專利名稱：基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體感測裝置，特別涉及一種基于光聲光譜技術的準分布式氣體感測裝置。
背景技術：
氣體的探測，尤其是可燃、易爆、有毒有害氣體的探測，對工農業生產、人民生活、 科學研究和國家安全至關重要。在氣體傳感器中，利用光聲光譜特性檢測氣態分析物濃度的檢測方法已經為公眾所周知，如先技術美國專利No. 4740086描述了在光激發氣態分析物時用光聲氣體傳感器把調幅光源的光能轉換成聲能的情況。當入射到氣室的光能被待測氣體吸收后，就生成強度對應于氣室內待測氣體濃度的聲壓力波，該聲壓力波被電容微音器檢測。光聲氣體傳感技術具有靈敏度高、氣室所需體積小等一系列優點，得到了廣泛研究和應用。光纖傳感器由于具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、便于復用組網等諸多優點，因而在工業、農業、生物醫療、國防等各領域均有廣闊應用前景。為了將光聲氣體傳感原理和光纖傳感技術相結合，集成兩者的優點，形成新型光纖光聲氣體傳感技術，人們已經提出了若干技術方案。在先技術之二 《基于光聲光譜法的光纖氣體傳感器研究》，中國激光，第31卷，第8期，2004年中，提出了一種采用光纖馬赫曾德干涉相位傳感器代替傳統的微音器的方案，將光纖馬赫曾德干涉儀的一臂纏繞在光聲氣腔的外壁，當氣體吸收光能產生聲壓力波，聲壓力波將使得光聲氣腔的直徑變化，使纏繞在其上的光纖產生徑向應變，引起光波的相位變化，通過測量相位變化來感知聲壓力波變化，進而得到氣體濃度信息。但是，由于熱脹冷縮，環境溫度變化也會引起光聲氣腔直徑變化，同時參考臂光纖會受到光聲氣腔外氣流和溫度的影響，而且光纖的纏繞會產生雙折射，從而產生較大的與氣體吸收無關的相位噪聲，造成測量靈敏度低和測量穩定性差。另外，其激勵光源采用染料激光器，體積大；光強調制采用機械斬波器，頻率低。使得光纖傳感技術的優點沒有得到充分發揮。中國專利授權公告號CN 201034929Y提出了一種在光聲氣室一端口放置感應聲壓力波的振動膜片，并通過振動膜片與光纖端面構成的法布里-珀羅干涉儀來檢測聲壓力波信號，由于振動膜片反射信號的微弱使該裝置不易實現遠距離的監測，另外干涉信號的解調裝置比較復雜，也需要較高的成本才能完成，從而限制了該類傳感器的使用范圍。另外，上述這些氣體傳感裝置均只能對單點進行測試，而實際中需要的更多的是分布式或準分布式的感測裝置，如在煤礦井下的瓦斯監測、天然氣輸送管線的泄漏監測等等工程中，單點監測都是不夠的。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術中的不足，提供一種基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置。本發明結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈CN 102539334 A
敏度高、使用效果好，并且生產、使用的維護成本低。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于包括處理單元、溫度控制器、加熱/制冷器、激光源、頻率發生器、兩個或兩個以上的氣室、測試單元和鎖定放大器，所述氣室下部設置有氣體進口，所述氣體上部設置有氣體出口，所述激光源安裝在加熱/制冷器上，所述處理單元通過溫度控制器與加熱/制冷器連接，所述處理單元通過頻率發生器與激光源連接，所述氣室上方設置有氣室窗片，所述氣室窗片上方設置有濾波片，所述濾波片上方設置有光纖準直器，所述激光源通過光纖多通道裝置和傳輸光纖與光纖準直器連接；每個氣室的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體，布設在每個所述的曲線型殼體內部相對兩側的多個A側變形齒和多個B 側變形齒，所述的A側變形齒和B側變形齒呈交錯布設，A側變形齒和B側變形齒對應布設在信號光纖的兩側，信號光纖的通過延長光纖接測試單元，所述測試單元與鎖定放大器連接，所述鎖定放大器與處理單元和頻率發生器連接。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，所述測試單元是由多路開關、多組光源和光探測器構成。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，所述測試單元是由一組光源和光探測器以及光纖多通道裝置構成。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，所述的曲線型殼體內部布設有變形齒的相對A、B兩側是互相平行的，并同時與待測氣室的中心軸線平行。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，所述曲線型殼體通過膠黏劑、焊接等方法全部或部分固定于氣室的外表面上。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，所述傳輸光纖、信號光纖為外部包有多層光纖保護層，所述光纖保護層為緊套光纖、碳涂覆光纖或聚酰亞胺涂覆光纖。上述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，在所述的每個曲線型殼體包含的信號光纖的一端安置有光反射裝置，信號光纖的另一端通過延長光纖連接一 1X2 光耦合器的輸入口，1X2光耦合器的輸出口連接測試單元。