本發(fā)明屬于光聲光譜氣體傳感，涉及一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的高精度光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、光纖光聲氣體傳感技術(shù)具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、靈敏度高、可遙測等諸多優(yōu)勢，可應(yīng)用在工業(yè)氣體檢測、國防邊檢以及環(huán)境污染物監(jiān)測等領(lǐng)域。但由于光聲光譜原理本身導(dǎo)致該方案會受到環(huán)境溫度壓強(qiáng)變化、光源功率衰減等因素的干擾，引起系統(tǒng)對待測氣體的檢測靈敏度發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)research?on?temperature?andpressure?interference?in?photoacoustic?spectroscopy?gas?detection.microwaveand?optical?technology?letters,66.1(2024):e33971研究了溫度和壓強(qiáng)對光聲氣體監(jiān)測裝置的影響并提出了一種溫度補(bǔ)償方法，但氣壓對光聲氣體檢測系統(tǒng)的影響并未提出修正辦法。文獻(xiàn)pressure-compensated?fiber-optic?photoacoustic?sensors?for?traceso2?analysis?in?gas?insulation?equipment.analytical?chemistry.2024,96.27(2024):10995–11001針對sf6電氣設(shè)備內(nèi)高壓環(huán)境，提出了一種帶有壓力補(bǔ)償?shù)膕o2氣體光纖光聲傳感器，雖然該傳感器打破了高壓環(huán)境下麥克風(fēng)靈敏度降低對系統(tǒng)性能的限制，實(shí)現(xiàn)了光纖光聲傳感器對氣壓和氣體濃度的同時(shí)感測，但系統(tǒng)仍只能工作在特定壓強(qiáng)下，不能根據(jù)環(huán)境氣壓的變化實(shí)現(xiàn)自動校準(zhǔn)。通常，光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)采用外置溫控裝置和穩(wěn)壓系統(tǒng)的方式，使系統(tǒng)工作在恒溫恒壓的環(huán)境中。但這一定程度上增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本且限制了系統(tǒng)的應(yīng)用場景。因此，設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的高精度光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)及方法具有重大應(yīng)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的高精度光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)及方法，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的擴(kuò)散氣室并列放置并采用具有一定柔性的聲波敏感膜片隔離氣體，采用彈性薄膜密封參考池保證參考池內(nèi)氣體溫度與壓強(qiáng)同探測池中一致，通過檢測參考池中內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣體激發(fā)的光聲信號，對系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。該方案結(jié)構(gòu)簡單且可以抵抗環(huán)境溫度壓強(qiáng)變化和光源功率衰減對檢測的影響，可以有效解決傳統(tǒng)光纖光聲傳感器在高低溫或非常壓環(huán)境下精度劣變的問題，進(jìn)一步拓展光纖光聲傳感技術(shù)在環(huán)境應(yīng)用中的適應(yīng)范圍。

2、本發(fā)明的原理如下：在非密封的非共振光聲管中激發(fā)的光聲壓力波ppa隨頻率f的變化可以表示為：

3、

4、其中p0、l和v分別表示激光功率、光聲管的長度和體積。γ(p,t)是背景氣體(通常是空氣)的熱容比，為氣壓p和溫度t的函數(shù)。β1(p,t)和β2(p,t)描述了光聲信號產(chǎn)生過程中的熱學(xué)和聲學(xué)阻尼。α(p,t)為待測氣體的吸收系數(shù)。在體積固定的情況下，溫度和氣壓的變化會影響氣體物態(tài)屬性和激光吸收系數(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)檢測靈敏度發(fā)生劇烈變化，降低系統(tǒng)檢測可靠性。此外，光源功率會隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間延長產(chǎn)生衰減。因此，在系統(tǒng)中安裝一個(gè)和探測池的結(jié)構(gòu)完全一致的參考池，且內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)氣體。參考池和探測池均為擴(kuò)散式光聲池，擴(kuò)散孔外部貼有透氣膜以避免光聲池內(nèi)聲場變化。在參考池的擴(kuò)散孔外部以彈性橡膠薄膜密封。當(dāng)溫度或氣壓發(fā)生變化時(shí)，參考池內(nèi)的氣體膨脹收縮或大氣壓擠壓帶動彈性橡膠薄膜凸起或凹陷，這保證了參考池內(nèi)氣體溫度和壓強(qiáng)與探測池內(nèi)一致，進(jìn)而氣體檢測靈敏度一致。當(dāng)光源功率衰減時(shí)，經(jīng)光開關(guān)分別進(jìn)入?yún)⒖汲睾吞綔y池的光功率一致，進(jìn)而避免光源功率變化對檢測精度的影響。在檢測待測氣體前，通過檢測參考池內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體激發(fā)的光聲信號可對系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，從而修正探測池內(nèi)檢測的待測氣體濃度，提升系統(tǒng)測量精度和可靠性。

