一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法与流程

本发明属于光纤气体检测技术领域，涉及一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法。

背景技术：

光纤光声微量气体检测技术具有抗电磁干扰、本质安全、灵敏度高和响应速度快的优势，因此在微量气体检测领域占有越来越大的比重。在变压器油中溶解气体分析、煤矿瓦斯气体监测以及石化厂区安全监测等领域扮演重要角色。

激光光声光谱是间接吸收光谱中一种典型技术。使用频率为f正弦波调制激光器的输出，并且使用锯齿波控制激光器使其输出光扫描气体的吸收谱线。气体分子会吸收特定波长的光能激发到高能级，并通过无辐射跃迁过程回到低能级。在这个过程中被吸收的光能主要转化成热能，引起气体的周期性膨胀收缩，其频率与正弦调制频率f相同。使用微音器采集二倍频(2f)信号，即二次谐波信号。在气体浓度低的情况下，二次谐波幅值与气体浓度成正比。基于光纤声波传感的光声气体检测装置多采用基于光的干涉结构的微音器，将光声信号转换成光信号，通过后续的信号处理反演出气体浓度。文献high-sensitivityfiber-opticacousticsensorforphotoacousticspectroscopybasedtracesgasdetection.sensorsandactuatorsb:chemical,2017,247:290-295提出了一种基于光纤法布里-珀罗(fp)干涉声传感器的光声气体检测系统。为了追求高灵敏度，该系统采用了厚度只有500nm的银膜作为声换能器。然而，过薄的膜片对气体分子布朗运动引起的噪声较敏感，限制了该系统信噪比的提升。同时，过薄的膜片对系统的稳定性也是挑战。文献lock-inwhite-light-interferometry-basedall-opticalphotoacousticspectrometer.opticsletters,2018,43(20):5038-5041提出了悬臂梁增强型光纤fp声波传感器，其声学换能器是一片厚度5μm的门型结构不锈钢，结合共振式光声池实现了对气体的高灵敏检测。然而，常采用的共振式光声池采气量大，通常超过500ml。因此，设计一种抗电磁干扰、高灵敏度和采气量小的光纤光声气体检测系统有重大的应用意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法，旨在解决目前光纤光声光谱气体检测方案中基于膜片声换能器的系统其灵敏度、信噪比提升困难的难题，同时该系统具有较小的采气量，为光纤光声气体检测技术的应用提供了一种新的思路。

本发明的技术方案：

一种高灵敏度光纤光声气体检测系统，包括计算机101、信号处理电路102、数字信号发生器103、加法器104、分布反馈式激光器105、光纤准直器106、1#平面反射镜107、2#平面反射镜108、光声腔109、空芯弹性管110、传感光纤111、放大自发辐射光源112、光纤隔离器113、2×2光纤耦合器114、参考光纤115、1#法拉第旋转镜116、2#法拉第旋转镜117和红外光谱仪118；

所述计算机101发出指令控制信号处理电路102和数字信号发生器103输出信号；信号处理电路102和数字信号发生器103的输出信号通过加法器104后控制分布反馈式激光器105输出光；分布反馈式激光器105输出光经过光纤准直器106进入光声腔109；光声腔109两端分别安装1#平面反射镜107和2#平面反射镜108；光声腔109置于空芯弹性管110内，空芯弹性管110上固定传感光纤111；放大自发辐射光源112输出光经过光纤隔离器113后被2×2光纤耦合器114平均分成两路，一路经过参考光纤115和2#法拉第旋转镜117返回，另一路经过传感光纤111和1#法拉第旋转镜116返回，两束光发生干涉；返回光经过2×2光纤耦合器114亦被分成两路，其中一路被光纤隔离器113阻隔，另一路被红外光谱仪118采集，光谱采集速率被信号处理电路102控制，采集的数字信号被发送到计算机101进行后续处理。

所述空芯弹性管110为厚度小于1mm、半径大于15mm的空芯圆柱壳，管材料为杨氏模量低于5gpa的有机材料，该参数下的空芯弹性管对微弱声音信号有较高的响应灵敏度。

