一种流体浓度检测方法及系统技术方案

本申请适用于流体测量技术领域，提供了一种流体浓度检测方法，包括：将含待测物质的流体填充至双模空芯光纤的纤芯内；将探测激光和调制后的泵浦激光输入双模空芯光纤中；在探测激光进入双模空芯光纤时，激发生成双模空芯光纤的第一传输模式和第二传输模式；待测物质与泵浦激光作用产生光热效应时，将导致第一传输模式和第二传输模式在双模空芯光纤中传输时的相位被调制；解调第一传输模式和第二传输模式之间的相位调制差，获得待测物质的浓度信息。本申请可以有效抵消外界环境对测量系统的干扰，降低了系统噪声，实现高信噪比，提高了流体浓度传感器的探测灵敏度和动态范围。体浓度传感器的探测灵敏度和动态范围。体浓度传感器的探测灵敏度和动态范围。

【技术实现步骤摘要】
一种流体浓度检测方法及系统


[0001]本申请属于流体测量
，尤其涉及一种流体浓度检测方法及系统。

技术介绍

[0002]流体浓度传感器作为健康、安全和工业系统的一部分，在环境和空气污染、医药、石油化工和燃烧过程监测等领域有重要应用。
[0003]传统的流体浓度传感器是基于非光学技术的检测,包括半导体传感器、电化学传感器等。传统的流体浓度传感器容易受环境流体的影响，造成选择性弱、稳定性差的问题。
[0004]新式的流体浓度传感器是基于光学技术的光谱检测，其主要分为激光吸收光谱法、激光光热光谱法、激光光声光谱法等。基于激光吸收光谱法的流体浓度传感器的灵敏度取决于吸收路径长度和吸收谱线强度，因此通常采用高Q值光学腔或光学多通池以增加吸收路径长度，或选择吸收强度大的中红外谱线，但这也大大增加了系统的复杂性。
[0005]相对于激光吸收光谱法，激光光热光谱法和激光光声光谱法并不直接测量透射光谱的变化，而是间接测量流体吸收激光后产生的部分物理性质的变化，并根据部分物理性质的变化检测出被测流体的状态信息。目前基于激光光热光谱法的流体浓度传感器容易受到外界环境扰动的影响，例如温度和压力的影响。但是为了屏蔽外界环境扰动的影响，又需要增加伺服反馈控制部分，导致了其流体浓度传感器的系统复杂，并且探测灵敏度不高，动态范围受限的问题。

