[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

一種單光源光纖光聲氣體傳感系統及方法，屬于光纖氣體檢測技術領域。該氣體傳感系統包括單光纖微型光聲氣體傳感器件、光纖、激光器驅動電路、激光器、光纖耦合器、光電探測器、信號處理電路、計算機。采用聲波敏感的L型懸臂梁以及光纖微型感測結構，將目標氣體吸收激光光能產生的光聲二次諧波信號轉換為光強度的變化，通過測量反射光強度的變化即可實現目標氣體濃度的監測。本發明方案采用單個可調諧激光光源，即可實現光聲信號的同時激發和探測。相比于傳統的光纖光聲氣體傳感，由于不需要額外的信號探測光源，因此可大幅度簡化系統結構并降低系統成本。本發明為低成本、快速、高靈敏度、遠距離氣體泄漏監測提供了一種極具競爭力的技術方案。

技術領域

本發明屬于光纖氣體檢測技術領域，涉及一種單光源光纖光聲氣體傳感系統及方法。

背景技術

泄漏氣體的實時監測對于家用燃氣的安全使用發揮了重要的預警作用，對化工廠、輸氣管道、氣站的安全穩定運行同樣具有重要意義。傳統的電學氣體傳感器在易燃易爆氣體氛圍下可能會引入額外的危險，且在大型電氣設備周邊易受電磁干擾。

隨著激光技術的發展，吸收光譜氣體檢測技術已經成為優異的氣體泄漏監測方案。吸收光譜法具有靈敏度高、氣體選擇性好、使用壽命長和響應速度快等優點。根據激光與氣體分子相互作用機理可將吸收光譜氣體檢測方案分為直接吸收光譜氣體檢測方案與間接吸收光譜氣體檢測方案。可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)是利用可調諧半導體激光器實現氣體濃度檢測的直接吸收光譜技術。根據朗伯-比爾定律，目標氣體會吸收特定波長的激光，通過出射光相對入射光的強度變化即可得到目標氣體的濃度。光聲光譜(PAS)氣體檢測技術是間接吸收光譜氣體檢測方案的重要分支。部分目標氣體分子吸收特定波長的激光，由低能態躍遷到高能態，并通過無輻射躍遷回到低能態，這個過程伴隨著熱量的釋放。以一定的頻率調制激光器，氣體分子將吸收的光能通過熱量周期性的釋放出來，導致氣體的周期性熱膨脹，產生聲波。利用換能器拾取聲波信息，并將其轉化為光信號，通過解調系統即可從光信號中獲取聲波信息，進而得到氣體的濃度。文獻Lock-in white-light-interferometry-based all-optical photoacoustic spectrometer.Optics Letters,2018,43(20):5038-5041提出了一種基于光纖聲波傳感器和共振式光聲池的光聲光譜氣體監測系統，實現了全光學的高靈敏氣體檢測。然而，較大的感測結構(共振式光聲池)和成本高昂的光聲探測單元限制了該系統的推廣。文獻Demonstration of a highlysensitivephotoacoustic spectrometer based on a miniaturized all-opticaldetectingsensor.Optics Express,2017,25(15):17541-17548提出了一種集光聲激發與光聲探測為一體的遙測式光聲光譜氣體傳感器，實現了全光學氣體感測結構的小型化，但傳感器件采用兩根光纖與解調系統相連，分別用于傳輸光聲激發光和光聲探測光。目前報道的光纖光聲傳感系統均需要采用兩個光源，分別用于光聲信號的激發和探測，這種復雜的結構及高昂的成本影響了光纖光聲傳感技術的推廣應用。因此，設計一種結構簡單、成本低廉的單光源光纖光聲光譜氣體傳感系統具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提出一種單光源光纖光聲氣體傳感系統及方法，旨在解決目前光纖光聲光譜氣體檢測方案中普遍存在的系統結構復雜和解調成本高等問題，為光纖光聲氣體檢測技術的應用拓展更大的空間。

本發明的技術方案：

一種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；