一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统及方法与流程

1.本发明涉及光纤声波传感与光声光谱技术领域，更具体涉及一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统及方法。


背景技术：

2.光声光谱技术已成为检测痕量气体领域中的一种有效手段，光声光谱技术具有灵敏度高，无背景检测，响应速度快，不受电磁干扰等优点。其主要原理是基于气体分子的选择性吸收与朗伯-比尔定律，气体的光声效应主要可以由三个步骤解释：1.气体分子吸收特定波长的激发光，由基态跃迁到激发态；2.激发态的分子无辐射跃迁回到基态，释放热量，导致周围气体膨胀；3.当激发光以周期信号调制时，气体也呈周期型的热胀冷缩形成声波，被麦克风探测到，被探测到的光声信号和气体浓度呈正比。因此提高麦克风的灵敏度是提高光声光谱气体检测系统灵敏度的有效手段。光纤声波传感是一种新的声波检测技术，其基本原理是利用光作为探测信号，通过声波敏感膜片感应外界温度、应变、压力等物理量的变化，并反应成光学参量的变化，实现对外界物理量的检测。这种方式具有抗电磁干扰，可远距离测量，分布式检测等优势。将光声光谱技术和光纤声波传感技术结合，实现对痕量气体的精准检测，并且不同于其他光声气体检测系统，这种方式具有无源，微型的优势，非常适合在一些狭小区域，或者电磁干扰严重，如大型变电设备的特殊领域的气体检测。文献chen ke,guo min,liu shuai,et al.fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage[j].optics express,2019,27(4):4648-4659报道了一种微型的光纤光声气体传感器，激光通过光纤传输到光声探头激发光声信号，同时光声信号由宽谱光检测获得气体浓度。但是，这种方式存在激发光源单一，应用场景固定的局限性，对于存在多组分气体检测需求的情况无法满足。