本發明與現有技術相比具有以下優點1、本發明的光纖氣體感測裝置，具有結構簡單、設計合理、操作方法方便且使用方式靈活、靈敏度高；2、本發明的光纖氣體感測裝置，因使用光纖曲線形殼體4作為微音器替代了傳統的微音器，使本裝置具有抗電磁干擾、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、便于復用組網等諸多優點；3、本發明的光纖氣體感測裝置，由于可以采用的光源-光功率法測試，從而可以大幅度降低測試單元5的成本，從而使本裝置的整體成本大幅度降低，使本裝置具有廣闊的使用范圍。綜上所述，本發明結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、 使用效果好，并具有成本低、易組網復用等優點，使本發明的裝置具有良好的使用前景。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明實施例1的結構示意圖。圖2為本發明實施例1中曲線型殼體的橫截面結構示意圖。圖3為本發明實施例2的結構示意圖。圖4為本發明實施例3的結構示意圖。附圖標記說明1-延長光纖；4-曲線型殼體；4-1-A側變形齒；4-2-B側變形齒；5-測試單元；5_1_光源；5-2-光探測器；6-信號光纖；7-鎖定放大器；8-氣體進口 ；9-氣體出口 ；10-氣室；12-光纖多通道裝置；13-多路開關；14-待測氣體；20-氣室窗片；21-濾波片；22-光纖準直器；23-傳輸光纖；25-激光源；30-加熱/制冷器；31-溫度控制器；40-頻率發生器；45-1X2光耦合器；46-光反射裝置；50-處理單元。
具體實施例方式實施例1如圖1、圖2所示的一種基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，包括處理單元50、溫度控制器31、加熱/制冷器30、激光源25、頻率發生器40、兩個或兩個以上的氣室10、測試單元5和鎖定放大器7，所述氣室10下部設置有氣體進口 8，所述氣體上部設置有氣體出口 9，所述激光源25安裝在加熱/制冷器30上，所述處理單元50通過溫度控制器31與加熱/制冷器30連接，所述處理單元50通過頻率發生器40與激光源25連接， 所述氣室10上方設置有氣室窗片20，所述氣室窗片20上方設置有濾波片21，所述濾波片 21上方設置有光纖準直器22，所述激光源25通過光纖多通道裝置12和傳輸光纖23與光纖準直器22連接；每個氣室10的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體4，布設在每個所述的曲線型殼體4內部相對兩側的多個A側變形齒4-1和多個B側變形齒4-2，所述的A側變形齒4-1和B側變形齒4-2呈交錯布設，A側變形齒4-1和B側變形齒4_2對應布設在信號光纖6的兩側，信號光纖6的通過延長光纖1接測試單元5，所述測試單元5與鎖定放大器 7連接，所述鎖定放大器7與處理單元50和頻率發生器40連接。優選的，所述的曲線型殼體4內部布設有變形齒的相對A、B兩側是互相平行的，并同時與待測氣室10的中心軸線平行。其中處理單元50通過指令使溫度控制器31控制加熱/制冷器30使激光源25處于穩定的溫度中，穩定的溫度使激光源25發出的光信號的波長和功率相對穩定，處理單元50通過指令使頻率發生器40控制激光源25以一定的頻率發射激光，優選的，所述的激光源25發射的激光的頻率是氣室10及其附著物共同構成的整體的共振頻率；待測氣體14進入氣室10內，包含有待測氣體14吸收特征波長的激光源25的激光通過傳輸光纖23、濾波片21、光纖準直器22和氣室窗片20也注入到氣室10內，待測氣體14的溫度升高使氣室10內部的壓力增大，使氣室10的徑向圓周周長會增加，導致纏繞在氣室10上的曲線型殼體4內部的相對兩側的變形齒之間的距離改變，這樣也會改變夾持在相對兩側變形齒間信號光纖6的彎曲曲率，測試單元5通過檢測信號光纖6內部傳輸光信號功率的變化獲取所述氣室10內部壓力的變化，并將數據傳遞給鎖定放大器7，鎖定放大器7通過頻率發生器40給的頻率值處理測試單元5的數據并獲得氣室10的準確的聲壓力波值，并將該值傳遞給處理單元50，處理單元50計算出待測氣體14的濃度，此處是用曲線型殼體4以及信號光纖6為主構成的聲波檢測元件代替了公眾熟知的微音器元件，然后通過公眾所熟知的其余檢測流程獲取待測氣體14的濃度。本實施例中，測試單元5是由多組光源5-1和光探測器5-2以及多路開關13構成， 這時的光纖多通道裝置12可以選擇IXN光耦合器，也可以選擇IXN光開關，但后者需要由處理單元50控制以保持與多路開關13同步并同時聯通的是同一個氣室10。曲線型殼體4通過膠黏劑、焊接等方法全部或部分固定于氣室10的外表面上。所述的氣室10采用低溫度膨脹系數的材料，如石英玻璃、陶瓷或其他復合材料。所述傳輸光纖23、信號光纖6為外部包有多層光纖保護層的光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、聚酰亞胺涂覆光纖等；所述傳輸光纖23、信號光纖6也可以是塑料光纖、多芯光纖、細徑光纖或光子晶體光纖。所述傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1外部包覆有防水材料，如防水油膏，可進一步防止水分子對傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1的侵蝕，延長了傳輸光纖23、信號光纖6和延長光纖1的使用壽命。實施例2如圖3所示，本實施例中，與實施例1不同的是在所述的每個曲線型殼體4包含的信號光纖6的一端安置有光反射裝置46，信號光纖6的另一端通過延長光纖1連接一 1X2 光耦合器45的輸入口，1X2光耦合器45的輸出口接測試單元5。