5、本發(fā)明的技術(shù)方案：

6、一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的高精度光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)，包括dfb激光器1、光開關(guān)2、單模光纖3、雙芯光纖4、參考池5a、探測池5b、探測光纖陶瓷插針6a、對比陶瓷插針6b、參考池?cái)U(kuò)散孔7a、探測池?cái)U(kuò)散孔7b、參考池透氣膜8a、探測池透氣膜8b、柔性聲波敏感膜片9、彈性橡膠薄膜10、寬譜光源11、光環(huán)形器12、光譜儀13和控制電路14；

7、控制電路14分別與光譜儀13和dfb激光器1相連，dfb激光器1進(jìn)一步與光開關(guān)2相連，光開關(guān)2分別與單模光纖3、雙芯光纖4相連；光譜儀13進(jìn)一步與光環(huán)形器12相連，光環(huán)形器12分別與寬譜光源11、雙芯光纖4相連；單模光纖3伸入探測池5b，雙芯光纖4中的一根光纖伸入?yún)⒖汲?a，探測池5b和參考池5a之間設(shè)有柔性聲波敏感膜片9，雙芯光纖4中的另一光纖連接探測光纖陶瓷插針6a；對比陶瓷插針6b、探測光纖陶瓷插針6a對應(yīng)插入到探測池5b、參考池5a中，二者對應(yīng)位于柔性聲波敏感膜片9的兩側(cè)；參考池5a和探測池5b上對應(yīng)開有參考池?cái)U(kuò)散孔7a和探測池?cái)U(kuò)散孔7b，參考池?cái)U(kuò)散孔7a和探測池?cái)U(kuò)散孔7b上對應(yīng)覆蓋參考池透氣膜8a和探測池透氣膜8b，參考池透氣膜8a外部覆蓋被彈性橡膠薄膜10；

8、控制電路14驅(qū)動dfb激光器1輸出激光，激光由光開關(guān)2控制分時(shí)入射到雙芯光纖4和單模光纖3中；入射到雙芯光纖4中一根光纖的激光進(jìn)入?yún)⒖汲?a，入射到單模光纖3中的激光進(jìn)入探測池5b，柔性聲波敏感膜片9同時(shí)探測光聲信號；寬譜光源11發(fā)出探測光經(jīng)光環(huán)形器12入射到雙芯光纖4的另一根光纖，并傳輸?shù)教綔y光纖陶瓷插針6和柔性聲波敏感膜片9發(fā)生干涉，返回的干涉信號經(jīng)光環(huán)形器12傳輸?shù)焦庾V儀13，控制電路14采集干涉光譜進(jìn)行解調(diào)。

9、所述參考池5a和探測池5b內(nèi)部尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，參考池5a內(nèi)部充滿已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)待測氣體，待測標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度以入射激光可激發(fā)能夠明顯探測的穩(wěn)定光聲信號為宜；參考池5a和探測池5b以柔性聲波敏感膜片9所在平面為對稱平面并分隔兩個(gè)氣腔，探測光纖陶瓷插針6a和對比陶瓷插針6b，參考池?cái)U(kuò)散孔7a和探測池?cái)U(kuò)散孔7b均對稱安裝。

10、所述柔性聲波敏感膜片9為圓形，周圍均被緊密固定，表面平整無褶皺無縫隙，具有良好的表面張力和聲學(xué)靈敏度。

11、所述的探測光纖陶瓷插針6a和對比陶瓷插針6b為同類型光纖陶瓷插針，中心正對柔性聲波敏感膜片9的圓心，且距離柔性聲波敏感膜片9的距離相同，距離范圍為0.15mm-1mm。

