输入端，环形器13的中间端通过光纤连接光栅15，环形器13的输出端通过光纤连接调Q元件12的输入端，调Q元件12的输出端通过光纤连接波分复用器2的另一输入端。调Q元件12的信号端连接信号发生器14，微音器a4、b8、c10分别置于光声池a5、b9、c11中，微音器a4、b8、c10连接锁相放大器7输入端，锁相放大器7连接计算机6；

所述的光声池a5、b9、c11是由钢材制成的圆桶状封闭结构,其两端分别开有激光入口22和激光出口27，光声池a5、b9、c11的前后端上方带有入气口23和出气口25，光声池a5、b9、c11中间位置上部带有微音器固定处24，光声池a5、b9、c11的前后端位于入气口23和出气口25的下方空间分别是缓冲室a28和缓冲室b26，缓冲室a28和缓冲室b26之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔29；

N＝3。

所述的泵浦光源1为半导体激光器,其型号为S26-7602-140。

所述的光声池a5、b9、c11的共振频率相等均为5kHz。

所述的稀土掺杂光纤3为掺铒光纤。

所述的调Q元件12为声光调制器。

本发明检测系统工作过程如下：泵浦光源1出射的光经过波分复用器2后入射到稀土掺杂光纤3上，产生一个宽谱光，经过光栅15选择波长后，进入调Q元件12，后又进入波分复用器2的另一输入端，形成光纤激光器环形腔，将光声池a5、b9、c11分别放在一个空间内不同的地点进行气体检测。被测气体分子吸收激光能量后而处于激发态,分子通过无辐射跃迁的方式回到基态，这期间，其吸收的激发能量转化为气体的内能，引起温度升高，进而引起气体膨胀，产生声信号。用微音器a4、b8、c10分别来探测光声池a5、b9、c11的声信号并转换为电信号，经过锁相放大器7进行信号处理，在计算机6上显示被测气体信号的大小，实现了对气体的多点测量。

实施例2：

如图2、3所示的多泵浦的光纤激光器环形内腔的光声光谱多点气体检测系统,包括泵浦光源a1、波分复用器a2、稀土掺杂光纤a3、微音器a4、光声池a5、计算机6、锁相放大器7、微音器b8、光声池b9、微音器c10、光声池c11、调Q元件12、环形器13、信号发生器14、光栅15、泵浦光源b16、波分复用器b17、稀土掺杂光纤b18、泵浦光源c19、波分复用器c20、稀土掺杂光纤c21，其特征在于泵浦光源a1、b16、c19的输出端分别通过光纤连接波分复用器a2、b17、c20的一输入端，波分复用器a2、b17、c20的复合端分别通过光纤连接稀土掺杂光纤a3、b18、c21的输入端，稀土掺杂光纤a3、b18、c21的输出端分别通过光纤连接光声池a5、b9、c11的激光入口端。光声池a5、b9的激光出口端分别通过光纤连接波分复用器b17、c20的另一输入端，光声池c11的输出端通过光纤连接环形器13的输入端，环形器13的中间端通过光纤连接光栅15，环形器13的输出端通过光纤连接调Q元件12的输入端，调Q元件12的输出端通过光纤连接波分复用器a2的另一输入端。调Q元件12的信号端连接信号发生器14，微音器a4、b8、c10分别置于光声池a5、b9、c11中，微音器a4、b8、c10连接锁相放大器7输入端，锁相放大器7连接计算机6；

所述的光声池a5、b9、c11是由钢材制成的圆桶状封闭结构,其两端分别开有激光入口22和激光出口27，光声池a5、b9、c11的前后端上方带有入气口23和出气口25，光声池a5、b9、c11中间位置上部带有微音器固定处24，光声池a5、b9、c11的前后端位于入气口23和出气口25的下方空间分别是缓冲室a28和缓冲室b26，缓冲室a28和缓冲室b26之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔29；

N＝3。

所述的泵浦光源a1、b16、c19为半导体激光器,其型号为LC95A74-20R。

所述的光声池a5、b9、c11其共振频率相等均为2.68kHz。

所述的稀土掺杂光纤a3、b18、c21为掺铒光纤。

所述的调Q元件12为声光调制器。

本发明检测系统工作过程如下：泵浦光源a1、b16、c19出射的光经过波分复用器a2、b17、c20后分别入射到稀土掺杂光纤a3、b18、c21上，产生一个宽谱光，经过光栅15选择波长后，进入调Q元件12，后又进入波分复用器2的另一输入端，形成光纤激光器环形腔，由于使用多个光声池会增大激光器环形腔内的损耗，使用多个泵浦源是为了使激光器环形腔内增益大于损耗，形成激光。将光声池a5、b9、c11分别放在一个空间内不同的地点进行气体检测。被测气体分子吸收激光能量后而处于激发态,分子通过无辐射跃迁的方式回到基态，这期间，其吸收的激发能量转化为气体的内能，引起温度升高。进而引起气体膨胀，产生声信号。用微音器a4、b8、c10分别来探测光声池a5、b9、c11的声信号并转换为电信号，经过锁相放大器7进行信号处理，在计算机6上显示被测气体信号的大小，实现了对气体的多点测量。

实施例3：

和实施例1相同，只是所述的光声池为四个；所述的稀土掺杂光纤为掺铥光纤；

所述的调Q元件为电光调制器。

实施例4：

和实施例2相同，只是所述的泵浦光源、波分复用器、稀土掺杂光纤、光声池分别为四个；所述的稀土掺杂光纤为掺镱光纤；所述的调Q元件为电光调制器。