本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例3如圖4所示，本實施例中，與實施例1不同的是測試單元5是由一組光源5-1和光探測器5-2以及光纖多通道裝置12構成，這時的光纖多通道裝置12可以選擇IXN光耦合器，也可以選擇IXN光開關。在所述的任意兩個氣室10及其附著物共同構成的整體的共振頻率是不同的情況下，測試單元5中的光纖多通道裝置12和與激光源25相接的光纖多通道裝置12都可以選擇IXN光耦合器，通過處理單元50指令使頻率發生器40控制激光源25以一定的頻率發射激光，該頻率是指定氣室10及其附著物共同構成的整體的共振頻率，改變該頻率就可以監測另一個氣室10的狀態，從而達到準分布監測的目的。測試單元5中的光纖多通道裝置12和與激光源25相接的光纖多通道裝置12都選擇IXN光開關，需要通過處理單元50指令控制兩個IXN光開關同步，同時連接同一個氣室10上的相關光纖鏈路并進行測試，從而達到準分布監測的目的。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。
權利要求
1.基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于包括處理單元 (50)、溫度控制器(31)、加熱/制冷器(30)、激光源(25)、頻率發生器(40)、兩個或兩個以上的氣室(10)、測試單元( 和鎖定放大器(7)，所述氣室(10)下部設置有氣體進口(8)， 所述氣體上部設置有氣體出口(9)，所述激光源0 安裝在加熱/制冷器(30)上，所述處理單元(50)通過溫度控制器(31)與加熱/制冷器(30)連接，所述處理單元(50)通過頻率發生器GO)與激光源0 連接，所述氣室(10)上方設置有氣室窗片(20)，所述氣室窗片 (20)上方設置有濾波片(21)，所述濾波片上方設置有光纖準直器(22)，所述激光源 (25)通過光纖多通道裝置(1 和傳輸光纖與光纖準直器0 連接；每個氣室(10) 的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體G)，布設在每個所述的曲線型殼體內部相對兩側的多個A側變形齒(4-1)和多個B側變形齒G-2)，所述的A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4- 呈交錯布設，A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4- 對應布設在信號光纖(6)的兩側，信號光纖(6)的通過延長光纖⑴接測試單元(5)，所述測試單元(5)與鎖定放大器 (7)連接，所述鎖定放大器(7)與處理單元(50)和頻率發生器00)連接。
2.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于所述測試單元(5)是由多路開關(13)、多組光源(5-1)和光探測器(5-2)構成。
3.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于所述測試單元( 是由一組光源(5-1)和光探測器(5-2)以及光纖多通道裝置(12)構成。
4.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于所述的曲線型殼體(4)內部布設有變形齒的相對A、B兩側是互相平行的，并同時與待測氣室(10)的中心軸線平行。
5.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于所述曲線型殼體(4)通過膠黏劑、焊接等方法全部或部分固定于氣室(10)的外表面上。
6.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于所述傳輸光纖(23)、信號光纖(6)為外部包有多層光纖保護層，所述光纖保護層為緊套光纖、碳涂覆光纖或聚酰亞胺涂覆光纖。
7.根據權利要求1所述的基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，其特征在于在所述的每個曲線型殼體(4)包含的信號光纖(6)的一端安置有光反射裝置(46)，信號光纖(6)的另一端通過延長光纖(1)連接一 1X2光耦合器0 的輸入口，1X2光耦合器 (45)的輸出口連接測試單元(5)。
全文摘要
本發明公開了一種基于光聲光譜技術的準分布式光纖氣體感測裝置，包括處理單元、溫度控制器、加熱/制冷器、激光源、頻率發生器、兩個或兩個以上的氣室、測試單元和鎖定放大器，激光源安裝在加熱/制冷器上，處理單元通過溫度控制器與加熱/制冷器連接，處理單元通過頻率發生器與激光源連接，激光源通過光纖多通道裝置和傳輸光纖與光纖準直器連接；每個氣室的外壁表面上螺旋纏繞著曲線型殼體，A側變形齒和B側變形齒對應布設在信號光纖的兩側，信號光纖的通過延長光纖接測試單元，測試單元與鎖定放大器連接，鎖定放大器與處理單元和頻率發生器連接。本發明結構簡單、設計合理、加工制作方便且使用方式靈活、靈敏度高、使用效果好。
文檔編號G01N21/17GK102539334SQ201010583698
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月13日 優先權日2010年12月13日
發明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司