技术实现要素：

[0003]
本发明所要解决的技术问题在于现有技术光纤光声传感方案存在激发光源单一，应用场景固定的局限性，对于存在多组分气体检测需求的情况无法满足的问题。
[0004]
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统，包括多组不同波段的激发光源装置、一组探测光源装置、光纤阵列(15)以及多组光纤光声传感探头，所述激光光源装置发射光声激发光源，所述探测光源装置发射宽谱光用于探测光声信号，每组光纤光声传感探头置于不同的监测区域，每组光纤光声传感探头的一端通过光纤阵列(15)分别与各激发光源装置连接，每组光纤光声传感探头的另一端通过光纤阵列(15)分别与探测光源装置连接；所述多组不同波段的激发光源装置中的一组包括激光光源(5)和准直透镜(17)，所述激光光源(5)发射特定波长的激光光束，经过准直透镜(17)将光束汇聚并分束耦合到光纤阵列(15)的各输入端中，光纤阵列(15)的各输出端分别一一对应的与各组光纤光声传感探头的一端连接。
[0005]
本发明不同波段的激发光源复用可实现多组分气体的检测，每组光纤光声传感探
头置于不同的监测区域，通过选择接通其中一个监测区域或者分时接通多个监测区域对应的光纤光声传感探头实现一个监测区域的气体检测或者多个监测区域的气体分时检测，整个系统进行分布式检测，激发光源较多，应用场景不受局限，满足存在多组分气体检测需求的情况。
[0006]
进一步地，所述多组不同波段的激发光源装置中的另一组包括激光驱动电路(16)、第一半导体激光器(1)、掺铒光纤放大器(4)及第一光开关(6)，所述激光驱动电路(16)驱动第一半导体激光器(1)使其发出特定波长的激光进入掺铒光纤放大器(4)，掺铒光纤放大器(4)对光功率进行放大，放大后的激光进入第一光开关(6)，第一光开关(6)的各输出通道分别一一对应的与光纤阵列(15)的输入端口连接，光纤阵列(15)的各输出端分别一一对应的与各组光纤光声传感探头的一端连接。
[0007]
更进一步地，所述多组不同波段的激发光源装置中的另一组还包括第二半导体激光器(2)和第二光开关(3)，所述激光驱动电路(16)驱动第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)使其发出特定波长的激光，经光纤分别传输到第二光开关(3)，第二光开关(3)控制两个光路的打开和截止，使其中一束激光进入掺铒光纤放大器(4)。
[0008]
进一步地，所述探测光源装置包括光纤宽谱光源(7)、光纤环形器(8)、第三光开关(9)、光谱仪(10)及工控机(11)，所述光纤宽谱光源(7)发射的宽带光经光纤环形器(8)入射到第三光开关(9)，第三光开关(9)的各输出通道分别一一对应的与每组光纤光声传感探头的另一端连接，每组光纤光声传感探头内产生的干涉光谱再从光纤阵列(15)返回到第三光开关(9)经光纤环形器(8)输出到光谱仪(10)，工控机(11)采集光谱仪(10)探测到的光谱并进行信号处理和显示。
[0009]
更进一步地，所述信号处理和显示包括：采用高速光谱解调法对光谱进行解调获得干涉腔的动态腔长，通过测量干涉腔的腔长变化获取光声信号的幅度，根据光声信号的幅度与气体浓度的比例关系获得气体浓度并显示出来。
[0010]
进一步地，所述光纤光声传感探头有3个，分别为第一光纤光声传感探头(12)、第二光纤光声传感探头(13)以及第三光纤光声传感探头(14)，所述光纤阵列(15)的输出端个数大于等于光纤光声传感探头的个数，第一光纤光声传感探头(12)、第二光纤光声传感探头(13)以及第三光纤光声传感探头(14)分别连接光纤阵列(15)一个输出端。
[0011]
更进一步地，所述第一光纤光声传感探头(12)、第二光纤光声传感探头(13)及第三光纤光声传感探头(14)结构相同，均包括声波敏感膜片(18)、气室(19)、光纤端面(20)、光纤准直器(21)及外壳(22)，所述外壳(22)内平行布置光纤端面(20)和光纤准直器(21)，光纤端面(20)和光纤准直器(21)形状相同且光纤端面(20)的一端向外壳(22)外延伸出一个光纤探头通过光纤阵列(15)与探测光源装置连接，光纤准直器(21)的一端向外壳(22)外延伸出一个光纤探头通过光纤阵列(15)与激发光源装置连接；所述气室(19)包括光声管和导气通道，所述光声管水平设置且一端与光纤准直器(21)另一端衔接，导气通道竖直设置且上端与光声管的另一端相通，下端与光纤端面(20)的另一端衔接，所述导气通道右侧平行设置声波敏感膜片(18)，声波敏感膜片(18)作为外壳(22)的右侧面，声波敏感膜片(18)上开设一个悬臂梁结构，所述悬臂梁结构为自由端向下的矩形槽，外部待测气体通过声波敏感膜片(18)上的悬臂梁结构的槽缝扩散到气室(19)内。
[0012]
更进一步地，所述光声激发光源经光纤准直器(21)入射到气室(19)内以激发光声
信号，并被安装在气室(19)外侧的声波敏感膜片(18)检测，声波敏感膜片(18)的悬臂梁结构的自由端与光纤端面(20)构成光纤法布里-珀罗干涉腔，光声信号使悬臂梁结构振动引起法布里-珀罗干涉腔长变化，通过检测干涉腔的腔长变化实现对光声信号的检测。
[0013]
本发明还提供一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统的方法，所述多组不同波段的激发光源装置分别发射不同波段的激光光源，一种波段的激光光源检测一种气体，通过选择接通其中一组激发光源装置或者分时接通多组激发光源装置，实现一种气体检测或者多组分气体分时检测，每组光纤光声传感探头置于不同的监测区域，通过选择接通其中一个监测区域或者分时接通多个监测区域对应的光纤光声传感探头实现一个监测区域的气体检测或者多个监测区域的气体分时检测，整个系统进行分布式检测。
[0014]
本发明的优点在于：
[0015]
(1)本发明不同波段的激发光源复用可实现多组分气体的检测，每组光纤光声传感探头置于不同的监测区域，通过选择接通其中一个监测区域或者分时接通多个监测区域对应的光纤光声传感探头实现一个监测区域的气体检测或者多个监测区域的气体分时检测，整个系统进行分布式检测，激发光源较多，应用场景不受局限，满足存在多组分气体检测需求的情况。
[0016]
(2)本发明光声信号的激发和探测光均由光纤传输，整个传感结构不包含电学元件，具备抗电磁干扰能力；同时光纤的远距离传输和低传输损耗特性可实现远程遥测。检测方式适用于变压器、环境监测、安全监测等领域的气体检测，是通用的监测系统。
附图说明
[0017]
图1为本发明实施例1所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统的结构示意图；
[0018]