所述光声腔109为导热系数大于200w/m·k的金属圆柱管的内腔。金属管和弹性管的长度相同，外径略小于弹性管110的内径，二者之间存在一定缝隙。将金属圆柱管置于弹性管内，金属管和弹性管间的缝隙保证弹性管的自由振动。金属管的作用一方面是促进热交换，有利于光声效应的产生；一方面金属管内腔(光声腔)的直径小于5mm，大幅度缩小气室体积。

所述法拉第旋转镜116、117用于减弱光纤长距离传输引起的偏振衰落的影响。

所述ase光源112在1525-1565nm(c波段)输出光较平坦。

所述光纤耦合器114为2×2的x型四端口耦合器，分光比为50:50，用于将ase光源112输出的信号光平均分成两路。

所述的平面反射镜107、108具有高反射率，用于增加光路长度，提高气体吸收程。

所述信号处理电路102的包括提供激光器正弦调制信号、控制红外光谱仪光谱采样速率以及提供锁相控制单元。

一种高灵敏度光纤光声气体检测方法，采用基于迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感器采集光声信号。利用空芯弹性管对微弱信号响应而产生的形变带动传感光纤长度发生变化。因此，经过传感光纤与参考光纤的两路光的光程差变化。通过干涉信号的变化反演可以得到光声信号的强度，进而计算出气体浓度。具体步骤如下：

首先，放大自发辐射光源112输出光经过2×2光纤耦合器114平均分为两路光，其中一路光经过参考光纤115后被2#法拉第旋转镜117反射后返回，另一路光经过传感光纤111后被1#法拉第旋转镜116反射后返回，法拉第旋转镜用于减弱光纤长距离传输引起的偏振衰落的影响，两束光存在初始光程差，干涉光谱被红外光谱仪118采集，采集到的干涉光谱被计算机101处理后得到初始光程差的值；然后，计算机101控制信号处理电路102输出正弦波和数字信号发生器103输出锯齿波，正弦波和锯齿波通过加法器104相加控制分布反馈式激光器(105)，使其输出波长扫描光；波长扫描光通过光纤准直器106进入光声腔109，光声腔109两端安装1#平面反射镜107和2#平面反射镜108增加光程，光声腔109内的气体分子吸收光能产生周期性光声压力波，引起空芯弹性管110形变，固定在空芯弹性管110上的传感光纤111因此产生周期性长度变化，引起干涉信号周期性变化，并被红外光谱仪118采集，采集到的数字信号经过计算机101处理，得到实时光程差变化值，进而得到此时的光声信号强度；因为光声信号强度与气体浓度呈正比，所以可以得到此时气体浓度。

本发明的原理如下：本发明提出一种基于空芯弹性管声换能器的光纤光声气体传感系统，通过基于迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感器采集光声信号。传感光纤和参考光纤存在一个初始的长度差，因此通过这两段光纤的光存在初始光程差。当被调制的激光照射光声腔内的气体时，气体吸收光能跃迁到高能级，返回到低能级的过程中释放热量。气体受热膨胀，产生周期性光声压力波。其周期与激光器的调制频率相同，强度与气体浓度成正比。通过提取光声信号产生的二倍频信号，可以反演气体的浓度。

对于圆柱形共振光声池，当其工作在一阶纵向共振模式下时，光声池常数f可以表示为：

其中，q100为一阶纵向共振模式下声共振品质因数，γ为气体的热容比，lc为光声腔的长度，rc为光声腔的半径，ω为频率。因此，光声信号的强度与光声腔半径的二次方呈反比，与光声腔的长度呈正比。因此为了提高光声信号的强度，光声池的半径要减小，长度会增大。但是，半径过小会使光照射在光声池池壁上引起干扰，长度增加会增大采气量，因此在光声池的设计方面要综合考虑半径和长度的选取。

本发明采用光谱方法采集和处理光信号，确定光程差l方式是在光频域寻峰。对于真实的频谱，由于数据点是离散的，因此峰值位置处实际上会落在两个相邻的数据点之间，这将会给相位测量带来额外的复杂性。在本发明中的光程差计算方法可以直接从非零填充数据中计算峰值的相位。通过与buneman频率估计结合，可以使用单个非零填充fft以及一些算术和三角计算来完成完整的两步式腔长反演。

