[发明专利]一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法

权利要求书

1.一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，其特征在于，所述的光纤遥测式多功能气体听漏仪器包括激光光源(1)、光缆(2)、光纤听漏探头(3)、宽谱光源(4)、光纤耦合器(5)、锯齿信号发生器(6)、加法器(7)、正弦信号发生器(8)、锁相环(9)、光谱仪(10)和工控机(11)；锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)产生的信号经过加法器(7)产生的合成信号驱动激光光源(1)；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光，分别入射到光纤听漏探头(3)；从光纤听漏探头(3)反射回来的干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂入射到光谱仪(10)；正弦信号发生器(8)的输出端与锁相环(9)的输入端相连，锁相环(9)的输出端与光谱仪(10)的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)与光谱仪(10)相连，用于设置光谱仪(10)的工作参数并对光谱仪(10)输出的光谱信号进行采集、处理和显示；

所述的光纤听漏探头(3)包含一个微型光声腔、三个光纤端面和两个悬臂梁，其中一个光纤端面用于将激光光源(1)产生的激光入射到微型光声腔；另外两个光纤端面与两个悬臂梁分别构成两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪，一个用于测量环境声波信号，另一个测量环境声波和光声的叠加信号；

所述的光纤听漏探头(3)中包含的两个光纤非本征法布里-珀罗干涉仪具有两个不同的腔长，腔长差值大于100nm。

2.一种光纤遥测式多功能气体听漏方法，光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，可直接探测气体泄漏产生的声波信号，并利用主动降噪技术对光声信号进行高精度测量，实现对泄漏气体声音和浓度的多功能同时测量，具备“光耳”和“光鼻”两种功能；其特征在于，步骤如下：

首先，锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器(7)产生的合成信号用于驱动激光光源(1)，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)，扩散进入到光纤听漏探头(3)中的泄漏气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光分别作为光声激发光和声波信号探测光，再入射到光纤听漏探头(3)；光纤听漏探头(3)是一种双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号；从光纤听漏探头(3)反射回来的两束干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂同时入射到光谱仪(10)；锁相环(9)对正弦信号发生器(8)输出的正弦信号进行相位锁定并产生倍频信号，锁相环(9)产生的TTL触发信号对光谱仪(10)进行同步采样控制，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)设置数字光谱仪(10)的工作参数，并通过高速通信接口读取光谱仪(10)测量的光谱数据后，对光谱进行滤波和光谱域-光频域变换预处理后采用快速相位解调法，实现对两个由悬臂梁与光纤端面构成的法布里-珀罗腔的腔长的同时动态测量，进而得到正比于声波振幅的悬臂梁振动信号；工控机(11)采用主动降噪技术将两个法布里-珀罗腔长测量值进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除；进而，工控机(11)将经过相减处理后的光声信号与工控机(11)产生的同频率参考信号进行互相关运算，实现对光声信号的锁相放大，提高光声信号检测的信噪比，根据光声信号中二次谐波分量的峰值，反演出泄漏气体的浓度；同时，工控机(11)对测量的环境声波信号进行频谱特征分析，识别出气体泄漏声波信号；最后，工控机(11)对测量结果进行显示、存储和泄漏报警。

3.根据权利要求2所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光缆(2)是一种三芯光缆，内含三根单模光纤。

4.根据权利要求2或3所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的激光光源(1)是波长可调谐窄线宽激光光源；所述的宽谱光源(4)的光谱宽度大于20nm。

5.根据权利要求2或3所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光谱仪(10)的光谱采集速率大于1kHz，光谱测量范围大于40nm。

6.根据权利要求4所述的光纤遥测式多功能气体听漏方法，其特征在于，所述的光谱仪(10)的光谱采集速率大于1kHz，光谱测量范围大于40nm。