[发明专利]一种单光源光纤光声气体传感系统及方法

说明书

一种单光源光纤光声气体传感系统及方法，属于光纤气体检测技术领域。该气体传感系统包括单光纤微型光声气体传感器件、光纤、激光器驱动电路、激光器、光纤耦合器、光电探测器、信号处理电路、计算机。采用声波敏感的L型悬臂梁以及光纤微型感测结构，将目标气体吸收激光光能产生的光声二次谐波信号转换为光强度的变化，通过测量反射光强度的变化即可实现目标气体浓度的监测。本发明方案采用单个可调谐激光光源，即可实现光声信号的同时激发和探测。相比于传统的光纤光声气体传感，由于不需要额外的信号探测光源，因此可大幅度简化系统结构并降低系统成本。本发明为低成本、快速、高灵敏度、远距离气体泄漏监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，涉及一种单光源光纤光声气体传感系统及方法。

背景技术

泄漏气体的实时监测对于家用燃气的安全使用发挥了重要的预警作用，对化工厂、输气管道、气站的安全稳定运行同样具有重要意义。传统的电学气体传感器在易燃易爆气体氛围下可能会引入额外的危险，且在大型电气设备周边易受电磁干扰。

随着激光技术的发展，吸收光谱气体检测技术已经成为优异的气体泄漏监测方案。吸收光谱法具有灵敏度高、气体选择性好、使用寿命长和响应速度快等优点。根据激光与气体分子相互作用机理可将吸收光谱气体检测方案分为直接吸收光谱气体检测方案与间接吸收光谱气体检测方案。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)是利用可调谐半导体激光器实现气体浓度检测的直接吸收光谱技术。根据朗伯-比尔定律，目标气体会吸收特定波长的激光，通过出射光相对入射光的强度变化即可得到目标气体的浓度。光声光谱(PAS)气体检测技术是间接吸收光谱气体检测方案的重要分支。部分目标气体分子吸收特定波长的激光，由低能态跃迁到高能态，并通过无辐射跃迁回到低能态，这个过程伴随着热量的释放。以一定的频率调制激光器，气体分子将吸收的光能通过热量周期性的释放出来，导致气体的周期性热膨胀，产生声波。利用换能器拾取声波信息，并将其转化为光信号，通过解调系统即可从光信号中获取声波信息，进而得到气体的浓度。文献Lock-in white-light-interferometry-based all-optical photoacoustic spectrometer.Optics Letters,2018,43(20):5038-5041提出了一种基于光纤声波传感器和共振式光声池的光声光谱气体监测系统，实现了全光学的高灵敏气体检测。然而，较大的感测结构(共振式光声池)和成本高昂的光声探测单元限制了该系统的推广。文献Demonstration of a highlysensitivephotoacoustic spectrometer based on a miniaturized all-opticaldetectingsensor.Optics Express,2017,25(15):17541-17548提出了一种集光声激发与光声探测为一体的遥测式光声光谱气体传感器，实现了全光学气体感测结构的小型化，但传感器件采用两根光纤与解调系统相连，分别用于传输光声激发光和光声探测光。目前报道的光纤光声传感系统均需要采用两个光源，分别用于光声信号的激发和探测，这种复杂的结构及高昂的成本影响了光纤光声传感技术的推广应用。因此，设计一种结构简单、成本低廉的单光源光纤光声光谱气体传感系统具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种单光源光纤光声气体传感系统及方法，旨在解决目前光纤光声光谱气体检测方案中普遍存在的系统结构复杂和解调成本高等问题，为光纤光声气体检测技术的应用拓展更大的空间。

本发明的技术方案：

一种单光源光纤光声气体传感系统，包括单光纤微型光声气体传感器件1、传感光纤2、激光器驱动电路3、激光器4、光纤耦合器5、光电探测器6、信号处理电路7和计算机8；