一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法，通过双腔级联式声学谐振腔的两个声学谐振频率f<subgt;s1</subgt;和f<subgt;s2</subgt;，同时实现双组分温室气体光声信号的声学谐振放大，在双模态耦合谐振声波敏感元件的两个机械谐振频率f<subgt;m1</subgt;和f<subgt;m2</subgt;处实现双组份温室气体光声信号的同时机械谐振感测增强，优化设计双腔级联式声学谐振腔和双模态耦合谐振声波敏感元件，使声学谐振腔的两个声学谐振频率f<subgt;s1</subgt;和f<subgt;s2</subgt;与声波敏感元件的两个机械谐振频率f<subgt;m1</subgt;和f<subgt;m2</subgt;一一对应，以不同频率调制激光器一和激光器二，激发甲烷和二氧化碳产生频率为f<subgt;1</subgt;和f<subgt;2</subgt;的光声信号，且满足f<subgt;1</subgt;＝f<subgt;s1</subgt;＝f<subgt;m1</subgt;，f<subgt;2</subgt;＝f<subgt;s2</subgt;＝f<subgt;m2</subgt;，通过以上方式实现双组份温室气体光声信号的同时双共振增强，进而提高双组份气体的传感性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学气体分析，具体为一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法。

技术介绍

1、近年来，工业化进程中大量释放的温室气体导致了全球变暖和气候变化异常等严重后果，对温室气体排放进行实时监测与管控，已成为应对气候变化、改善生态环境的重要举措。二氧化碳(co2)和甲烷(ch4)是最为主要的两种温室气体，对重点管控区域中二氧化碳、甲烷排放的监测和评估对于发展绿色低碳产业、缓解全球变暖具有至关重要的作用。

2、传统的“双碳”气体监测技术通常基于半导体气体传感器和电化学气体传感器，然而这些电学气体监测技术存在气体间交叉干扰严重、易受电磁干扰、弱电信号传输困难等问题。因此，得益于灵敏度高、响应速度快、气体选择性好等优势，吸收光谱在气体检测领域得到了广泛关注。光声光谱(pas)是吸收光谱的重要分支，是一种间接吸收光谱气体检测技术，光声光谱利用待测气体吸收光能产生的光声信号幅度反演气体的浓度信息。与直接吸收光谱气体传感技术相比，光声光谱气体传感系统不需要复杂的光路设计，并且在选择气体吸收谱线时不会受到光电探测器响应波段的限制。传统的光声光谱气体分析设备往往采用电容式声学传感器或压电石英音叉感知并测量微弱光声信号的幅度。然而，电学声波传感器易受电磁干扰且难以实现本质安全，不适用于存在易燃易爆气体积聚或强电磁干扰等恶劣工况的化工反应釜、废气传输管道、火力发电厂等“双碳”气体的重点监管区域。为了解决这个问题，文献miniaturized anti-interference cantilever-enhanced fiber-opticphotoacoustic methane sensor.sensors and actuators b:chemic al.2022,370,132446,提出了一种集光声激发与光纤声波探测于一体的全光学甲烷气体传感器，其气体感测部分是无源全光学器件，能够满足强电磁干扰、易燃易爆等恶劣环境中的气体检测。然而，该方案采用的悬臂增强型光纤声波传感器仅具有一个谐振增强频带，难以实现双组份温室气体的同时感测增强。而且，受到光声池体积的限制，小型化光纤光声气体传感器往往难以达到较高的气体检测灵敏度。为了提高气体检测性能，文献ultra-high sensitivemultipass absorption enhanced fiber-optic photoacoust ic gas analyzer.ieeetransactions on instrumentation and measurem ent.2023,72,1-8,提出了一种基于赫里奥特型多程吸收共振式光声池和光纤悬臂梁声学传感器的高灵敏度光声气体分析仪，通过光学多程吸收和共振式光声池的声学谐振，实现了光声信号的光学和声学双重增强，大大提高了甲烷气体的检测极限。然而，共振式多程吸收光声池的体积较大，难以应用于狭窄恶劣的“双碳”气体重点监管区域。

