专利名称：基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于气体监测、检测领域，具体涉及一种特殊环境下(强电磁、放射性、无 电)使用的监测气体含量的高灵敏度在线式基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体 监测系统。
背景技术：
光声效应是基于物质吸收调制光后通过无辐射驰豫放热而激发出声波的效 应，由于光声光谱法的灵敏度高，检测范围广，特别是不受样品的形态限制，对固体、液体、 气体、粉末、薄膜，甚至生物样品均可直接检测，从而广泛应用于物理、化学、生物、环境、材 料、医学等许多领域，已成为分析检测中一个重要的方法和手段。然而，传统的光声光谱仪 一般依靠现场提供激发光源，使用的微音器为电学结构的，在特殊环境下，例如强电磁和放 射性环境下，由于物理特性制约着电学麦克风的操作，外部的强电磁场的影响能够引起这 些设备功能的丧失甚至破坏他们；在瓦斯环境中，不能使用有源装置，限制了现场需有电源 的传统光声光谱仪的使用。随着光纤激光技术的发展，为特殊环境下(强电磁、放射性、无 电)提供基于光声光谱的在线监测气体含量的高灵敏度系统提供了可能。经过检索，找到了些使用光纤进行气体检测的相关专利，在发明专利(专利公开 号CN 101532951A) “一种光纤混合气体定量测量系统及测量方法”、发明专利(专利公开 号CN 1793850A) “基于环形光纤激光器的气体浓度检测方法及设备”、发明专利(专利公 开号CN 1793849A) “基于光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备”中，提出的 气体测量方法是基于光谱吸收的，利用的是光源被测量气体吸收后剩余的光功率值，非本 发明中采用的光声光谱法中使用的气体吸收调制光后通过无辐射驰豫放热而激发出声波 的光声信号；采用光声方法检测的专利中，在发明专利(专利公开号CN 101487818A) “变 压器油中气体含量在线监测方法及系统”中，使用非相干宽光源加滤光片，微音器使用 电容型驻极微音器EK-23024 ；在发明专利(专利公开号CN 101498690A) “在线式电力 变压器故障监测系统”中，使用的为可调谐级联二极管激光器相干光源，微音器采用的为 Bruel&Kjear-4176 ；在实用新型专利(专利公开号CN2849712) “基于光声原理的有毒有害 气体检测及火灾报警装置”中，光源采用大功率红外热辐射光源，微音器为knowles公司的 EK-3133。以上采用光声方法检测气体浓度的专利中，使用的光源和现场数据处理电路需要现 场提供电源，在特殊环境，比如瓦斯环境下，不能使用，而且采用的微音器是传统的微音器，传 统的微音器包括电容器、驻极体和动态的微音器，使用依靠含电容器或卷的电子线路，特别是 在前两个发明专利(专利公开号CN 101487818A)、CN 101498690A)中将受到应用环境现场变 压器强电磁干扰，如果不额外进行抗电磁干扰设计，外部强电磁场环境将影响这些设备的性 能，甚至使其功能丧失，最严重时将破坏它们，同理在放射性环境中也存在此问题。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提出一套在强电磁干扰、放射性环境、测试现场不能带电的特殊环境下能正常使用的在线式基于光学声波传感器的本征安全光声光谱 气体监测系统，该系统基于光声光谱技术，克服了现有技术的不足，远程光源发出的经过调 制的激光通过光纤可以在现场无电的情况下对光声池中的待测气体进行激发，气体吸收光 脉冲后产生周期性的振动，形成声波，通过不同于传统电子微音器的光学声波传感器可以 采集声强数据，数据可以现场存储，或通过有线、无线的方式发送给后台做进一步的处理， 实现特殊环境下气体的监测。为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的
一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，它包括光源装置，该装 置产生的激光通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，激光入射方向与光声池装置的轴 心共线准直；光学声波传感器与光声池装置连接，光声池装置与待测气体连通；光学声波 传感器中的1/4波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，同时光学声波传感 器中的光隔离器则与解调装置连接，解调装置与数据采集装置连接。