一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法技术

一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法，属于光纤传感和气体检测技术领域。该仪器包括激光光源、光缆、光纤听漏探头、宽谱光源、光纤耦合器、锯齿信号发生器、加法器、正弦信号发生器、锁相环、光谱仪和工控机。光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，直接探测气体泄漏产生的声波信号，并能结合主动降噪技术大幅减小环境噪声和振动对光声信号测量的影响，同时实现对气体浓度的高灵敏度和高可靠性测量，即光纤听漏探头具备“光耳”和“光鼻”两种功能。本发明专利技术通过设计两个具有不同腔长的光纤非本征法布里‑珀罗干涉仪，采用一个光谱仪即可对两个悬臂梁声波传感器进行同时无干扰解调，简化了系统结构。本发明专利技术方案具有远程探测和本质安全的优点。

An Optical Fiber Telemetry Multifunctional Gas Hearing Leakage Instrument and Method

The utility model relates to an optical fiber telemetry multi-functional gas leakage instrument and method, which belongs to the technical field of optical fiber sensing and gas detection. The instrument includes laser source, optical cable, optical fiber leak detector, broad spectrum light source, optical fiber coupler, sawtooth signal generator, adder, sinusoidal signal generator, phase-locked loop, spectrometer and industrial computer. Fiber-optic leak detector uses double cantilever beam structure to detect the acoustic signal produced by gas leakage directly. It can reduce the influence of ambient noise and vibration on the measurement of photoacoustic signal by combining active noise reduction technology. At the same time, it can realize high sensitivity and high reliability measurement of gas concentration. That is to say, the fiber-optic leak detector has two functions of \bare ear\ and \bare nose\. By designing two fiber optic non-intrinsic Fabry-Perot interferometers with different cavity lengths, the two cantilever beam acoustic wave sensors can be demodulated simultaneously without interference by using a spectrometer, thus simplifying the system structure. The scheme of the invention has the advantages of remote detection and intrinsic safety.