技术实现思路

[0006]本申请实施例提供了一种流体浓度检测方法及系统，可以解决现有技术中基于激光光热光谱的流体浓度传感器容易受到外界环境扰动的影响，使得流体浓度传感器的系统复杂，并且探测灵敏度不高，动态范围受限的问题。
[0007]第一方面，本申请实施例提供了一种流体浓度检测方法，包括：
[0008]将含待测物质的流体填充至双模空芯光纤的纤芯内；
[0009]将探测激光和调制后的泵浦激光输入双模空芯光纤中，待测物质吸收泵浦激光后加热流体，致使流体折射率被调制；
[0010]在探测激光进入双模空芯光纤时，激发生成双模空芯光纤中的第一传输模式和第二传输模式，其中，第一传输模式与第二传输模式互异；
[0011]流体折射率被调制时，将导致第一传输模式和第二传输模式在双模空芯光纤中传输时的相位被调制；
[0012]解调第一传输模式的调制后的相位和第二传输模式的调制后的相位之间的相位差信息，获得待测物质的浓度信息。
[0013]可选的，泵浦激光为连续激光或脉冲激光：
[0014]若泵浦激光为连续激光，则泵浦激光在输入双模空芯光纤之前经过周期性调制，其中，周期性调制为强度调制，和/或波长调制；
[0015]若泵浦激光为脉冲激光，则泵浦激光的脉冲宽度大于流体在双模空芯光纤中的横向热传导时间。
[0016]可选的，解调第一传输模式的调制后的相位和第二传输模式的调制后的相位之间的相位差信息，获得待测物质的浓度信息，包括：
[0017]获取第一传输模式和第二传输模式形成的干涉光；
[0018]将干涉光转化为电信号；
[0019]若泵浦激光为连续激光，则根据电信号，解调出谐波信号，其中，谐波信号的峰值或峰峰值信息为包含相位差信息的光热信号；
[0020]若泵浦激光为脉冲激光，则电信号的峰值信息为包含相位差信息的光热信号；
[0021]根据光热信号，确定待测物质的浓度信息。
[0022]可选的，第一传输模式与第二传输模式互异，包括：
[0023]第一传输模式为LP
01
，第二传输模式为LP
11
。
[0024]可选的，泵浦激光的中心波长对准或扫描通过待测物质的吸收线对应的波长。
[0025]第二方面，本申请实施例提供了一种流体浓度检测系统，包括用于生成调制后的泵浦激光的泵浦激光组件，用于生成探测激光的探测激光组件，用于使用探测激光激发出双模空芯光纤的第一传输模式和第二传输模式，并提供泵浦激光和含待测物质的流体相互作用产生光热效应的场所的双模空芯光纤气室组件，以及用于将第一传输模式和第二传输模式形成的干涉光转换为电信号，解调第一传输模式和第二传输模式之间的相位差，并获得待测物质的浓度信息的分析组件：
[0026]双模空芯光纤气室组件包括用于填充含待测物质的流体的双模空芯光纤，用于传输泵浦激光和探测激光的第一单模光纤和第二单模光纤，用于分离泵浦激光和探测激光的第一波分复用器和第二波分复用器，用于存储含待测物质的流体的气室装置，用于输入含待测物质的流体的输入装置；
[0027]其中，泵浦激光组件的输出端与第一波分复用器的泵浦激光输入端相连，第一波分复用器的泵浦激光输出端与第一单模光纤的泵浦激光输入端相连，第一单模光纤的泵浦激光输出端与双模空芯光纤的泵浦激光输入端相对设置，双模空芯光纤的探测激光输入端与第二单模光纤的探测激光输出端相对设置，第二单模光纤的探测激光输入端与第二波分复用器的探测激光输出端相连，第二波分复用器的探测光输入端与探测激光组件的输出端相连，第一波分复用器的探测激光输出端与分析组件的输入端相连，双模空芯光纤的探测激光输入端和第二单模光纤的探测激光输出端设置于气室装置中，输入装置与气室装置相连。
[0028]可选的，泵浦激光组件包括激光驱动器，可调谐泵浦光源，激光放大器，光隔离器，可调谐光学滤波器；
[0029]探测激光组件包括探测光源；
[0030]分析组件包括光探测器，锁相放大器，以及分析终端；
[0031]其中，激光驱动器的输出端与可调谐泵浦光源的输入端相连，可调谐泵浦光源的输出端与激光放大器的输入端相连，激光放大器的输出端与光隔离器的输入端相连，光隔离器的输出端与可调谐光学滤波器的输入端相连，可调谐光学滤波器的输出端与第一波分复用器的泵浦激光输入端相连；
