一种实时校准的高精度光纤光声气体传感系统及方法

本发明属于光声光谱气体传感，涉及一种实时校准的高精度光纤光声气体传感系统及方法。

背景技术：

1、光纤光声气体传感技术具有本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、可遥测等诸多优势，可应用在工业气体检测、国防边检以及环境污染物监测等领域。但由于光声光谱原理本身导致该方案会受到环境温度压强变化、光源功率衰减等因素的干扰，引起系统对待测气体的检测灵敏度发生变化，从而影响系统的可靠性。文献research on temperature andpressure interference in photoacoustic spectroscopy gas detection.microwaveand optical technology letters,66.1(2024):e33971研究了温度和压强对光声气体监测装置的影响并提出了一种温度补偿方法，但气压对光声气体检测系统的影响并未提出修正办法。文献pressure-compensated fiber-optic photoacoustic sensors for traceso2 analysis in gas insulation equipment.analytical chemistry.2024,96.27(2024):10995–11001针对sf6电气设备内高压环境，提出了一种带有压力补偿的so2气体光纤光声传感器，虽然该传感器打破了高压环境下麦克风灵敏度降低对系统性能的限制，实现了光纤光声传感器对气压和气体浓度的同时感测，但系统仍只能工作在特定压强下，不能根据环境气压的变化实现自动校准。通常，光纤光声气体传感系统采用外置温控装置和稳压系统的方式，使系统工作在恒温恒压的环境中。但这一定程度上增加了系统的维护成本且限制了系统的应用场景。因此，设计一种实时校准的高精度光纤光声气体传感系统及方法具有重大应用意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种实时校准的高精度光纤光声气体传感系统及方法，两个结构相同的扩散气室并列放置并采用具有一定柔性的声波敏感膜片隔离气体，采用弹性薄膜密封参考池保证参考池内气体温度与压强同探测池中一致，通过检测参考池中内置标准气体激发的光声信号，对系统灵敏度进行校准。该方案结构简单且可以抵抗环境温度压强变化和光源功率衰减对检测的影响，可以有效解决传统光纤光声传感器在高低温或非常压环境下精度劣变的问题，进一步拓展光纤光声传感技术在环境应用中的适应范围。

2、本发明的原理如下：在非密封的非共振光声管中激发的光声压力波ppa随频率f的变化可以表示为：

3、

4、其中p0、l和v分别表示激光功率、光声管的长度和体积。γ(p,t)是背景气体(通常是空气)的热容比，为气压p和温度t的函数。β1(p,t)和β2(p,t)描述了光声信号产生过程中的热学和声学阻尼。α(p,t)为待测气体的吸收系数。在体积固定的情况下，温度和气压的变化会影响气体物态属性和激光吸收系数，导致系统检测灵敏度发生剧烈变化，降低系统检测可靠性。此外，光源功率会随系统运行时间延长产生衰减。因此，在系统中安装一个和探测池的结构完全一致的参考池，且内置标准气体。参考池和探测池均为扩散式光声池，扩散孔外部贴有透气膜以避免光声池内声场变化。在参考池的扩散孔外部以弹性橡胶薄膜密封。当温度或气压发生变化时，参考池内的气体膨胀收缩或大气压挤压带动弹性橡胶薄膜凸起或凹陷，这保证了参考池内气体温度和压强与探测池内一致，进而气体检测灵敏度一致。当光源功率衰减时，经光开关分别进入参考池和探测池的光功率一致，进而避免光源功率变化对检测精度的影响。在检测待测气体前，通过检测参考池内标准气体激发的光声信号可对系统灵敏度进行预校准，从而修正探测池内检测的待测气体浓度，提升系统测量精度和可靠性。

5、本发明的技术方案：

6、一种实时校准的高精度光纤光声气体传感系统，包括dfb激光器1、光开关2、单模光纤3、双芯光纤4、参考池5a、探测池5b、探测光纤陶瓷插针6a、对比陶瓷插针6b、参考池扩散孔7a、探测池扩散孔7b、参考池透气膜8a、探测池透气膜8b、柔性声波敏感膜片9、弹性橡胶薄膜10、宽谱光源11、光环形器12、光谱仪13和控制电路14；

7、控制电路14分别与光谱仪13和dfb激光器1相连，dfb激光器1进一步与光开关2相连，光开关2分别与单模光纤3、双芯光纤4相连；光谱仪13进一步与光环形器12相连，光环形器12分别与宽谱光源11、双芯光纤4相连；单模光纤3伸入探测池5b，双芯光纤4中的一根光纤伸入参考池5a，探测池5b和参考池5a之间设有柔性声波敏感膜片9，双芯光纤4中的另一光纤连接探测光纤陶瓷插针6a；对比陶瓷插针6b、探测光纤陶瓷插针6a对应插入到探测池5b、参考池5a中，二者对应位于柔性声波敏感膜片9的两侧；参考池5a和探测池5b上对应开有参考池扩散孔7a和探测池扩散孔7b，参考池扩散孔7a和探测池扩散孔7b上对应覆盖参考池透气膜8a和探测池透气膜8b，参考池透气膜8a外部覆盖被弹性橡胶薄膜10；