所述光源装置包括带电源调制的半导体激光器LD，它经耦合器I进入电源环路， 经过掺铒光纤后，产生的光信号经光隔离器和可调隔离器后传输到耦合器，一部分经耦合 器I反馈回掺铒光纤中，实现环路振荡，另一部分耦合至输出端输出，输出经过光纤和掺铒 光纤放大器，最后经光纤准直器瞄准后，入射到光声池装置中；正弦信号发生器、锯齿波信 号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，该驱动电源由控制器调制，同 时该控制器输出调制频率作为解调装置中锁相放大电路的参考信号频率。所述光学声波传感器包括1/4波长的相移掺铒光栅光纤、980/1550波分复用器 WDM、带尾纤的980 nm半导体激光器LD和光隔离器II，1/4波长的相移掺铒光栅光纤与 980/1550波分复用器WDM连接，同时带尾纤的980 nm半导体激光器LD也与980/1550波分 复用器WDM连接，980/1550波分复用器WDM与光隔离器II连接，光隔离器II与解调装置连 接。所述光声池装置由黄铜加工制成，它包括共振腔，共振腔与进气口和出气口连通； 在共振腔两端是内径大于共振腔的缓冲腔，在两缓冲腔的端部是ZnSe的Brewster光窗；入 射激光、缓冲腔、共振腔的轴心位于同一直线上，在缓冲腔的中点位置，沿内壁径向方向绕 有1/4波长的相移掺铒光栅光纤。所述缓冲腔半径为共振腔体半径的3倍，长度为共振腔体的1/2。所述共振腔两端位于驻波的波节位置，进出口和出气口设置在该处；所述ZnSe的 Brewster光窗也位于声波的波节位置。 所述解调装置包括光纤耦合器DCl，光纤耦合器DCl分别与干涉仪a臂和干涉仪b 臂连接，干涉仪a臂经耦合器II与光纤耦合器DC2连接，干涉仪b臂直接与光纤耦合器DC2 连接，光纤耦合器DC2分别与光电探测器PDl和光电探测器PD2连接，光电探测器PDl和光 电探测器PD2则与差分放大电路连接，差分放大电路与锁相放大电路连接，锁相放大电路 的参考信号频率来自于调制光源的控制器，锁相放大电路与数据采集卡连接。
本发明主要包括光源部分(带电源调制的半导体激光器LD、耦合器I (coupler)、 可调隔离器、光隔离器I、掺铒光纤EDF、光纤、掺铒光纤放大器、光纤准直器)、光声池部分、 光学声波传感器部分(DEB-FL部分(1/4波长的相移掺铒光栅光纤)、980/1550波分复用器 WDM、带尾纤的980 nm半导体激光器LD、光隔离器II (ISO))、解调部分(光纤耦合器DCl和
4DC2、光电探测器PDl和PD2)、差分放大电路、锁相放大电路)。其中离现场远距离的光源 通过光纤提供调制后的激光经过光纤准直器准直后激发光声池中的样气，激光入射方向和 光声池共振腔的轴心线一致，共振腔的内壁环状铺设光学声波传感器中的1/4波长相移掺 铒光栅光纤。光源部分提供的激光波长对应所需监测气体的特征波长(比如乙炔C2H2采用1520 nm，甲烷CH4 1654 nm)，光源发出的红外光均可通过电源直接调制，具体是正弦信号发生 器、锯齿波信号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，电源由控制器调 制，同时该控制器输出调制频率作为锁相放大器的参考信号频率。黄铜制的光声池采用标准的气体共振腔结构，激光的入射和出射窗口采用了 ZnSe 的Brewster光窗，目的是减少激光的反射损耗，同时位于声波的波节位置，进一步减少气 体的湍流造成的噪声干扰误差；在共振腔两端配有声缓冲腔，缓冲腔半径约为共振腔体半 径的3倍，长度为共振腔体的1/2，有很好的噪声隔离效果。1/4波长的相移掺铒光栅光纤铺设在声场的最强位置，即声驻波的波腹，设计在共 振腔中部，将光栅光纤紧贴内壁环状安置在该处以获得最好的检测效果，设计时使共振腔 两端位于驻波的波节位置，进出气口设置在该处，可以避免气体流动引发的噪声。为了从现 场大量的噪声中提取所需要的信息，采用了锁相放大器，锁相放大器的参考信号频率由光 源部分的电源调制控制器提供。本发明的有益效果是使用的高灵敏度在线式基于光学声波传感器的本征安全光 声光谱气体监测系统，采用光声光谱法测量微量气体含量，即在远程用光纤激光器串接大 功率光纤放大器做相干光源，光源发送的激光通过光纤传导辐射光声池中的样气，样气吸 收光脉冲，通过无辐射驰豫放热而激发出声波，通过光学声波传感器中的1/4波长的相移 掺铒光栅光纤采集现场声压信号，最后通过光纤传到远处进行解调处理，最终数据可以在 当地存储或通过有线、无线的方式发送给后台做进一步的处理，从而高灵敏度、高精度地监 测现场环境中气体含量情况，具有监测灵敏度高、响应速度快等优点，可实现微量有毒有害 气体或其它特定气体的快速、准确、长期在线监测，特别是实现诸如现场不允许出现电源装 置的煤矿生产瓦斯环境，以及强电磁、放射性等特殊检测环境下对气体的精确测量和分析。
