【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学气体检测的，尤其涉及基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置及方法。
技术介绍
1、探测光的波长在一定范围内扫描并携带高频调制，当探测光波长扫描至待测气体吸收谱线处时，气体分子吸收激光进而产生“光声效应”并导致气体的快速周期性膨胀，进而产生高频调制声波。这种随时间变化的受调制的光致声波可以被解调成谐波信号，谐波信号的强度与气体浓度、有效传感长度等有关，最终根据谐波信号的幅值来反演待测气体浓度。
2、石油化工产业是国家的工业化命脉，对油气管道环路中的工业痕量气体进行大范围全天候的实时监测是保障管道安全以及高效生产所必须的。虽然现有的谐振式光声光谱(pas)技术可以对痕量气体进行有效检测，但其通常只能部署于某一局部区域进行单点式响应，且基于石英音叉的光声系统结构复杂成本较高。这些原因都使得pas技术目前尚未应用于分布式气体传感领域当中。此外，在一些将光时域反射技术(otdr)应用于分布式气体检测领域的努力中，由于表征气体浓度所用的光反射信号强度变化是气体直接吸收所导致的，因此也难以对处于不同位置的痕量弱吸收气体进行检测。
3、例如申请号为201110452167.8的专利技术专利公开了一种红外调制光声光谱气体检测装置，其包含光源模块，设置在光源模块旁的光声腔模块，与光声腔模块电路连接的数据收集放大模块；光声腔模块包含：光声光谱系统；设置在光声光谱系统内的共振腔，其设置在光源模块所发出的光路上；微音器，其靠近设置在共振腔旁；设置在光声光谱系统侧壁上的窗片，其设置在光源模块所发出的光路上；设置在
技术实现思路
1、针对现有检测装置结构复杂、成本较高且难以实现多点检测的技术问题，本专利技术提出一种基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，可实现较长距离中的多点高精度气体检测，并且可以进行较低成本下的大规模量产。
2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，包括探测光调制发射模块和光纤分布式光声气体检测链路，光纤分布式光声气体检测链路包括至少一个检测单元，首个检测单元与探测光调制发射模块相连接，每个检测单元由光纤耦合器和光声气体检测终端组成，每个检测单元通过各自的光纤耦合器相互连接，探测光调制发射模块与首个光纤耦合器之间、光纤耦合器与光声气体检测终端之间以及各个光纤耦合器之间均通过单模光纤相连接。
3、所述检测单元还包括光纤中继放大器，光纤中继放大器与光纤耦合器之间通过单模光纤相连接。
4、所述探测光调制发射模块包括单片机信号源和半导体激光器，单片机信号源和半导体激光器相连接，半导体激光器与首个光纤耦合器通过单模光纤相连接。
5、所述光声气体检测模块包括半椭球形光声气室和圆柱形腔体，半椭球形光声气室设置在圆柱形腔体顶部，圆柱形腔体内设置有气体检测模块、电路基板、信号处理与发射模块和光线准直模块，气体检测模块固定在电路基板上，光线准直模块的顶端通过电路基板上的通孔进入半椭球形光声气室，光线准直模块的顶部与半椭球形光声气室的底部平齐，信号处理与发射模块和气体检测模块均与电路基板相连接。
6、所述气体检测模块包括温湿度传感器和收音模块，温湿度传感器和收音模块均设置在圆柱形腔体内靠近上方边界的位置，收音模块顶部与半椭球形光声气室底部平齐，温湿度传感器和收音模块均与电路基板相连接。
7、所述半椭球形光声气室顶端设置有开口，开口上设置有防尘透气薄膜，开口可以为圆形开口或方形开口。
8、所述光线准直模块内设置有光纤准直槽，光纤准直槽内设置有单模光纤，光纤准直槽顶端位于半椭球形光声气室长轴的焦点上，收音模块顶部设置有收音声腔，收音声腔设置在半椭球形光声气室长轴的另一焦点的一侧。
9、所述使用方法为：首先利用探测光调制发射模块产生探测光束，探测光束通过单模光纤传递给光纤分布式光声气体检测链路，通过光纤耦合器将探测光束按比例传输至光声气体检测终端以及下一级检测单元，环境中的待测气体分子通过开口进入半椭球形光声气室，探测光束在半椭球形光声气室的内壁上产生反射并被待测气体吸收从而产生“光声效应”，“光声效应”的声波信号由收音声腔收集并被收音模块转化为电信号。
10、所述利用探测光调制发射模块产生探测光束的方法为：
11、利用单边机信号源产生电流调制信号驱动半导体激光器进行波长扫描和高频调制，半导体激光器输出探测光束的强度i(t)和波长λ(t)将在一定范围内变化，表达式为：
12、i(t)＝i0[w(t)+a*cos(2πfmt)]
13、λ(t)＝λ0[w(t)+a*cos(2πfmt)]
14、其中，i0和λ0分别为输出激光的平均光强和中心波长，a为调制深度，fm为波长调制频率，w(t)为缓变信号，cos(2πfmt)为快变信号。
15、收音模块转换成的电信号的表达式为：
16、a(t)＝kake*i(t)*exp[-α(λ(t))cl]
17、＝kake*exp{-α[λ0[w(t)+acos(2πfmt)]]cl}*i0[w(t)+acos(2πfmt)]
18、其中，ka为半椭球形光声气室的光声转换系数，ke为收音模块的声电转换系数，c为光声气室中的气体浓度，l为探测光束反射路径的有效长度，α(λ(t))为随波长变化的待测气体吸收系数。
19、本专利技术的有益效果为：
20、1、本专利技术专利提出分布式气体检测方案，尤其是一种基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置及方法。分布式光声气体检测链路是靠光纤和光纤耦合器来对光声气体检测终端进行连接的，具有很好的可拓展性，可以灵活地改变光声气体检测终端的数量和位置以实现大范围区域内任意位置的多点分布式气体检测。此外，光源调制与发射模块和检测链路相互隔绝，可以通过添加具有不同中心波长的半导体激光器来对不同气体进行同时检测(例如检测co2选择2.0μm，检测ch4选择1.65μm等)。
21、2、本专利技术中所述的光纤分布式光声气体检测终端是微型集成化的模块化结构。探测光束从半椭球形气室的其中一个焦点输入并在两个焦点之间形成反射回路，有效增大了传感长度进而提高气体检测灵敏度。其中的光纤准直模块允许光纤以特定长度接入检测终端中，保证绝大部分输入的探测光束得到利用。