8、控制电路14驱动dfb激光器1输出激光，激光由光开关2控制分时入射到双芯光纤4和单模光纤3中；入射到双芯光纤4中一根光纤的激光进入参考池5a，入射到单模光纤3中的激光进入探测池5b，柔性声波敏感膜片9同时探测光声信号；宽谱光源11发出探测光经光环形器12入射到双芯光纤4的另一根光纤，并传输到探测光纤陶瓷插针6和柔性声波敏感膜片9发生干涉，返回的干涉信号经光环形器12传输到光谱仪13，控制电路14采集干涉光谱进行解调。

9、所述参考池5a和探测池5b内部尺寸和结构参数完全一致，参考池5a内部充满已知浓度的标准待测气体，待测标准气体浓度以入射激光可激发能够明显探测的稳定光声信号为宜；参考池5a和探测池5b以柔性声波敏感膜片9所在平面为对称平面并分隔两个气腔，探测光纤陶瓷插针6a和对比陶瓷插针6b，参考池扩散孔7a和探测池扩散孔7b均对称安装。

10、所述柔性声波敏感膜片9为圆形，周围均被紧密固定，表面平整无褶皱无缝隙，具有良好的表面张力和声学灵敏度。

11、所述的探测光纤陶瓷插针6a和对比陶瓷插针6b为同类型光纤陶瓷插针，中心正对柔性声波敏感膜片9的圆心，且距离柔性声波敏感膜片9的距离相同，距离范围为0.15mm-1mm。

12、所述控制电路14包含光谱采集、信号解调锁相和dfb激光器驱动的功能，内部编写基于白光干涉的光谱相位解调算法。

13、所述的宽谱光源11是近红外宽带光源，中心波长为1550nm，谱宽不小于40nm。

14、所述的光谱仪13的波长范围为1525-1570nm，帧速高于15khz。

15、一种实时校准的高精度光纤光声气体传感方法，激光通过光开关2分时入射到两个结构相同的参考池5a、探测池5b，参考池5a、探测池5b中的一个通入标准气体，另一个用于感测待测气体浓度，并被一个柔性声波敏感膜片9分隔；参考池5a、探测池5b上的参考池扩散孔7a、探测池扩散孔7b上对应参考池透气膜8a、探测池透气膜8b，且参考池的透气膜5a上方被弹性橡胶薄膜10密封，当环境温度或压强变化时，弹性橡胶薄膜10凸起或凹陷从而保证参考池5a和探测池5b内部温度和气压一致，使气体检测灵敏度相同；探测的光声信号引起柔性声波敏感膜片9振动，根据柔性声波敏感膜片9与探测光纤陶瓷插针6a构成的法布里-珀罗(f-p)腔长度的变化测量激发的光声信号强度；当激光入射到参考池5a中，检测标准气体光声信号，对系统灵敏度预校准，当激光入射到探测池5b中，检测待测气体激发的光声信号并反演气体浓度。具体步骤如下：

16、首先，一定浓度的标准气体通过参考池透气膜8a从参考池扩散孔7a充满参考池5a，参考池透气膜8a上覆盖弹性橡胶膜10保证参考池5a密封；待测气体通过探测池透气膜8b从探测池扩散孔7b充满探测池5b；控制电路14驱动dfb激光器1，dfb激光器1发射的激光经光开关2分时耦合进入双芯光纤4中的一根光纤和单模光纤3，激光经双芯光纤4入射到参考池5a中激发光声信号，光声信号引起参考池5a与探测池5b中间的柔性声波敏感膜片9振动；探测光纤陶瓷插针6a与柔性声波敏感膜片9构成一个f-p干涉腔，宽谱光源11发出宽谱探测光经光环形器12进入双芯光纤4中的另一根光纤并从探测光纤陶瓷插针6a输出，宽谱光源11在探测光纤陶瓷插针6a端面和柔性声波敏感膜片9表面反射后干涉重新耦合进入双芯光纤4中的另一根光纤，经光环形器12入射到光谱仪13，控制电路14采集干涉光谱信息并解调出f-p腔长，结合标准气体浓度计算系统灵敏度；

17、然后，切换光开关2使激光经单模光纤3入射到探测池5b激发光声信号，光声信号引起柔性声波敏感膜片9振动，使柔性声波敏感膜片9与探测光纤陶瓷插针6a之间的f-p腔长度变化；宽谱光源11发射宽谱光经光环形器12、双芯光纤4进入探测光纤陶瓷插针6a和柔性声波敏感膜片9发生干涉，包含待测气体浓度信息的干涉光经双芯光纤4和光环形器12传输进入光谱仪13，控制电路读取光谱仪13的干涉光谱获得待测气体光声信号幅度；最后通过待测气体光声信号幅度与系统灵敏度的比值获得待测气体浓度。

18、本发明的有益效果：通过在一个与光声探测池结构一致的参考气室中充入标准气体对系统灵敏度进行预校准，来提升系统检测精度。两个相同气室采用一个柔性膜片进行分隔，同时该膜片用于光声压力波感测。参考气室外部采用弹性橡胶薄膜密封，用于平衡腔内压强，使参考池和探测池内部气压温度相同。本发明解决了传统光纤光声探测装置易受温度压强影响的问题，无需额外配备温控装置与稳压系统，具有结构简单、可靠性高以及可自校准的优势，为光纤光声气体传感技术在复杂环境中的高精度微量气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。