图1是本发明实例及内部结构图。其中，1-带电源调制的半导体激光器LD，2-耦合器I，3-可调隔离器，4_光 隔离器I，5-掺铒光纤，6-光纤，7-掺铒光纤放大器，8-光纤准直器，9-ZnSe的 Brewster光窗，10-进气口，11-出气口，12-缓冲腔，13-共振腔，14-1/4波长的相 移掺铒光栅光纤，15-980/1550波分复用器WDM，16-带尾纤的980 nm半导体激光器LD， 17-光隔离器II，18-数据采集卡，19-光纤耦合器DC1，20-干涉仪a臂，21-干涉仪 b臂，22-耦合器II，23-光纤耦合器DC2，24-光电探测器PD1，25-光电探测器PD2， 26-差分放大电路，27-来源于调制电源的参考信号频率，28-锁相放大电路。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做详细说明，本实施实例给出了详细的实施方式和具体的操作步骤是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，但本发明保护的范围不限 于下述的实施例。如图1所示，实施实例包括光源装置，该装置产生的激光通过光纤6经光纤准直器 8与光声池装置连接，激光入射方向与光声池装置的轴心共线准直；光学声波传感器与光 声池装置连接，光声池装置与待测气体连通；其中光学声波传感器中的1/4波长的相移掺 铒光栅光纤14环状铺设在光声池装置内壁，同时光学声波传感器中的光隔离器1117则与 解调装置连接，解调装置与数据采集装置连接。光源装置包括带电源调制的半导体激光器LD1，它与耦合器12连接，耦合器12通 过掺铒光纤5依次与光隔离器14、可调隔离器3连接；同时耦合器12还以光纤6通过掺铒 光纤放大器7、光纤准直器8接光声池装置，电源调制频率送入解调装置。正弦信号发生器、 锯齿波信号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，电源由控制器调制， 同时该控制器输出调制频率作为解调装置中锁相放大电路28的参考信号频率27。如图1所示，实施实例包括光声池装置，光声池装置包括共振腔13，共振腔13两 端设有缓冲腔12，在缓冲腔12端部分别设有ZnSe的Brewster光窗9 ；共振腔13设有进 气口 10和出气口 11与待测气体连通；光学声波传感器包括1/4波长的相移掺铒光栅光纤 14，它们环状铺设在共振腔13内壁；ZnSe的Brewster光窗9与光纤准直器8配合，激光入 射方向与共振腔13的轴心共线准直。共振腔13为黄铜制；缓冲腔12半径为共振腔13半 径的3倍，长度为共振腔13的1/2。共振腔13两端位于驻波的波节位置，进出、气口设置在 该处；ZnSe的Brewster光窗9也位于声波的波节位置。如图1所示，实施实例包括解调装置，解调装置包括与光学声波传感器连接的 980/1550波分复用器WDM15，它分别与带尾纤的980 nm半导体激光器LD16和光隔离器 1117连接，光隔离器1117经光纤6与光纤耦合器DCl 19连接，光纤耦合器DCl 19分别与 干涉仪a臂20和干涉仪b臂21，干涉仪a臂20经耦合器II22与光纤耦合器DC2 23连接， 干涉仪b臂21直接与光纤耦合器DC2 23连接，光纤耦合器DC2 23分别与光电探测器PDl 24和光电探测器PD2 25连接，光电探测器PDl 24和光电探测器PD2 25则与差分放大电路 26连接，差分放大电路26与锁相放大电路28连接，锁相放大电路28与数据采集卡18连 接。本发明发工作方法是光声池位于测试现场，光源和光学声波传感器的解调部分 位于远处，带电源调制的半导体激光器LD 1发出的激光经耦合器12进入电源环路，经过掺 铒光纤5后，再经光隔离器14和可调隔离器3后传输到耦合器12，一部分经耦合器12反馈 回到掺铒光纤5中，实现环路振荡，另一部分耦合至输出端输出，输出的激光经过光纤6和 掺铒光纤放大器7，最后经光纤准直器8瞄准后，透过ZnSe的Brewster光窗9入射到光声 池中，光声池由黄铜加工制成，在共振腔13左右两端有缓冲腔12，其半径约为共振腔13半 径的3倍，长度为共振腔的1/2，入射激光、缓冲腔12、共振腔13轴心位于同一直线上。在 共振腔13的中点位置，沿内壁方向环状绕有1/4波长的相移掺铒光栅光纤14，在共振腔中 总长约5厘米，探测声压信号的强度，在探测过程中，带尾纤的980 nm半导体激光器LD16 作为光学声波传感器的泵浦源，泵浦光经过980/1550波分复用器15后进入1/4波长的相 移掺铒光栅光纤14，经光隔离器II17输出的光信号经光纤6到达光纤耦合器DCl 19，分成 空间分离的两路光束，分别进入干涉仪a臂20、干涉仪b臂21，最后进入光纤耦合器DC2 23重新相干混合，在输出端光电探测器 PDl 24和光电探测器PD2 25输出干涉结果，经光电转 换器转换成电信号经过差分放大电路26和锁相放大电路28 (其参考信号频率来源于调制 电源的参考信号频率27)处理后输出结果到数据采集卡18。
权利要求
