[发明专利]一种光纤尖式光声气体传感系统及方法

权利要求书

1.一种光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，该光纤尖式光声气体传感系统包括窄线宽激光光源（1）、宽谱探测光源（2）、波分复用器（3）、光环形器（4）、光谱仪（5）、计算机（6）、单模光纤（7）、光纤尖式光声传感探头（8）；窄线宽激光光源（1）连接到波分复用器（3）的反射端，波分复用器（3）的公共端通过单模光纤（7）连接到光纤尖式光声传感探头（8）；窄线宽激光光源（1）输出的激光经由波分复用器（3）和单模光纤（7）入射到光纤尖式光声传感探头（8）；光环形器（4）连接到波分复用器（3）的透射端，宽谱探测光源（2）发出的宽谱光经由光环形器（4）和波分复用器（3）进入单模光纤（7），宽谱光在光纤尖式光声传感探头（8）中与反射探测光发生干涉，返回的干涉信号经由波分复用器（3）和光环形器（4）传输给光谱仪（5），干涉光谱传输给计算机（6）进行处理和显示；

所述的光纤尖式光声传感探头（8）包括光纤陶瓷插针（9）、微型气室（10）、光纤端面（11）和声波敏感悬臂梁膜片（12）；声波敏感悬臂梁膜片（12）安装在微型气室（10）的右侧，待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片（12）上的悬臂梁缝隙扩散进入微型气室（10）；声波敏感悬臂梁膜片（12）的表面镀金，其长度、宽度和厚度分别为0.5mm、0.3mm和2；声波敏感悬臂梁膜片（12）与光纤端面（11）形成法布里-珀罗腔，腔长为2.2mm，法布里-珀罗腔的内半径设计为0.18 ，法布里-珀罗腔体积为0.22。

2.根据权利要求1所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的窄线宽激光光源（1）的波长是1650.9nm或者1653.7nm，线宽小于1pm。

3.根据权利要求2所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的波分复用器（3）的透射端的工作波长范围为1520-1570nm，反射端的工作波长范围为1600-1700nm。

4.根据权利要求1、2或3所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的宽谱探测光源（2）是近红外宽带光源，中心波长为1550nm，谱宽不小于20。

5.根据权利要求4所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的光谱仪（5）的波长范围为1525-1565nm，帧速高于10kHz。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，所述的单模光纤（7）的长度范围为1m-10km。

7.一种光纤尖式光声气体传感方法，采用权利要求1-5所述的任意一种光纤尖式光声气体传感系统，其特征在于，步骤如下：

首先，由窄线宽激光光源（1）输出特定波长的激光，经由波分复用器（3）的反射端在单模光纤（7）中传输，通过光纤陶瓷插针（9）右端的光纤端面（11）进入法布里-珀罗腔中；待测气体通过声波敏感悬臂梁膜片（12）上刻蚀的悬臂梁缝隙进入微型气室（10）；入射激光激发微型气室（10）中的待测气体，产生光声效应，引起气体周期性的热膨胀，进而产生声信号，从而使声波敏感悬臂梁膜片（12）发生受迫振动；

然后，由光纤端面（11）和声波敏感悬臂梁膜片（12）构成一个法布里-珀罗干涉腔；宽谱探测光源（2）出射的宽谱光先后经过光环形器（4）、波分复用器（3）和单模光纤（7），然后通过光纤陶瓷插针（9）右端的光纤端面（11）入射法布里-珀罗腔，并照射在声波敏感悬臂梁膜片（12）上；声波敏感悬臂梁膜片（12）上刻蚀的悬臂梁末端反射探测光并在腔内形成法布里-珀罗干涉；

最后，声波敏感悬臂梁膜片（12）产生的受迫振动会使得法布里-珀罗腔的腔长发生周期性变化，进而使干涉谱的相位发生变化，由光谱仪（5）接收干涉谱并将信息传输到计算机（6）进行处理，解调出法布里-珀罗腔的动态腔长信息，并根据提取出的二次谐波信号的幅度计算出气体的浓度。