[发明专利]一种光纤尖式光声气体传感系统及方法

说明书

本发明提供了一种光纤尖式光声气体传感系统及方法，属于光学微量气体检测技术领域。该气体传感系统包括窄线宽激光光源、宽谱探测光源、波分复用器、光环形器、光谱仪、计算机、单模光纤、光纤尖式光声传感探头。窄线宽激光和宽谱探测光经波分复用器耦合并经单根光纤同时传输到光纤尖式光声传感探头，采用一个公用气腔同时作为光声气体吸收池和法布里‑珀罗干涉腔；待测气体通过悬臂梁缝隙自由扩散进入微型气室，利用声波敏感的悬臂梁膜片探测产生的光声信号。本发明方案具有探头体积小、响应速度快、结构简单、本质安全、灵敏度高等优点，为光纤光声气体传感技术在狭窄管道中的微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。

技术领域

本发明属于光学微量气体检测技术领域，涉及一种光纤尖式光声气体传感系统及方法。

背景技术

甲烷是一种无色无味的可燃性气体，是十分重要的清洁能源，但甲烷气体也会导致爆炸等灾难性事故。然而，有些监测场景(比如狭窄管道等)对传感器的尺寸提出了较高要求，因此，设计出一种微型高灵敏度的气体传感器具有重要的意义。

常见的微量甲烷气体检测方法有气相色谱法、电化学传感法、光声光谱法、拉曼光谱法等，其中光声光谱(PAS)法有着灵敏度高和免维护的优点。但是，现有的光声光谱气体检测系统往往存在体积大和系统复杂等问题。为进一步减小光声探头体积同时保证探测灵敏度，文献Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[J].Optics Express,2019.27(4):4648-4659及文献Parylene-C diaphragm-based low-frequency photoacoustic sensor for space-limited trace gasdetection[J].Optics and Lasers in Engineering,2020.134:106288先后报道了基于光声光谱的痕量气体检测系统，将光纤法布里-珀罗声波传感器和小型光声池结合，使光纤尖式光声传感探头中的微型气室体积小于74μL。但是，由于利用了高灵敏度的光纤声波传感器，探头上往往需要连接两路光纤，一路传输激发光声信号的激发光，一路传输组成法布里-珀罗干涉仪的探测光，占据了多余的空间，不易于进一步减小探头体积。文献Miniaturefiber-tip photoacoustic spectrometer for trace gas detection[J].OpticsLetters,2013.38(4):434提出一种单光纤光声光谱气体探测系统，可以减小光声探头体积。但是，有源器件如气阀的使用限制了这种传感器的微型化。此外，所使用的强度解调法需要采用窄带光纤可调谐滤波器将探测光滤出，而可调谐滤波器的中心波长极易受到温度影响而发生漂移，导致该方案不利于现场应用。因此，设计一种体积小、灵敏度高且本质安全的光纤尖式光声气体传感系统有着重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光纤尖式光声气体传感系统及方法，该方案结构简单、探头体积小且灵敏度高。可以有效解决甲烷气体传感器普遍存在的体积大、系统复杂、抗电磁干扰能力差等问题，进一步拓展光纤光声传感技术在有电磁干扰环境或者狭窄管道等场景中的应用。

本发明的原理如下：

中心波长调整在甲烷吸收峰值处的窄线宽激光器和宽光谱探测光源耦合进入波分复用器，并在同一根光纤中传输。窄线宽激光激发末端光声探头腔内的气体分子，产生光声信号，推动光声探头端面的悬臂梁膜片振动。光纤端面和悬臂梁之间的空气间隙形成一个法布里-珀罗干涉腔，采用光谱仪解调得到声波信息，从而测得光声信号的二次谐波幅度，进而获得气体的浓度信息。

光声探头端面刻蚀的矩形悬臂梁的一阶共振频率可以表示为：