本发明专利技术公开了一种远程气体探测装置及方法，属于气体探测技术领域。装置包括激励激光产生模块、聚焦透镜、音叉、探测光纤及光纤干涉探测模块；通过探测光纤与音叉振臂外表面上的反射薄膜之间构成法布里珀罗腔，在音叉振动时，该腔的腔长发生变化，从而使该腔的反射干涉光谱产生相应的强度变化量和相位变化量，通过提取该强度变化量或相位变化量的谐波信号，即可得到待测气体的浓度信息；本发明专利技术中的待测气体与音叉是分离设置的，且音叉处于密封环境中，在避免音叉与待测气体接触的情况下，可以远程测量待测气体的浓度，提升了远程气体探测的可靠性，应用场景更加广泛。并且，光纤远程传输损耗极低，同时完全免疫电磁干扰。同时完全免疫电磁干扰。同时完全免疫电磁干扰。
【技术实现步骤摘要】
一种远程气体探测装置及方法
[0001]本专利技术属于气体探测
，更具体地，涉及一种远程气体探测装置及方法。
技术介绍
[0002]气体探测技术在大气环境监测、工业过程控制、航空航天、能源勘探、国防科研、无创医疗诊断等众多领域都有着非常广泛的应用。基于激光吸收光谱的气体探测技术以其探测灵敏度高、抗交叉干扰能力强以及响应速度快等优势成为科研人员一直以来的研究热点。
[0003]传统的激光吸收光谱技术采用一个光电探测器来探测被气体吸收后的光强变化，从而反演出气体的浓度信息，但是目前商用的探测器，尤其是中红外探测器、太赫兹探测器等，价格十分昂贵，并且大多需要制冷设备，这极大地限制了气体传感技术的发展。激光光声光谱作为一种间接的吸收光谱技术，其采用一个光声池和一个麦克风来探测气体吸收光能后产生的声波信号，而非直接探测光强信号，因此没有波长选择性，但是此种方法中采用的光声池一般体积较大，并且麦克风也容易受到环境噪声的干扰。因此，在2002年Kosterev等人首次创造性地提出了石英增强光声光谱技术，即利用石英音叉代替传统的光声池和麦克风来探测光声信号，石英音叉具有共振频率高(～32.7kHz)、品质因数高(～10000)、体积小(＜0.3mm3)、成本低(＜1元)等优势。但是在石英增强光声光谱技术中，石英音叉必须与待测气体接触，这限制了此种技术在一些特殊场景中的应用，例如燃烧场、腐蚀性气体的测量等，这些都会导致石英音叉的共振性能下降，甚至无法使用。
[0004]现有基于石英音叉的探测技术都是利用石英的压电效应将音叉的振动位移量转换为可测量的电流信号，但由于其采用的是电学探测方法，所以容易受到电磁干扰，也无法实现气体远程探测，这就导致了基于此方法的气体传感器无法应用在一些特定的领域，例如强电磁干扰环境，危险气体远程探测等。因此，针对一些特定的应用场景，亟需一种能无接触式测量、能抗电磁干扰、能远程探测且测量精度高的气体探测装置及方法。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种远程气体探测装置及方法，其目的在于提升远程气体探测的可靠性及抗电磁干扰性能。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种远程气体探测装置包括：激励激光产生模块、聚焦透镜、音叉、探测光纤及光纤干涉探测模块；
[0007]所述激励激光产生模块用于产生激励激光，并将所述激励激光调制后，入射至含有待测气体样品的气体吸收池进行能量吸收；经过待测体样品吸收后的激光从气体吸收池中出射；
[0008]所述聚焦透镜用于将出射的激光聚焦至所述音叉两振臂上；
[0009]所述音叉用于吸收所述出射的激光后产生机械振动；
[0010]所述探测光纤的端面与所述音叉任一振臂表面上的反射薄膜构成法布里珀罗腔，
所述音叉产生的机械振动使所述法布里珀罗腔的腔长发生变化；
[0011]所述光纤干涉探测模块用于探测所述腔长变化对应的反射干涉光谱强度变化量或相位变化量，并提取所述强度变化量或相位变化量的谐波信号，所述谐波信号的幅值与待测气体的浓度成比例对应关系，从而获得待测气体的浓度信息；
[0012]其中，所述音叉处于密封环境中，避免与待测气体接触；所述调制后的激励激光的中心波长与所述待测气体的吸收波长一致。
[0013]进一步地，所述激励激光产生模块包括激光控制单元及激励光光源，所述激光控制单元用于调节所述激励光光源发射的激励激光的温度和电流，使所述激励激光的中心波长与所述待测气体的吸收波长一致。
[0014]进一步地，所述音叉的材料具有光致热弹特性。
[0015]进一步地，所述具有光致热弹特性的材料包括石英或硅。
[0016]进一步地，还包括设置在所述激励激光产生模块之后的光束准直元件。
[0017]进一步地，所述光纤干涉探测模块采用正交工作点解调法、白光相位解调法、双波长相位解调法探测所述腔长变化对应的反射干涉光谱强度变化量或相位变化量。
[0018]进一步地，还包括固定机构，所述固定机构包括外壳、陶瓷插芯及陶瓷套管，所述探测光纤插入所述陶瓷插芯中，所述陶瓷插芯插入所述陶瓷套管中，所述外壳上设置固定所述聚焦透镜、音叉及陶瓷套管的孔。
[0019]按照本专利技术的另一方面，提供了一种远程气体探测方法，包括音叉及探测光纤，所述探测方法包括：
[0020]步骤S1、产生激励激光，并将所述激励激光调制，调制后的激光中心波长与待测气体的吸收波长一致；