【技术实现步骤摘要】
一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法
本专利技术属于光纤传感和气体检测
，涉及一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法。
技术介绍
气体泄漏监测对于保障气站、输气管道和化工厂的安全可靠运行发挥了重要作用，这是由于易燃易爆或有毒气体的泄漏可能导致安全重大事故。目前，可通过看、听和闻的方法进行气体泄漏检测。采用红外热像仪可“看”到泄漏，但这种被动式成像方法易受环境温度变化的影响。也可采用“听”的方法，比如文献WangX,ZhenS,LiX,etal.Non-contactgasleakagedetectionoftankbasedonlow-coherenceopticalfiberinterferometer[C]//InternationalConferenceonOpticalandPhotonicsEngineering(icOPEN2016).InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2017,10250:102501E报道了一种基于光纤声波传感器的气体听漏传感器，通过对探测的声波信号中特征频率进行分析后，对气体泄漏情况进行初步判断，但这种传感器不能对泄漏气体浓度进行定量测量且难以探测到微小泄漏。还可采用“闻”的方法，电化学、多壁碳纳米管、红外吸收光谱和激光光谱等气体传感器通过测量气体的浓度对泄漏气体进行监测，其中，激光光谱传感器具有选择性好，灵敏度高和可远程监测等优点，是最具发展前景的气体检测传感器之一。因为红外光谱区域是部分气体分子的特征吸收光谱带，所以可以通过使用相应的激光光源来测量这些气体的浓度。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)和激光光声光谱即是利用该原理进行气体检测的最常见方法。由于激光具有窄线宽的特性，因此可以大幅减小由气体分子吸收光谱之间的重叠引起的交叉干扰。文献WainnerRT,GreenBD,AllenMG,etal.Handheld,battery-powerednear-IRTDLsensorforstand-offdetectionofgasandvaporplumes[J].AppliedPhysicsB,2002报道了基于TDLAS的开路型气体检测仪，并已经用于开放路径环境中的气体泄漏。但是，这种检测仪的探测距离通常小于50米。文献SchoonbaertSB,TynerDR,JohnsonMR.Remoteambientmethanemonitoringusingfiber-opticallycoupledopticalsensors[J].AppliedPhysicsB,2015,119(1):133-142报道的基于TDLAS的光纤气体传感器具有低传输损耗和本质安全的优点，利用该方法设计的小型化光纤探头可用于远程气体泄漏监测。但是由于气体检测灵敏度通常与吸收路径的长度成正比，这种传感器的最小检测极限被限制在大约几十ppm。激光光声光谱具有灵敏度高，响应速度快，采样体积小的优点。文献CaoY,JinW,HoHL,etal.Miniaturefiber-tipphotoacousticspectrometerfortracegasdetection[J].Opticsletters,2013,38(4):434-436、文献GrucaG,HeeckK,RectorJ,etal.Demonstrationofaminiatureall-opticalphotoacousticspectrometerbasedonferrule-toptechnology[J].Opticsletters,2013,38(10):1672-1674和文献ZhouS,SlamanM,IannuzziD.Demonstrationofahighlysensitivephotoacousticspectrometerbasedonaminiaturizedall-opticaldetectingsensor[J].Opticsexpress,2017,25(15):17541-17548先后报道了基于激光光声光谱的小型化全光学微量气体传感器，采用光纤声波传感器对产生的光声信号进行读取。由于激发光和探测光均由光纤传输，所设计的气体传感系统具有可远程测量和本质安全的优点，可用于气体泄漏监测。但是这种基于激光光声光谱的气体泄漏检测仪中用于探测光声信号的声波传感器同时对气体泄漏声音、环境噪音和振动敏感，引起较大浓度测量误差，进而造成误报警，因此难以在现场开展应用。因而，设计一种可同时测量气体泄漏声音、并能对泄漏气体浓度进行高精度定量测量的光纤遥测式多功能气体听漏仪具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器及方法，旨在解决基于激光光声光谱的全光学气体泄漏检测仪中存在的抗环境噪声和振动干扰能力差的问题，并实现对气体泄漏声音与泄漏气体浓度的同时测量，即具备“光耳”和“光鼻”两种功能，为光纤传感技术和激光光声光谱技术在气体泄漏监测领域的应用中拓展更大的空间。本专利技术的原理如下：用于气体泄漏监测的光纤探头主要包含一个微型光声腔和两个悬臂梁，激光通过光纤导入到微型光声腔，通过悬臂梁周围缝隙扩散进入到微型光声腔中的泄漏气体吸收激光后跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号，通过测量光声信号的大小反演出泄漏气体的浓度；其中一个悬臂梁用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号，采用主动降噪技术将这两个声波信号进行相减处理，对气体泄漏声音、环境噪音和振动引起的干扰进行扣除，可对光声信号进行高精度测量；同时对测量的环境声波信号进行频谱特征分析，最终实现对泄漏气体声压和浓度的多功能同时测量。本专利技术的技术方案：一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，包括激光光源1、光缆2、光纤听漏探头3、宽谱光源4、光纤耦合器5、锯齿信号发生器6、加法器7、正弦信号发生器8、锁相环9、光谱仪10和工控机11；锯齿信号发生器6和正弦信号发生器8产生的信号经过加法器7产生的合成信号驱动激光光源1；激光光源1发射的激光经过光缆2中的一根光纤入射到光纤听漏探头3；宽谱光源4发射的宽谱光经光纤耦合器5分成两束光，分别入射到光纤听漏探头3；从光纤听漏探头3反射回来的干涉光再经过光纤耦合器5的另一个臂入射到光谱仪10；正弦信号发生器8的输出端与锁相环9的输入端相连，锁相环9的输出端与光谱仪10的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机11与光谱仪10相连，用于设置光谱仪10的工作参数并对光谱仪10输出的光谱信号进行采集、处理和显示。一种光纤遥测式多功能气体听漏方法，光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，可直接探测气体泄漏产生的声波信号，并利用主动降噪技术对光声信号进行高精度测量，实现对泄漏气体声音和浓度的多功能同时测量，具备“光耳”和“光鼻”两种功能；具体步骤如下：首先，锯齿信号发生器6和正弦信号发生器8分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器7产生的合成信号用于驱动激光光源1，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源1发射的激光经过光缆2中的一根光纤入射到光纤听漏探头3，扩散进入到光纤听漏探头本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，其特征在于，所述的光纤遥测式多功能气体听漏仪器包括激光光源(1)、光缆(2)、光纤听漏探头(3)、宽谱光源(4)、光纤耦合器(5)、锯齿信号发生器(6)、加法器(7)、正弦信号发生器(8)、锁相环(9)、光谱仪(10)和工控机(11)；锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)产生的信号经过加法器(7)产生的合成信号驱动激光光源(1)；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光，分别入射到光纤听漏探头(3)；从光纤听漏探头(3)反射回来的干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂入射到光谱仪(10)；正弦信号发生器(8)的输出端与锁相环(9)的输入端相连，锁相环(9)的输出端与光谱仪(10)的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)与光谱仪(10)相连，用于设置光谱仪(10)的工作参数并对光谱仪(10)输出的光谱信号进行采集、处理和显示。