3、因此，针对化工反应釜、废气传输管道、火力发电厂等狭窄区域恶劣环境下的“双碳”气体监测，设计一种结构紧凑的双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法具有重要意义。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法，解决了上述
技术介绍
中提出的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统及方法，通过双腔级联式声学谐振腔的两个声学谐振频率fs1和fs2，同时实现双组分温室气体光声信号的声学谐振放大；在双模态耦合谐振声波敏感元件的两个机械谐振频率fm1和fm2处实现双组份温室气体光声信号的同时机械谐振感测增强；优化设计双腔级联式声学谐振腔和双模态耦合谐振声波敏感元件，使声学谐振腔的两个声学谐振频率fs1和fs2与声波敏感元件的两个机械谐振频率fm1和fm2一一对应；以不同频率调制激光器一和激光器二，激发甲烷和二氧化碳产生频率为f1和f2的光声信号，且满足f1＝fs1＝fm1，f2＝fs2＝fm2；通过以上方式实现双组份温室气体光声信号的同时双共振增强，进而提高双组份气体的传感性能。

5、一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统：包括激光器一、激光器二、波分复用器、光声池、光纤f-p传感器、宽谱光源和环形器，

6、所述激光器一为待测气体甲烷的激发光源，所述激光器一的中心波长和甲烷的强吸收谱线重合，所述激光器一和所述波分复用器相连接；

7、所述激光器二为待测气体二氧化碳的激发光源，所述激光器二的中心波长在近红外波段，且和二氧化碳的强吸收谱线重合，所述激光器二通过掺铒光纤放大器和所述波分复用器相连接，所述波分复用器输出通过光纤准直器射入所述光声池，所述光声池和所述光纤f-p之间设有双腔级联式声学谐振腔；

8、所述双腔级联式声学谐振腔包括两个内径不等的亥姆霍兹声学谐振腔，所述亥姆霍兹声学谐振腔串联设置，所述亥姆霍兹声学谐振腔和所述光声池之间连接有声学谐振腔腔颈；

9、所述光纤f-p传感器包括双模态耦合谐振声波敏感元件、光纤f-p传感器壳体和光纤陶瓷插针，用于光声信号的检测，所述双模态耦合谐振声波敏感元件内表面和所述光纤陶瓷插针平端面构成光纤f-p腔，所述双模态耦合谐振声波敏感元件为具有两个机械谐振频率的光声信号感测元件；

10、所述宽谱光源输出射入所述环形器，所述环形器的另外两个端口分别接入所述光纤陶瓷插针和解调模块，所述解调模块的信号输出端接入计算机，所述计算机分别和所述激光器一、所述激光器二分别连接，用于控制所述激光器一和所述激光器二的频率。

11、优选的，所述光声池为小型非共振式光声池。

12、优选的，所述声学谐振腔腔颈为圆柱形短管。

13、一种双共振协同增强型双组份气体光声传感方法，包括：

14、s101、以一定频率调制激光器一和激光器二，所述激光器一出射用于激发甲烷光声信号的激光，所述激光器二出射用于激发二氧化碳光声信号的激光，连用所述激光器二和掺铒光纤放大器，用于提高二氧化碳气体的激发光功率，并将两束激光通过波分复用器合束后通过光纤准直器射入光声池内；

15、s102、待测二氧化碳和甲烷气体通过所述光声池的扩散孔进入所述光声池内部，并在所述光声池内分别吸收光能，进而产生两个不同频率的光声信号(f1,f2)，所述光声信号通过腔颈传输到双腔级联式声学谐振腔内，频率分别为f1和f2的双组份气体光声信号被所述双腔级联式声学谐振腔的两个共振频率fs1和fs2增强，并直接作用于双模态耦合谐振声波敏感元件上，进而使所述双模态耦合谐振声波敏感元件发生受迫振动，引起光纤f-p腔的腔长发生动态变化，所述双模态耦合谐振声波敏感元件的机械谐振频率fm1和fm2分别对准fs1和fs2，双组份气体光声信号被声学谐振和机械谐振双共振增强；

16、s103、由宽谱光源出射本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统，其特征在于：包括激光器一(11)、激光器二(12)、波分复用器(14)、光声池(16)、光纤F-P传感器、宽谱光源(22)和环形器(23)，

2.根据权利要求1所述的一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统，其特征在于：所述光声池(16)为小型非共振式光声池。

3.根据权利要求1所述的一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统，其特征在于：所述声学谐振腔腔颈为圆柱形短管。

4.一种双共振协同增强型双组份气体光声传感方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的一种双共振协同增强型双组份气体光声传感方法，其特征在于，所述S102具体包括：

【技术特征摘要】

1.一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统，其特征在于：包括激光器一(11)、激光器二(12)、波分复用器(14)、光声池(16)、光纤f-p传感器、宽谱光源(22)和环形器(23)，

2.根据权利要求1所述的一种双共振协同增强型双组份气体光声传感系统，其特征在于：所述光声池(16)为小型非共振式光声池。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭珉，杨蓓蕾，方泽波，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：