12、所述控制電路14包含光譜采集、信號解調(diào)鎖相和dfb激光器驅(qū)動的功能，內(nèi)部編寫基于白光干涉的光譜相位解調(diào)算法。

13、所述的寬譜光源11是近紅外寬帶光源，中心波長為1550nm，譜寬不小于40nm。

14、所述的光譜儀13的波長范圍為1525-1570nm，幀速高于15khz。

15、一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的高精度光纖光聲氣體傳感方法，激光通過光開關(guān)2分時(shí)入射到兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的參考池5a、探測池5b，參考池5a、探測池5b中的一個(gè)通入標(biāo)準(zhǔn)氣體，另一個(gè)用于感測待測氣體濃度，并被一個(gè)柔性聲波敏感膜片9分隔；參考池5a、探測池5b上的參考池?cái)U(kuò)散孔7a、探測池?cái)U(kuò)散孔7b上對應(yīng)參考池透氣膜8a、探測池透氣膜8b，且參考池的透氣膜5a上方被彈性橡膠薄膜10密封，當(dāng)環(huán)境溫度或壓強(qiáng)變化時(shí)，彈性橡膠薄膜10凸起或凹陷從而保證參考池5a和探測池5b內(nèi)部溫度和氣壓一致，使氣體檢測靈敏度相同；探測的光聲信號引起柔性聲波敏感膜片9振動，根據(jù)柔性聲波敏感膜片9與探測光纖陶瓷插針6a構(gòu)成的法布里-珀羅(f-p)腔長度的變化測量激發(fā)的光聲信號強(qiáng)度；當(dāng)激光入射到參考池5a中，檢測標(biāo)準(zhǔn)氣體光聲信號，對系統(tǒng)靈敏度預(yù)校準(zhǔn)，當(dāng)激光入射到探測池5b中，檢測待測氣體激發(fā)的光聲信號并反演氣體濃度。具體步驟如下：

16、首先，一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過參考池透氣膜8a從參考池?cái)U(kuò)散孔7a充滿參考池5a，參考池透氣膜8a上覆蓋彈性橡膠膜10保證參考池5a密封；待測氣體通過探測池透氣膜8b從探測池?cái)U(kuò)散孔7b充滿探測池5b；控制電路14驅(qū)動dfb激光器1，dfb激光器1發(fā)射的激光經(jīng)光開關(guān)2分時(shí)耦合進(jìn)入雙芯光纖4中的一根光纖和單模光纖3，激光經(jīng)雙芯光纖4入射到參考池5a中激發(fā)光聲信號，光聲信號引起參考池5a與探測池5b中間的柔性聲波敏感膜片9振動；探測光纖陶瓷插針6a與柔性聲波敏感膜片9構(gòu)成一個(gè)f-p干涉腔，寬譜光源11發(fā)出寬譜探測光經(jīng)光環(huán)形器12進(jìn)入雙芯光纖4中的另一根光纖并從探測光纖陶瓷插針6a輸出，寬譜光源11在探測光纖陶瓷插針6a端面和柔性聲波敏感膜片9表面反射后干涉重新耦合進(jìn)入雙芯光纖4中的另一根光纖，經(jīng)光環(huán)形器12入射到光譜儀13，控制電路14采集干涉光譜信息并解調(diào)出f-p腔長，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度計(jì)算系統(tǒng)靈敏度；

17、然后，切換光開關(guān)2使激光經(jīng)單模光纖3入射到探測池5b激發(fā)光聲信號，光聲信號引起柔性聲波敏感膜片9振動，使柔性聲波敏感膜片9與探測光纖陶瓷插針6a之間的f-p腔長度變化；寬譜光源11發(fā)射寬譜光經(jīng)光環(huán)形器12、雙芯光纖4進(jìn)入探測光纖陶瓷插針6a和柔性聲波敏感膜片9發(fā)生干涉，包含待測氣體濃度信息的干涉光經(jīng)雙芯光纖4和光環(huán)形器12傳輸進(jìn)入光譜儀13，控制電路讀取光譜儀13的干涉光譜獲得待測氣體光聲信號幅度；最后通過待測氣體光聲信號幅度與系統(tǒng)靈敏度的比值獲得待測氣體濃度。

18、本發(fā)明的有益效果：通過在一個(gè)與光聲探測池結(jié)構(gòu)一致的參考?xì)馐抑谐淙霕?biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，來提升系統(tǒng)檢測精度。兩個(gè)相同氣室采用一個(gè)柔性膜片進(jìn)行分隔，同時(shí)該膜片用于光聲壓力波感測。參考?xì)馐彝獠坎捎脧椥韵鹉z薄膜密封，用于平衡腔內(nèi)壓強(qiáng)，使參考池和探測池內(nèi)部氣壓溫度相同。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)光纖光聲探測裝置易受溫度壓強(qiáng)影響的問題，無需額外配備溫控裝置與穩(wěn)壓系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及可自校準(zhǔn)的優(yōu)勢，為光纖光聲氣體傳感技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境中的高精度微量氣體檢測提供了一種極具競爭力的技術(shù)方案。