一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其特征是，光源装置产生的激光通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，激光入射方向与光声池装置的轴心共线准直；光学声波传感器与光声池装置连接，光声池装置与待测气体连通；光学声波传感器中的1/4波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，同时光学声波传感器中的光隔离器II则与解调装置连接，解调装置与数据采集装置连接。
2.如权利要求1所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其 特征是，所述光源装置包括带电源调制的半导体激光器LD，它经耦合器I进入电源环路，经 过掺铒光纤后，产生的信号光经光隔离器和可调隔离器后传输到耦合器，一部分经耦合器I 反馈回到掺铒光纤中，实现环路振荡；另一部分耦合至输出端输出，输出的激光经过光纤和 掺铒光纤放大器，最后经光纤准直器瞄准后，入射到光声池装置中；电源调制为正弦信号发 生器、锯齿波信号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，电源由控制器 调制，同时该控制器输出调制频率作为解调装置中锁相放大电路的参考信号频率。
3.如权利要求1所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其 特征是，所述光学声波传感器包括1/4波长的相移掺铒光栅光纤、980/1550波分复用器 WDM、带尾纤的980 nm半导体激光器LD和光隔离器II，1/4波长的相移掺铒光栅光纤与 980/1550波分复用器WDM连接，同时带尾纤的980 nm半导体激光器LD也与980/1550波分 复用器WDM连接，980/1550波分复用器WDM与光隔离器II连接，光隔离器II与解调装置连 接。
4.如权利要求1所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其特 征是，所述解调装置包括光纤耦合器DCl，光纤耦合器DCl分别与干涉仪a臂和干涉仪b臂， 干涉仪a臂经耦合器II与光纤耦合器DC2连接，干涉仪b臂直接与光纤耦合器DC2连接， 光纤耦合器DC2分别与光电探测器PDl和光电探测器PD2连接，光电探测器PDl和光电探 测器PD2则与差分放大电路连接，差分放大电路与锁相放大电路连接，光源部分的电源调 制频率作为锁相放大电路的参考信号频率，锁相放大电路与数据采集卡连接。
5.如权利要求1所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其特 征是，所述数据采集装置为数据采集卡。
6.如权利要求1或2所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系 统，其特征是，所述光声池装置由黄铜加工制成，它包括共振腔，共振腔与进气口和出气 口连通；在共振腔两端是内径大于共振腔的缓冲腔，在两缓冲腔的缓冲腔端部是ZnSe的 Brewster光窗；入射激光、缓冲腔、共振腔的轴心位于同一直线上，在共振腔的中心位置， 沿内壁环状绕有1/4波长的相移掺铒光栅光纤。
7.如权利要求6所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其特 征是，所述缓冲腔半径为共振腔体半径的3倍，长度为共振腔体的1/2。
8.如权利要求6所述的基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其 特征是，所述共振腔两端位于驻波的波节位置，进出口和出气口设置在该处；所述ZnSe的 Brewster光窗也位于声波的波节位置。
全文摘要
本发明涉及一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统。它包括光源装置，该装置通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，光源发出的激光其入射方向与光声池装置的轴心共线准直；光学声波传感器其1/4波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，光声池装置与待测气体连通，光栅光纤则与解调装置和数据采集装置连接。本发明具有检测灵敏度高和响应速度快等优点，可实现微量有毒有害气体或其它特定气体的快速、准确、长期在线监测，特别是实现在一些特殊检测环境下对气体的精确测量和分析，例如强电磁、放射性环境、以及现场不允许出现电源装置的煤矿生产瓦斯环境等。
文档编号G01N21/17GK101887009SQ201010129190
公开日2010年11月17日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者刘晓建, 刘祥志, 成巍, 王知学 申请人:山东省科学院自动化研究所