[0032]第一波分复用器的探测激光输出端与光探测器的输入端相连，光探测器的输出端与锁相放大器的输入端相连，锁相放大器的谐波信号输出端与分析终端的输入端相连，锁相放大器的调制信号输出端与激光驱动器的输入端相连。
[0033]可选的，双模空芯光纤包括反谐振光纤、光子带隙光子晶体光纤、以及Kagome光纤中的任意一种。
[0034]可选的，双模空芯光纤的探测激光输入端与第二单模光纤的探测激光输出端相对设置，包括：
[0035]双模空芯光纤的探测激光输入端与第二单模光纤的探测激光输出端不完全对准，使得探测激光激发生成双模空芯光纤的第一传输模式和第二传输模式。第一传输模式和第二传输模式同时在双模空芯光纤中传播，并在输出端发生干涉。
[0036]可选的，双模空芯光纤的探测激光输入端与第二单模光纤的探测激光输出端相对设置，包括：
[0037]双模空芯光纤的探测激光输入端与第二单模光纤的探测激光输出端完全对准，使得探测激光只激发双模空芯光纤的第一传输模式。其中，在双模空芯光纤的探测激光输入端写入长周期光栅，长周期光栅使得第一传输模式的部分能量耦合到第二传输模式，使得探测激光生成的第一传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种流体浓度检测方法，其特征在于，包括：将含待测物质的流体填充至双模空芯光纤的纤芯内；将探测激光和调制后的泵浦激光输入所述双模空芯光纤中，所述待测物质吸收所述泵浦激光后加热所述流体，致使所述流体折射率被调制；在所述探测激光进入所述双模空芯光纤时，激发生成所述双模空芯光纤中的第一传输模式和第二传输模式，其中，所述第一传输模式与所述第二传输模式互异；所述流体折射率被调制时，将导致所述第一传输模式和所述第二传输模式在所述双模空芯光纤中传输时的相位被调制；解调所述第一传输模式的调制后的相位和所述第二传输模式的调制后的相位之间的相位差信息，获得所述待测物质的浓度信息。2.如权利要求1所述的流体浓度检测方法，其特征在于，所述泵浦激光为连续激光或脉冲激光：若所述泵浦激光为所述连续激光，则所述泵浦激光在输入所述双模空芯光纤之前经过周期性调制，其中，所述周期性调制为强度调制，和/或波长调制；若所述泵浦激光为所述脉冲激光，则所述泵浦激光的脉冲宽度大于所述流体在所述双模空芯光纤中的横向热传导时间。3.如权利要求2所述的流体浓度检测方法，其特征在于，所述解调所述第一传输模式的调制后的相位和所述第二传输模式的调制后的相位之间的相位差信息，获得所述待测物质的浓度信息，包括：获取所述第一传输模式和所述第二传输模式形成的干涉光；将所述干涉光转化为电信号；若所述泵浦激光为所述连续激光，则根据所述电信号，解调出谐波信号，其中，所述谐波信号的峰值或峰峰值信息为包含所述相位差信息的光热信号；若所述泵浦激光为所述脉冲激光，则所述电信号的峰值信息为包含所述相位差信息的光热信号；根据所述光热信号，确定所述待测物质的浓度信息。4.如权利要求1所述的流体浓度检测方法，其特征在于，所述第一传输模式与所述第二传输模式互异，包括：所述第一传输模式为LP
01
，所述第二传输模式为LP
11
。5.如权利要求1所述的流体浓度检测方法，其特征在于，所述泵浦激光的中心波长对准或扫描通过所述待测物质的吸收线对应的波长。6.一种流体浓度检测系统，其特征在于，包括用于生成调制后的泵浦激光的泵浦激光组件，用于生成探测激光的探测激光组件，用于使用探测激光激发出双模空芯光纤的第一传输模式和第二传输模式，并提供所述泵浦激光和含待测物质的流体相互作用产生光热效应的场所的双模空芯光纤气室组件，以及用于将所述第一传输模式和所述第二传输模式形成的干涉光转换为电信号，解调所述第一传输模式和所述第二传输模式之间的相位差，并获得所述待测物质的浓度信息的分析组件：所述双模空芯光纤气室组件包括用于填充所述含待测物质的流体的双模空芯光纤，用于传输所述泵浦激光和所述探测激光的第一单模光纤和第二单模光纤，用于分离所述泵浦
激光和所述探测激光的第一波分复用器和第二波分复用器，用于存储所述含待测物质的流体的气室装置，用于输...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳伟，赵鹏程，何海律，
申请(专利权)人：香港理工大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：