本发明专利技术涉及白光干涉测量和气体光声光谱测量技术领域，具体为一种基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置及方法，该装置包括：ASE光源、第一环形器、第二环形器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、第一光纤接头、第二光纤接头、陶瓷套管、高灵敏度压力敏感膜片、具有PZT调制器的光纤光栅、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集单元和计算机，本发明专利技术采用低相干光源，探测光光路为马赫曾德和赛格纳克混合干涉仪结构，利用三个探测器对返回光进行三路探测解调，具有对低频扰动不敏感，测量动态范围大，可实现光纤白光干涉的远距离非接触绝对幅值测量，光压振动干扰小、不易受电磁干扰等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及白光干涉测量
和气体光声光谱测量
，具体为一种基 于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置及方法。
技术介绍
光声光谱气体检测技术起源于1880年，早期受限于低功率光源及低灵敏度声波 探测工具，技术发展受到限制，20世界60年代开始，得益于激光器的问世和高灵敏度探测 工具的发展，光声光谱技术进入到了一个快速发展的阶段。激光本身的高功率、方向性单色 性好等优点有效地增强了光声光谱信号的强度，提高了探测灵敏度；高灵敏度的麦克风、压 电陶瓷、石英音叉等声学传感器的出现不仅增加了光声光谱技术的多样性，而且使该技术 的性能获得了质的飞跃。 光声光谱系统具有结构简单、可靠性好、测量效率高等优点，其测量技术先进，代 表着未来气体安全检测发展趋势。虽然光声光谱技术研究和应用取得了很大的进步，但是 在光声信号获得和解调方面仍存在以下技术缺陷： 1.光强度调制带来光压振动干扰，影响信号解调结果； 2.大部分光声光谱技术传声系统米用电动式和电容式传声器，电学传声器容易受 到电磁干扰，噪声大，影响信号解调结果。 白光干涉原理早在1975年被提出，1983年，白光干涉原理首次在光纤传感技术中 得到应用。在1985年到1989年期间，白光干涉原理被广泛用于压力、温度和应变测量的 研究中。自1990年以后，光纤白光测量技术持续发展，并逐渐形成为一个研究方向，它 所具有的优点被众多的研究者所揭示并认可。现在白光干涉技术已经得到广泛的应用，可 以测量的物理量也明显增多。 白光干涉测量方法有时也称为低相干测量方法，在这种干涉测量方法中使用的是 低相干、宽带光源，例如：光纤ASE光源和发光二极管LED，所以我们把这种干涉测量法通常 称为"白光"干涉测量方法，可以对物理量进行绝对测量，测量范围宽。与相干光源相比，白 光干涉相干长度短，常为微米量级。因此，白光干涉测量技术具有以下优点： 1.白光干涉测量技术可以对位移，压力、振动、应力、应变、湿度、温度等物理参量 以及生化参量的进行绝对测量； 2.由于采用的是低相干光源，系统抗干扰能力很强，系统的分辨率与光源波长的 稳定性、光源功率的波动、光纤的扰动等因素均无关； 3.低相干光源价格低廉，降低了系统成本，白光干涉系统结构简单； 4.光纤白光干涉仪可以实现多路复用。 然而，当白光干涉测量技术应用于振动测量时，为测量出振幅和频率等振动信息， 需要对光电转换输出进行信号解调。在一些调制和解调中，像经典外差解调法，伪外差解调 法、合成外差法和PGC(相位生成载波）解调技术，需要外加一个调制元件，测量系统的动态 范围受调制频率的限制。 本专利技术拟利用低相干光纤微分干涉仪和三路探测的无源解调算法进行气体光声 光谱测量，以解决上述问题，尚未发现任何专利和文献有关于此种测量方法的披露。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于低相干光纤微分干涉非接触测振的 光声光谱测量装置及方法。 为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是： 基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置，包括ASE光源、第一 环形器、第二环形器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延迟光纤、第一光纤接头、第二 光纤接头、陶瓷套管、高灵敏度压力敏感膜片、具有PZT调制器的光纤光栅、第一光电探测 器、第二光电探测器、第三光电探测器、数据采集单元和计算机； 所述第一耦合器的端口A与ASE光源相连、端口B和端口C分别与第一环形器的 端口A和第二环形器的端口A相连；所述第二耦合器的端口A和端口C分别通过第一光电 探测器和第三光电探测器与数据采集单元相连，端口B与第一环形器的端口B相连，端口D 通过延迟光纤与第三耦合器的端口A相连，端口E与第三耦合器的端口B相连；所述第三耦 合器的端口C与第一光纤接头相连；所述第一环形器的端口C通过第二光电探测器与数据 采集单元相连；所述第二环形器的端口B和端口C分别与具有PZT调制器的光纤光栅和第 二光纤接头相连；所述第一光纤接头与第二光纤接头由陶瓷套管固定构成微型光声池，且 高灵敏度压力膜片设在第一光纤接头的光纤插芯表面，所述微型光声池内充有待测气体； 所述数据采集单元与计算机相连。 