22、3、本专利技术所述技术方案中，探测光束波长调制频率fm与气室谐振频率一致，充分利用气室的声学谐振效应，声场在椭球气室中呈对称分布，而沿椭球长轴摆放的收音模块可以接收到较大的光致声波信号，收音声腔与椭球焦点错本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，包括探测光调制发射模块(1)和光纤分布式光声气体检测链路(3)，光纤分布式光声气体检测链路(3)包括至少一个检测单元，首个检测单元与探测光调制发射模块(1)相连接，每个检测单元由光纤耦合器(4)和光声气体检测终端(5)组成，每个检测单元通过各自的光纤耦合器(4)相互连接，探测光调制发射模块(1)与首个光纤耦合器(4)之间、光纤耦合器(4)与光声气体检测终端(5)之间以及各个光纤耦合器(4)之间均通过单模光纤(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述检测单元还包括光纤中继放大器(6)，光纤中继放大器(6)与光纤耦合器(4)之间通过单模光纤(2)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述探测光调制发射模块(1)包括单片机信号源和半导体激光器，单片机信号源和半导体激光器相连接，半导体激光器与首个光纤耦合器(4)通过单模光纤(2)相连接。
4.根据权利要求3所述的基于波长调制光声光谱的分
5.根据权利要求4所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述气体检测模块包括温湿度传感器(17)和收音模块(15)，温湿度传感器(17)和收音模块(15)均设置在圆柱形腔体(7)内靠近上方边界的位置，收音模块(15)顶部与半椭球形光声气室(8)底部平齐，温湿度传感器(17)和收音模块(15)均与电路基板(11)相连接。
6.根据权利要求5所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述半椭球形光声气室(8)顶端设置有开口(9)，开口(9)上设置有防尘透气薄膜，开口(9)可以为圆形开口或方形开口。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述光线准直模块(12)内设置有光纤准直槽(13)，光纤准直槽(13)内设置有单模光纤(2)，光纤准直槽(13)顶端位于半椭球形光声气室(8)长轴的焦点上，收音模块(15)顶部设置有收音声腔(16)，收音声腔(16)设置在半椭球形光声气室(8)长轴的另一焦点的一侧。
8.根据权利要求7所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述使用方法为：首先利用探测光调制发射模块(1)产生探测光束，探测光束通过单模光纤(2)传递给光纤分布式光声气体检测链路(3)，通过光纤耦合器(4)将探测光束按比例传输至光声气体检测终端(5)以及下一级检测单元，环境中的待测气体分子(10)通过开口(9)进入半椭球形光声气室(8)，探测光束在半椭球形光声气室(8)的内壁上产生反射并被待测气体吸收从而产生“光声效应”，“光声效应”的声波信号由收音声腔(16)收集并被收音模块(15)转化为电信号。
9.根据权利要求8所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述利用探测光调制发射模块(1)产生探测光束的方法为：
10.根据权利要求8或9所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，收音模块(15)转换成的电信号的表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，包括探测光调制发射模块(1)和光纤分布式光声气体检测链路(3)，光纤分布式光声气体检测链路(3)包括至少一个检测单元，首个检测单元与探测光调制发射模块(1)相连接，每个检测单元由光纤耦合器(4)和光声气体检测终端(5)组成，每个检测单元通过各自的光纤耦合器(4)相互连接，探测光调制发射模块(1)与首个光纤耦合器(4)之间、光纤耦合器(4)与光声气体检测终端(5)之间以及各个光纤耦合器(4)之间均通过单模光纤(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述检测单元还包括光纤中继放大器(6)，光纤中继放大器(6)与光纤耦合器(4)之间通过单模光纤(2)相连接。
3.根据权利要求2所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述探测光调制发射模块(1)包括单片机信号源和半导体激光器，单片机信号源和半导体激光器相连接，半导体激光器与首个光纤耦合器(4)通过单模光纤(2)相连接。
4.根据权利要求3所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述光声气体检测模块(5)包括半椭球形光声气室(8)和圆柱形腔体(7)，半椭球形光声气室(8)设置在圆柱形腔体(7)顶部，圆柱形腔体(7)内设置有气体检测模块、电路基板(11)、信号处理与发射模块(18)和光线准直模块(12)，气体检测模块固定在电路基板(11)上，光线准直模块(12)的顶端通过电路基板(11)上的通孔进入半椭球形光声气室(8)，光线准直模块(12)的顶部与半椭球形光声气室(8)的底部平齐，信号处理与发射模块(18)和气体检测模块均与电路基板(11)相连接。
5.根据权利要求4所述的基于波长调制光声光谱的分布式气体检测装置，其特征在于，所述气体检测模块包括温湿度传感器(17...
【专利技术属性】
技术研发人员：古瑞琴，邾毅，曾朝斌，李威，
申请(专利权)人：郑州炜盛电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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