基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统。它包括光源装置，该装置通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，光源发出的激光其入射方向与光声池装置的轴心共线准直；光学声波传感器其１／４波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，光声池装置与待测气体连通，光栅光纤则与解调装置和数据采集装置连接。本实用新型专利技术具有检测灵敏度高和响应速度快等优点，可实现微量有毒有害气体或其它特定气体的快速、准确、长期在线监测，特别是实现在一些特殊检测环境下对气体的精确测量和分析，例如强电磁、放射性环境、以及现场不允许出现电源装置的煤矿生产瓦斯环境等。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于气体监测、检测领域，具体涉及一种特殊环境下(强电磁、放射性、 无电)使用的监测气体含量的高灵敏度在线式基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气 体监测系统。
技术介绍
光声效应是基于物质吸收调制光后通过无辐射驰豫放热而激发出声波的效应，由 于光声光谱法的灵敏度高，检测范围广，特别是不受样品的形态限制，对固体、液体、气体、 粉末、薄膜，甚至生物样品均可直接检测，从而广泛应用于物理、化学、生物、环境、材料、医 学等许多领域，已成为分析检测中一个重要的方法和手段。然而，传统的光声光谱仪一般依 靠现场提供激发光源，使用的微音器为电学结构的，在特殊环境下，例如强电磁和放射性环 境下，由于物理特性制约着电学麦克风的操作，外部的强电磁场的影响能够引起这些设备 功能的丧失甚至破坏他们；在瓦斯环境中，不能使用有源装置，限制了现场需有电源的传统 光声光谱仪的使用。随着光纤激光技术的发展，为特殊环境下(强电磁、放射性、无电)提供 基于光声光谱的在线监测气体含量的高灵敏度系统提供了可能。经过检索，找到了些使用光纤进行气体检测的相关专利，在专利技术专利(专利公开 号CN101532951A) “一种光纤混合气体定量测量系统及测量方法”、专利技术专利(专利公开号 CN1793850A) “基于环形光纤激光器的气体浓度检测方法及设备”、专利技术专利(专利公开号 CN1793849A) “基于光纤激光器腔内敏感的气体浓度检测方法及设备”中，提出的气体测量 方法是基于光谱吸收的，利用的是光源被测量气体吸收后剩余的光功率值，非本专利技术中采 用的光声光谱法中使用的气体吸收调制光后通过无辐射驰豫放热而激发出声波的光声信 号；采用光声方法检测的专利中，在专利技术专利(专利公开号CN101487818A) “变压器油中气 体含量在线监测方法及系统”中，使用非相干宽光源加滤光片，微音器使用电容型驻极微音 器EK-23024 ；在专利技术专利(专利公开号CN101498690A) “在线式电力变压器故障监测系统” 中，使用的为可调谐级联二极管激光器相干光源，微音器采用的为BrUel&Kjear-4176 ；在 技术专利(专利公开号CN2849712)“基于光声原理的有毒有害气体检测及火灾报警装 置”中，光源采用大功率红外热辐射光源，微音器为knowles公司的EK-3133。以上采用光 声方法检测气体浓度的专利中，使用的光源和现场数据处理电路需要现场提供电源，在特 殊环境，比如瓦斯环境下，不能使用，而且采用的微音器是传统的微音器，传统的微音器包 括电容器、驻极体和动态的微音器，使用依靠含电容器或卷的电子线？？，特别是在前两个 专利技术专利(专利公开号CN101487818A)、CN101498690A)中将受到应用环境现场变压器强电 磁干扰，如果不额外进行抗电磁干扰设计，外部强电磁场环境将影响这些设备的性能，甚至 使其功能丧失，最严重时将破坏它们，同理在放射性环境中也存在此问题。
技术实现思路