[0021]步骤S2、将调制后的激励激光入射至含有待测气体样品的气体吸收池进行能量吸收，吸收后的激光从气体吸收池中出射；
[0022]步骤S3、将出射的激光聚焦至所述音叉的两振臂上，音叉处于密封环境中，避免与待测气体接触，所述音叉吸收所述出射的激光后产生机械振动，所述探测光纤的端面与所述音叉任一振臂表面上的反射薄膜构成法布里珀罗腔，所述音叉产生的机械振动使所述法布里珀罗腔的腔长发生变化；
[0023]步骤S4、探测所述腔长变化对应的反射干涉光谱强度变化量或相位变化量，并提取所述强度变化量或相位变化量的谐波信号，所述谐波信号的幅值与待测气体的浓度成比例对应关系，从而获得待测气体的浓度。
[0024]进一步地，对所述激励激光采用波长调制或强度调制，当对所述激励激光采用波长调制时，还包括步骤：在同一气体浓度下，对激励激光的调制深度进行扫描，当所述谐波信号中二次谐波信号的幅值最大时，得到激励激光的最佳调制深度。
[0025]进一步地，在步骤S2之前还包括步骤：将调制后的激励激光准直后再入射至含有待测气体样品的气体吸收池。
[0026]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0027](1)本专利技术通过探测光纤与音叉振臂外表面上的反射薄膜之间构成法布里珀罗腔，在音叉振动时，该腔的腔长发生变化，从而使该腔的反射干涉光谱产生相应的强度变化量和相位变化量，通过提取该强度变化量或相位变化量的二次谐波信号，即可得到待测气
体的浓度信息；相比现有技术中的石英增强光声光谱技术，音叉必须与待测气体放置在同一气室内或者待测气体与音叉需要直接接触，不适用于燃烧场、腐蚀性气体的远程探测，本专利技术中的待测气体与音叉是分离设置的，且音叉处于密封环境中，在避免音叉与待测气体接触的情况下，可以远程测量待测气体的浓度，提升了远程气体探测的可靠性，应用场景更加广泛。并且，通过光纤法布里珀罗干涉探测来测量音叉的振动，避免了使用传统利用压电效应的电学探测方法，因此具有极强的抗电磁干扰能力和远程探测能力。
[0028](2)探测光纤与激励激光的波段无关，音叉采用具有光致热弹特性的材料使得音叉具有良好的全波段响应特性，因此本专利技术的装置及方法可以适用于全波段的远程气体探测，且能够避免电磁干扰。
[0029]总而言之，本专利技术能够解决现有技术中基于石英音叉电学测量方法易受电磁干扰、无法远程探测等问题，采用全光纤式的探测方案，充分利用了光纤本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种远程气体探测装置，其特征在于，包括：激励激光产生模块、聚焦透镜(5)、音叉(6)、探测光纤(7)及光纤干涉探测模块(9)；所述激励激光产生模块用于产生激励激光，并将所述激励激光调制后，入射至含有待测气体样品的气体吸收池进行能量吸收；经过待测体样品吸收后的激光从气体吸收池中出射；所述聚焦透镜(5)用于将出射的激光聚焦至所述音叉(6)两振臂上；所述音叉(6)用于吸收所述出射的激光后产生机械振动；所述探测光纤(7)的端面与所述音叉(6)任一振臂表面上的反射薄膜构成法布里珀罗腔，所述音叉产生的机械振动使所述法布里珀罗腔的腔长发生变化；所述光纤干涉探测模块(9)用于探测所述腔长变化对应的反射干涉光谱强度变化量或相位变化量，并提取所述强度变化量或相位变化量的谐波信号，所述谐波信号的幅值与待测气体的浓度成比例对应关系，从而获得待测气体的浓度信息；其中，所述音叉处于密封环境中，避免与待测气体接触；所述调制后的激励激光的中心波长与所述待测气体的吸收波长一致。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励激光产生模块包括激光控制单元(1)及激励光光源(2)，所述激光控制单元(1)用于调节所述激励光光源(2)发射的激励激光的温度和电流，使所述激励激光的中心波长与所述待测气体的吸收波长一致。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述音叉的材料具有光致热弹特性。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述具有光致热弹特性的材料包括石英或硅。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括设置在所述激励激光产生模块之后的光束准直元件。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光纤干涉探测模块采用正交工作点解调法、白光相位解调法、双波长相位解调法探测所述腔长变化对应的反射...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘宇峰，鲁平，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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