光声光谱传感探头、二氧化碳检测方法、装置及系统与流程

本申请涉及光声光谱测量，具体涉及一种光声光谱传感探头、二氧化碳检测方法、装置及系统。

背景技术：

1、现有技术通常采用包括光源、光声池和光声探测器等组成的探测结构进行二氧化碳检测。

2、例如公布号为cn104237154a的中国发明专利，就采用了这种结构。待测气体充入光声池后，特定波长的脉冲激光以一定频率射入光声池并与待测气体发生作用，由于光声效应，会发出微弱的、特定频率的声音，光声探测器检测到这一声音并进行采集、放大和分析。通过扫描入射激光的波长，即可得到光声光谱。每种气体都有独一无二的光声光谱，就如同人的指纹。

3、然而，现有技术具有一下缺陷：1.体积较大且笨重，光声池的尺寸往往在十几厘米到几十厘米长，不适合便携式携带或部署在狭窄空间；2.灵敏度、信噪比等指标不够高。现有光声探测器往往采用薄膜电容式声压传感器，对声音的灵敏度不够高，限制了整个系统的性能；3.光源、放大器等电学设备与光声池在一起，不适用于高温、高压、强腐蚀、强电磁干扰的恶劣工业环境；4.光声池难以复用，规模化应用成本高。

4、由此可见，目前碳核算主要基于耗电量间接推算，准确性、时效性有待提升。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，第一方面，本申请提供一种光声光谱传感探头，包括：

2、一腔体，所述腔体上开设有第一通孔、第二通孔以及至少一个窗口；

3、第一光纤，其第一端通过所述第一通孔固定插入所述腔体，用于传导激励光；

4、第二光纤，其第一端通过所述第二通孔固定插入所述腔体，用于传输入射光；

5、悬空反射结构，悬空设置于所述第二光纤的第一端上，用于根据反射所述入射光。

6、在一实施例中，所述第一光纤的第一端上设置有透镜，用于汇聚激励光。

7、在一实施例中，所述悬空反射结构的谐振频率通过改变其几何尺寸进行调节。

8、在一实施例中，所述悬空反射结构为螺旋状结构。

9、第二方面，本申请提供一种二氧化碳检测系统，包括设置于远端机房的光学信号处理系统以及布设于待测环境中的光声光谱传感探头；其中，所述光声光谱传感探头为本申请提供的任一光声光谱传感探头；

10、所述光学信号处理系统包括：

11、第一可调谐激光器，与所述光声光谱传感探头的第一光纤连接，用于产生激励光；

12、第二可调谐激光器，用于产生入射光；

13、环形器，与所述第二可调谐激光器以及所述光声光谱传感探头的第二光纤连接，用于通过光纤链路将所述入射光传输至所述光声光谱传感探头，以及接收所述光声光谱传感探头对所述入射光反射形成的反射光；

14、光电转换器，与所述环形器连接，用于将所述反射光转换为电信号；

15、信号分析装置，与所述光电转换器连接，用于基于所述电信号进行分析得到二氧化碳探测结果。

16、在一实施例中，所述第二可调谐激光器产生的激光的波长与所述光声光谱传感探头中悬空反射结构反射光谱的斜率最大点对应的波长一致。

17、第三方面，本申请提供一种二氧化碳检测方法，应用于本申请提供的任一二氧化碳检测系统，包括：

18、接收光声光谱传感探头反射的反射光；

19、对所述反射光进行光电转换，得到光声光谱传感探头检测到的二氧化碳的光声光谱；

20、根据所述光声光谱以及预设的基准图谱确定干涉条纹偏移量；其中，所述基准图谱为光声光谱传感器探头在无光声效应的环境中得到的图谱；

21、根据所述干涉条纹偏移量以及预设的干涉条纹偏移量与二氧化碳浓度的对应关系确定二氧化碳浓度。

22、第四方面，本申请一种二氧化碳检测装置，应用于本申请提供的任一二氧化碳检测系统，包括：

23、反射光接收模块，用于接收光声光谱传感探头反射的反射光；

24、光声光谱确定模块，用于对所述反射光进行光电转换，得到光声光谱传感探头检测到的二氧化碳的光声光谱；

25、干涉条纹偏移量确定模块，用于根据所述光声光谱以及预设的基准图谱确定干涉条纹偏移量；其中，所述基准图谱为光声光谱传感器探头在无光声效应的环境中得到的图谱；

26、二氧化碳浓度确定模块，用于根据所述干涉条纹偏移量以及预设的干涉条纹偏移量与二氧化碳浓度的对应关系确定二氧化碳浓度。

27、第五方面，本申请提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请提供的任一二氧化碳检测方法。

28、第六方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请提供的任一二氧化碳检测方法。

29、本申请的光声光谱传感探头、二氧化碳检测方法、装置及系统，基于光声光谱测量原理，利用高性能光纤微声传感器和光纤微透镜，实现高精度二氧化碳实时测量的，适用于恶劣工业环境的装置和系统。受益于光纤传感器体积小、成本低、高性能、高稳定性、可复用、可远程传感、抗电磁干扰等突出优势，此方案显著缩小了传感系统的尺寸(光声池从几十厘米缩小到几毫米)，解决了电子传感器系统在恶劣环境下受干扰的问题，并且具有检测极限低、灵敏度高、规模化应用成本低等显著优势。此外，此系统不仅限于二氧化碳的定量测量，还可用于甲烷、油气、有毒有害化学气体的检测。

技术特征：

1.一种光声光谱传感探头，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光声光谱传感探头，其特征在于，所述第一光纤的第一端上设置有透镜，用于汇聚激励光。

3.根据权利要求1所述的光声光谱传感探头，其特征在于，所述悬空反射结构的谐振频率通过改变其几何尺寸进行调节。

4.根据权利要求3所述的光声光谱传感探头，其特征在于，所述悬空反射结构为螺旋状结构。

5.一种二氧化碳检测系统，其特征在于，包括设置于远端机房的光学信号处理系统以及布设于待测环境中的光声光谱传感探头；其中，所述光声光谱传感探头为权利要求1-4中任一项提供的光声光谱传感探头；

6.根据权利要求5所述的二氧化碳检测系统，其特征在于，所述第二可调谐激光器产生的激光的波长与所述光声光谱传感探头中悬空反射结构反射光谱的斜率最大点对应的波长一致。

7.一种二氧化碳检测方法，其特征在于，应用于权利要求5或6所述的二氧化碳检测系统，包括：

8.一种二氧化碳检测装置，其特征在于，应用于权利要求5或6所述的二氧化碳检测系统，包括：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7所述的二氧化碳检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7所述的二氧化碳检测方法。

技术总结
本申请公开一种光声光谱传感探头、二氧化碳检测方法、装置及系统，涉及光声光谱测量领域。该光声光谱传感探头包括：一腔体，腔体上开设有第一通孔、第二通孔以及至少一个窗口；第一光纤，其第一端通过第一通孔固定插入所述腔体；第二光纤，其第一端通过第二通孔固定插入腔体；悬空反射结构，包括支撑臂、固定设置于支撑臂上的中央反射镜以及固定设置于第二光纤的第一端上的支撑凸点；支撑凸点与支撑臂连接，以将支撑臂以及其上的中央反射镜悬空设置于第二光纤的第一端上；中央反射镜与第二光纤的第一端的中心对准，以反射通过第二光纤传输的入射光。本申请缩小了传统传感系统的尺寸，具有检测极限低、灵敏度高、规模化应用成本低等优势。

技术研发人员：姚冕,吴蕃,张磊,郑广斌
受保护的技术使用者：中国工商银行股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13