[发明专利]一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法

说明书

本发明属于光纤气体检测技术领域，提供了一种高灵敏度光纤光声气体检测系统及方法。本发明采用迈克尔逊干涉结构的光纤声波传感单元，空芯弹性管作为声换能器，弹性管内放置一段与其等长的铜管，铜管腔作为光声腔，实现光声信号激发和探测的一体化，对光声信号进行数据处理得到气体浓度。本发明采用空芯弹性管作为声换能器，避免了薄膜声换能器引起的噪声敏感、稳定性差的缺点；管内放置和弹性管等长的铜管，使得声波传感器和光声池的共振频率接近，可以显著提高光声信号检测的灵敏度和信噪比。此外，铜管光声腔的使用减小气室体积、促进热交换。本发明在灵敏度、信噪比高，稳定性好，为光纤光声气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

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-optic acoustic sensor for photoacoustic spectroscopy based traces gasdetection.Sensors and Actuators B: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-based all-optical photoacousticspectrometer.Optics Letters,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。

发明内容

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；