[發明專利]一種單光源光纖光聲氣體傳感系統及方法

有效

• 申請號: 202010748095.0
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN112033908B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 陳珂;郭珉;馬鳳翔;邱欣杰;于清旭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;國網安徽省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/39
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種單光源光纖光聲氣體傳感系統，其特征在于，該單光源光纖光聲氣體傳感系統包括單光纖微型光聲氣體傳感器件（1）、傳感光纖（2）、激光器驅動電路（3）、激光器（4）、光纖耦合器（5）、光電探測器（6）、信號處理電路（7）和計算機（8）；

所述激光器驅動電路（3）、激光器（4）與光纖耦合器（5）依次連接，激光器（4）在激光器驅動電路（3）的作用下以一定的調制頻率輸出特定波長的激光；所述單光纖微型光聲氣體傳感器件（1）通過傳感光纖（2）與光纖耦合器（5）連接，輸出光通過傳感光纖（2）進入光纖耦合器（5），然后經過2×1耦合器的單端光纖延長線及傳感光纖（2）進入單光纖微型光聲氣體傳感器件（1）；所述單光纖微型光聲氣體傳感器件（1）主要由光纖準直器（9）、微型氣體感測腔（10）、感測腔殼體（11）及L型懸臂梁（12）構成；所述感測腔殼體（11）的截面為階梯結構，其內部空間為微型氣體感測腔（10）；所述L型懸臂梁（12）設置在感測腔殼體（11）的下階梯的上表面上；所述光纖準直器（9）設置在感測腔殼體（11）的上階梯的側表面，并與感測腔殼體（11）相連；所述微型氣體感測腔（10）為激光與目標氣體相互作用的場所，所述光纖耦合器（5）的單端與光纖準直器（9）通過傳感光纖（2）相連，光束由光纖準直器（9）準直后照射微型氣體感測腔（10）內的待測氣體，部分氣體吸收一定的光能并發生光聲效應，L型懸臂梁（12）作為聲波換能器拾取光聲信號，其短臂末端邊與圓柱形感測內腔的中軸延長線垂直相交，在光聲信號的作用下發生受迫振動，短臂反射光的強度隨著L型懸臂梁（12）的振動發生變化；所述的光纖耦合器（5）、光電探測器（6）、信號處理電路（7）和計算機（8）依次連接，光電探測器（6）接收反射光，并將其轉變為電信號；信號處理電路（7）接收電信號并將其傳輸給計算機（8）進行數據的提取、處理及顯示。

2.根據權利要求1所述的單光源光纖光聲氣體傳感系統，其特征在于，所述激光器（4）為波長可調諧激光器，通過驅動電流以一定的頻率進行波長調制，波長調制中心為目標氣體的吸收線中心。

3.根據權利要求1或2所述的單光源光纖光聲氣體傳感系統，其特征在于，所述光纖耦合器（5）為2×1的3端耦合器，分光比為50:50。

4.根據權利要求1或2所述的單光源光纖光聲氣體傳感系統，其特征在于，所述信號處理電路（7）的核心是二次諧波信號提取單元。

5.根據權利要求3所述的單光源光纖光聲氣體傳感系統，其特征在于，所述信號處理電路（7）的核心是二次諧波信號提取單元。

6.一種采用如權利要求1-5任一所述的單光源光纖光聲氣體傳感系統的氣體傳感方法，利用L型懸臂梁（12）的聲波敏感特性，將光聲二次諧波信號轉換為光強度的變化，采用單個可調諧激光光源，實現光聲信號的同時激發和探測，其特征在于，步驟如下：

首先激光器驅動電路（3）驅動激光器（4），使其以一定的調制頻率輸出特定波長的激光；輸出光通過傳感光纖（2）進入2×1光纖耦合器（5），光纖耦合器（5）的單端與單光纖微型光聲氣體傳感器件（1）連接；激勵光被光纖準直器（9）準直后進入微型氣體感測腔（10）；微型氣體感測腔（10）內的部分待測氣體吸收一定的光能并發生光聲效應產生光聲信號，信號作用于L型懸臂梁（12），使其發生受迫振動，L型懸臂梁（12）的短臂反射光強度隨著振動發生變化；光電探測器（6）接收到的反射光強度也隨之發生變化，變化的幅度與氣體的濃度成正比；信號處理電路（7）接收光電探測器（6）輸出的電信號并將其傳輸給計算機（8）進行數據的提取、處理及顯示。