【技术特征摘要】
1.一种光纤遥测式多功能气体听漏仪器，其特征在于，所述的光纤遥测式多功能气体听漏仪器包括激光光源(1)、光缆(2)、光纤听漏探头(3)、宽谱光源(4)、光纤耦合器(5)、锯齿信号发生器(6)、加法器(7)、正弦信号发生器(8)、锁相环(9)、光谱仪(10)和工控机(11)；锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)产生的信号经过加法器(7)产生的合成信号驱动激光光源(1)；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光，分别入射到光纤听漏探头(3)；从光纤听漏探头(3)反射回来的干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂入射到光谱仪(10)；正弦信号发生器(8)的输出端与锁相环(9)的输入端相连，锁相环(9)的输出端与光谱仪(10)的外部光谱采样触发接口相连，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)与光谱仪(10)相连，用于设置光谱仪(10)的工作参数并对光谱仪(10)输出的光谱信号进行采集、处理和显示。2.一种光纤遥测式多功能气体听漏方法，光纤听漏探头采用双悬臂梁结构，可直接探测气体泄漏产生的声波信号，并利用主动降噪技术对光声信号进行高精度测量，实现对泄漏气体声音和浓度的多功能同时测量，具备“光耳”和“光鼻”两种功能；其特征在于，步骤如下：首先，锯齿信号发生器(6)和正弦信号发生器(8)分别产生的锯齿波信号和正弦信号经过加法器(7)产生的合成信号用于驱动激光光源(1)，实现对激光波长的扫描和调制；激光光源(1)发射的激光经过光缆(2)中的一根光纤入射到光纤听漏探头(3)，扩散进入到光纤听漏探头(3)中的泄漏气体吸收激光跃迁到高能级，然后在无辐射跃迁到基态的过程中释放热量使空气膨胀，进而产生光声信号；宽谱光源(4)发射的宽谱光经光纤耦合器(5)分成两束光分别作为光声激发光和声波信号探测光，再入射到光纤听漏探头(3)；光纤听漏探头(3)是一种双悬臂梁结构，其中一个用于测量环境声波信号，另一个用于测量环境声波和光声的叠加信号；从光纤听漏探头(3)反射回来的两束干涉光再经过光纤耦合器(5)的另一个臂同时入射到光谱仪(10)；锁相环(9)对正弦信号发生器(8)输出的正弦信号进行相位锁定并产生倍频信号，锁相环(9)产生的TTL触发信号对光谱仪(10)进行同步采样控制，实现对干涉光谱的同步采样；工控机(11)设置数字光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珂，于清旭，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21