从以上描述可以看出，本技术方案具备以下优点： 1.采用低相干光源和普通光纤器件，结构简单，成本低； 2.探测光光路采用马赫曾德和赛格纳克混合干涉仪结构； 3.光路结构本身对噪声、温度、应力等低频扰动不敏感； 4.利用三路探测的无源解调方法测量振动信息，测量动态范围大，实现了光纤白 光干涉的远距离非接触绝对幅值测量； 5.利用光纤光栅实现波长选择和波长调制，解决了以往文献中出现的光压振动干 扰问题； 6.利用第一光纤接头、第二光纤接头、陶瓷套管和高灵敏度压力膜片构成微型光 声池，不仅对声压灵敏度高而且体积小结构轻巧，不易受电磁干扰。 作为优选，所述第一耦合器端口B与端口C的分光比为20:80。 作为优选，所述高灵敏度压力膜片为PMMA-石墨稀复合膜片；石墨稀薄膜材料性 能优良，满足更高的光学性能要求。 作为优选，所述数据采集单元采用NI公司的PCI-6251数据采集卡。 基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量方法，其步骤为：A.ASE光源发出光，经第一親合器分成两束，一束作为激发光输出，另一束作为探 测光输出； B.激发光进入第二环形器、经由光纤光栅进行波长选择和波长调制，出射到微型 光声池，微型光声池内的待测气体被激发，产生声光效应，引起高灵敏度压力敏感膜片振 动； C.探测光经第一环形器进入第二耦合器，所述第二耦合器将光分成三束，其中两 束进入第三耦合器且两束中有一束经延迟光纤进入第三耦合器，第三耦合器输出的探测光 传输到微型光声池，然后从高灵敏度压力敏感膜片的表面返回，返回的探测光再次进入第 三耦合器，第三耦合器将其分成两束，一束经延迟光纤进入第二耦合器，另一束直接进入第 二耦合器，第二耦合器再将接收到的返回探测光分成三束输出，一束经第一环形器后由第 二光电探测器接收，另外两束分别由第一光电探测器和第三光电探测器接收； D.第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器分别将接收的返回光信号 转换为电信号传输给数据采集单元； E.数据采集单元将电信号进行A/D转化后传输给计算机； F.计算机通过软件将接收到的电信号进行解调，得出待测气体浓度信息，具体解 调方法为： 入射到第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的光生电流分别为：_ \ -./ 一 ^ 上式中，E。是光源光强的1/36,ω为调制信号的角频率。为简化表达式，定义，因此上式可简化为： Nl =D+Ecos ( Φ -2 π /3) V2= D+Ecos Φ V3= D+Ecos ( Φ +2 π /3) UK为输出的电压值，Φ即是待解调信号，计算步骤如下： (a)计算三路信号的直流量D的平均值： D = (V1+V2+V3) /3 (b)二路彳目号消去直流项D后得： a = Ecos ( Φ 当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于低相干光纤微分干涉非接触测振的光声光谱测量装置，其特征在于：包括ASE光源(1)、第一环形器(2)、第二环形器(3)、第一耦合器(4)、第二耦合器(5)、第三耦合器(6)、延迟光纤(7)、第一光纤接头(8)、第二光纤接头(9)、高灵敏度压力敏感膜片(10)、陶瓷套管、具有PZT调制器的光纤光栅(11)、第一光电探测器(12)、第二光电探测器(13)、第三光电探测器(14)、数据采集单元(15)和计算机(16)；所述第一耦合器(4)的端口A与ASE光源(1)相连、端口B和端口C分别与第一环形器(2)的端口A和第二环形器(3)的端口A相连；所述第二耦合器(5)的端口A和端口C分别通过第一光电探测器(12)和第三光电探测器(14)与数据采集单元(15)相连，端口B与第一环形器(2)的端口B相连，端口D通过延迟光纤(7)与第三耦合器(6)的端口A相连，端口E与第三耦合器(6)的端口B相连；所述第三耦合器(6)的端口C与第一光纤接头(8)相连；所述第一环形器(2)的端口C通过第二光电探测器(13)与数据采集单元(15)相连；所述第二环形器(3)的端口B和端口C分别与具有PZT调制器的光纤光栅(11)和第二光纤接头(9)相连；所述第一光纤接头(8)与第二光纤接头(9)由陶瓷套管固定构成微型光声池(17)，且高灵敏度压力膜片(10)设在第一光纤接头(8)的光纤插芯表面，所述微型光声池(17)内充有待测气体；所述数据采集单元(15)与计算机(16)相连。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：甄胜来，王晓光，俞本立，徐峰，曹志刚，朱军，吕亮，高大明，丁波，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。