光程差l与峰值位置的索引号np的关系式为：

峰值指数np的真实值可以表示为：

其中是初始相位，是索引号为n时的相位。是的舍入值，可以通过buneman估计得到。通过式(2)与式(3)可以得到绝对光程差l。从式(3)可以看出，当光谱宽度k1-k0变大时，所得光程差分辨率提升，因此本发明使用ase宽谱光源。

本发明的有益效果：采用空芯弹性管作为声换能器代替膜片，避免了膜片过薄引起的稳定性差、对噪声敏感等问题。利用铜管结构减小气室体积，同时铜管结构能够增加热传导，有利于光声信号的激发。本发明提供了一种光声信号激发与检测一体化的结构，由于光声腔和空芯弹性管的长度相同，因此光声池的共振频率和声波传感器的共振频率接近，因而在检测微弱光声信号时具有超高灵敏度和信噪比。本发明为本质安全和超高灵敏度的光声气体检测技术提供了一种极具竞争力的技术方案。

附图说明

图1是本发明的系统结构剖面示意图。

图中：101计算机；102信号处理电路；103数字信号发生器；104加法器；105dfb激光器；106光纤准直器；1071#平面反射镜；1082#平面反射镜；109光声腔；110空芯弹性管；111传感光纤；112ase光源；113光纤隔离器；1142×2光纤耦合器；115参考光纤；1161#法拉第旋转镜；1172#法拉第旋转镜；118光谱仪。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于空芯弹性管的光纤光声气体传感系统，包括计算机101、信号处理电路102、数字信号发生器103、加法器104、dfb激光器105、光纤准直器106、1#平面反射镜107、2#平面反射镜108、光声腔109、空芯弹性管110、单模传感光纤111、ase光源112、光纤隔离器113、2×2光纤耦合器114、参考光纤115、1#法拉第旋转镜116、2#法拉第旋转镜117、光谱仪118。计算机101控制信号处理电路102输出正弦调制信号，同时控制数字信号发生器103输出锯齿波信号，两种信号经过加法器104之后控制dfb激光器及其驱动电路105输出波长调制激光，调制光经过光纤准直器106进入光声腔109内，光声腔109的两端安装两个高反射率平面反射镜107、108来增加光程。光声腔内气体分子吸收光能产生周期性光声信号，由光声腔中心开孔导出与空芯弹性管110接触，引起空芯弹性管110形变，因此固定在空芯弹性管110表面的传感光纤111产生周期性长度变化。ase光源112输出光经过2×2光纤耦合器114后平均分成两路光，一路光经过参考光纤115和法拉第旋转镜2#117后返回，一路光经过传感光纤111和1#法拉第旋转镜116后返回。由于光声信号引起传感光纤111长度变化，因此两路分别经过传感光纤111和参考光纤115的光的光程差产生周期性变化，因此干涉光谱同步产生周期性变化。返回光经过2×2光纤耦合器后亦被分成两路，其中一路被光纤隔离器113阻断以避免返回光对ase光源112的损伤，另一路被红外光谱仪118采集，光谱采样速率由信号处理电路102控制。通过计算机101进行后续数据处理与分析得到此时光声信号强度。因为光声信号强度与气体浓度成正比，所以可以进一步反演得到气体浓度值。

其中，本实验所用光纤均为g652单模石英光纤，主要用于光的传输。黄铜管的内腔构成光声腔109，起到减小气室体积、促进热交换的作用。黄铜管外直径为17mm，内腔(光声腔)长度为100mm，直径为4mm。光声腔的轴心位置有对称分布的4个直径为1.5mm的通孔，用于将光声信号导出与空芯弹性管110接触。空芯弹性管110材料为聚氯乙烯(pvc)，管的长度为100mm，厚度0.45mm，外直径18mm。激光器105为中心波长1653.7nm的分布式反馈(dfb)激光器，1653.7nm对应甲烷分子的高强度吸收峰。ase光源112是一种输出波段为1525-1565nm的非相干光源。2×2光纤耦合器114是一种分光比50:50的四端x型耦合器。红外光谱仪118可以采集带宽为1510-1590nm的光谱，采样速率5khz。信号处理电路102是基于fpga的锁相放大电路，提供激光器正弦调制信号以及控制光谱仪光谱采样速率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。