本技术的目的就是为解决上述问题，提出一套在强电磁干扰、放射性环境、测 试现场不能带电的特殊环境下能正常使用的在线式基于光学声波传感器的本征安全光声 光谱气体监测系统，该系统基于光声光谱技术，克服了现有技术的不足，远程光源发出的经 过调制的激光通过光纤可以在现场无电的情况下对光声池中的待测气体进行激发，气体吸 收光脉冲后产生周期性的振动，形成声波，通过不同于传统电子微音器的光学声波传感器 可以采集声强数据，数据可以现场存储，或通过有线、无线的方式发送给后台做进一步的处 理，实现特殊环境下气体的监测。为实现上述目的，本技术是通过如下技术方案实现的一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，它包括光源装置， 该装置产生的激光通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，激光入射方向与光声池装置 的轴心共线准直；光学声波传感器与光声池装置连接，光声池装置与待测气体连通；光学 声波传感器中的1/4波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，同时光学声波 传感器中的光隔离器则与解调装置连接，解调装置与数据采集装置连接。所述光源装置包括带电源调制的半导体激光器LD，它经耦合器I进入电源环路， 经过掺铒光纤后，产生的光信号经光隔离器和可调隔离器后传输到耦合器，一部分经耦合 器I反馈回掺铒光纤中，实现环路振荡，另一部分耦合至输出端输出，输出经过光纤和掺铒 光纤放大器，最后经光纤准直器瞄准后，入射到光声池装置中；正弦信号发生器、锯齿波信 号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，该驱动电源由控制器调制，同 时该控制器输出调制频率作为解调装置中锁相放大电路的参考信号频率。所述光学声波传感器包括1/4波长的相移掺铒光栅光纤、980/1550波分复用器 WDM、带尾纤的980nm半导体激光器LD和光隔离器II，1/4波长的相移掺铒光栅光纤与 980/1550波分复用器WDM连接，同时带尾纤的980nm半导体激光器LD也与980/1550波分 复用器WDM连接，980/1550波分复用器WDM与光隔离器II连接，光隔离器II与解调装置连 接。所述光声池装置由黄铜加工制成，它包括共振腔，共振腔与进气口和出气口连通； 在共振腔两端是内径大于共振腔的缓冲腔，在两缓冲腔的端部是ZnSe的Brewster光窗；入 射激光、缓冲腔、共振腔的轴心位于同一直线上，在缓冲腔的中点位置，沿内壁径向方向绕 有1/4波长的相移掺铒光栅光纤。所述缓冲腔半径为共振腔体半径的3倍，长度为共振腔体的1/2。所述共振腔两端位于驻波的波节位置，进出口和出气口设置在该处；所述ZnSe的 Brewster光窗也位于声波的波节位置。所述解调装置包括光纤耦合器DCl，光纤耦合器DCl分别与干涉仪a臂和干涉仪b 臂连接，干涉仪a臂经耦合器II与光纤耦合器DC2连接，干涉仪b臂直接与光纤耦合器DC2 连接，光纤耦合器DC2分别与光电探测器PDl和光电探测器PD2连接，光电探测器PDl和光 电探测器PD2则与差分放大电路连接，差分放大电路与锁相放大电路连接，锁相放大电路 的参考信号频率来自于调制光源的控制器，锁相放大电路与数据采集卡连接。本技术主要包括光源部分(带电源调制的半导体激光器LD、耦合器I (coupler)、可调隔离器、光隔离器I、掺铒光纤EDF、光纤、掺铒光纤放大器、光纤准直器)、光声池部分、光学声波传感器部分(DEB-FL部分(1/4波长的相移掺铒光栅光纤)、980/1550波 分复用器WDM、带尾纤的980nm半导体激光器LD、光隔离器II (ISO))、解调部分(光纤耦合 器DCl和DC2、光电探测器PDl和PD2)、差分放大电路、锁相放大电路)。其中离现场远距 离的光源通过光纤提供调制后的激光经过光纤准直器准直后激发光声池中的样气，激光入 射方向和光声池共振腔的轴心线一致，共振腔的内壁环状铺设光学声波传感器中的1/4波 长相移掺铒光栅光纤。光源部分提供的激光波长对应所需监测气体的特征波长(比如乙炔C2H2采用 1520nm,甲烷CH41654nm)，光源发出的红外光均可通过电源直接调制，具体是正弦信号发生 器、锯齿波信号发生器与直流信号叠加后作为半导体激光器的驱动电源，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学声波传感器的本征安全光声光谱气体监测系统，其特征是，光源装置产生的激光通过光纤经光纤准直器与光声池装置连接，激光入射方向与光声池装置的轴心共线准直；光学声波传感器与光声池装置连接，光声池装置与待测气体连通；光学声波传感器中的１／４波长的相移掺铒光栅光纤环状铺设在光声池装置内壁，同时光学声波传感器中的光隔离器Ⅱ则与解调装置连接，解调装置与数据采集装置连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘祥志，成巍，王知学，刘晓建，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：实用新型
国别省市：88[中国|济南]