图2为本发明实施例1所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统中光纤光声传感探头的结构示意图；
[0019]
图3为本发明实施例1所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统中光纤光声传感探头的右侧面视图也即悬臂梁结构的主视图；
[0020]
图4为本发明实施例2所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统的结构示意图；
[0021]
图5为本发明实施例3所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统的结构示意图；
[0022]
图6为本发明实施例4所公开的一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统的结构示意图。
具体实施方式
[0023]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]
实施例1
[0025]
如图1所示，一种基于光纤光声传感的分布式在线监测系统，包括多组不同波段的激发光源装置、一组探测光源装置、光纤阵列15以及多组光纤光声传感探头，所述激光光源装置发射光声激发光源，所述探测光源装置发射用于探测光声信号的宽谱光，每组光纤光声传感探头置于不同的监测区域，每组光纤光声传感探头的一端通过光纤阵列15分别与各激发光源装置连接，每组光纤光声传感探头的另一端通过光纤阵列15分别与探测光源装置连接。
[0026]
本实施例中，每组光纤光声传感探头置于sf6电器设备中不同区域，sf6电器放电产生h2s、so2等故障特征气体，所述多组不同波段的激发光源装置中的一组包括激光光源5和准直透镜17，所述探测光源装置包括光纤宽谱光源7、光纤环形器8、第三光开关9、光谱仪10及工控机11。所述激光光源5发射特定波长的紫外光光束，对so2进行探测，经过准直透镜17将光束汇聚并分束耦合到光纤阵列15的各输入端中，光纤阵列15的各输出端分别一一对应的与各组光纤光声传感探头的一端连接。所述光纤宽谱光源7发射的宽带光经光纤环形器8入射到第三光开关9，第三光开关9的各输出通道分别一一对应的与每组光纤光声传感探头的另一端连接，每组光纤光声传感探头内产生的干涉光谱再从光纤阵列15返回到第三光开关9经光纤环形器8输出到光谱仪10，工控机11采集光谱仪10探测到的光谱并进行信号处理和显示。本实施例中采用高速光谱解调法对光谱进行解调获得干涉腔的动态腔长，通过测量干涉腔的腔长变化获取光声信号的幅度，根据光声信号的幅度与气体浓度的比例关系获得气体浓度并显示出来。
[0027]
所述光纤光声传感探头有3个，分别为第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13以及第三光纤光声传感探头14，所述光纤阵列15的输出端个数大于等于光纤光声传感探头的个数，第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13以及第三光纤光声传感探头14分别连接光纤阵列15一个输出端。
[0028]
如图2和图3所示，所述第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13及第三光纤光声传感探头14结构相同，均包括声波敏感膜片18、气室19、光纤端面20、光纤准直器21及外壳22，所述外壳22内平行布置光纤端面20和光纤准直器21，光纤端面20和光纤准直器21形状相同且光纤端面20的一端向外壳22外延伸出一个光纤探头通过光纤阵列15与探测光源装置连接，光纤准直器21的一端向外壳22外延伸出一个光纤探头通过光纤阵列15与激发光源装置连接；所述气室19包括光声管和导气通道，所述光声管水平设置且一端与光纤准直器21另一端衔接，导气通道竖直设置且上端与光声管的另一端相通，导气通道的下端与光纤端面20的另一端衔接，所述导气通道右侧平行设置声波敏感膜片18，声波敏感膜片18作为外壳22的右侧面，声波敏感膜片18上开设一个悬臂梁结构181，所述悬臂梁结构181为自由端向下的矩形槽，外部待测气体通过声波敏感膜片18上的悬臂梁结构181的槽缝扩散到气室19内，气室19、光纤端面20、光纤准直器21与外壳22之间的间隙采用实体填充，其中，气室19体积60μl，光声池长10mm，声波敏感膜片18是材料为304不锈钢的圆片，直径和厚度分别为10mm和5μm，膜片上刻有缝隙为10μm的悬臂梁结构181，悬臂梁长宽分别为1.6mm和0.8mm，悬臂梁结构181的自由端和光纤端面20构成法布里-珀罗干涉腔，静态腔长为200μm。光纤准直器21工作距离为80mm，大于气室19内光声池最大长度10mm。
[0029]
所述光声激发光源经光纤准直器21入射到气室19内以激发光声信号，并被安装在气室19外侧的声波敏感膜片18检测，声波敏感膜片18的悬臂梁结构181的自由端与光纤端
面20构成光纤法布里-珀罗干涉腔，光声信号使悬臂梁结构181振动引起法布里-珀罗干涉腔长变化，通过检测干涉腔的腔长变化实现对光声信号的检测。激发光和探测光均通过光纤传输并分时入射到第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14中，整个传感结构不包含电学元件，具备抗电磁干扰能力，可适用于变压器油等大型电器设备检测的情况；光纤的远距离传输和多点探头时分复用，实现分布式布网监测和远程遥测。
[0030]
本实施例的工作过程为：首先，激光光源5发射特定波长的激光光束，经准直透镜17进行汇聚准直，输出的激光光束被耦合到光纤阵列15中，分别传输到不同位置的第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14。光纤光声传感探头中的待测气体分子吸收激光能量并跃迁到高能级，光能通过无辐射跃迁释放能量，引起传感探头内气体膨胀，由于激光被周期信号调制，因此传感探头内气体也周期性热胀冷缩，形成声压，推动传感探头内声波敏感膜片18的悬臂梁结构181的自由端周期性振动。
[0031]
然后，光纤宽谱光源7发射宽谱光经光纤环形器8入射到第三光开关9输入端，输出的宽谱光经光纤阵列15中的另一根分别传输到第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14并照射到传感探头内声波敏感膜片18上的悬臂梁结构181的自由端；光纤端面20与传感探头内声波敏感膜片18的悬臂梁结构181形成低细度的光纤法布里-珀罗干涉腔，干涉腔的两个面反射宽谱光形成干涉光谱，经光纤阵列15传输到第三光开关9并通过光纤环形器8输出到光谱仪10；当声波作用在声波敏感膜片18时，引起法布里-珀罗干涉腔长变化，光谱仪10检测的干涉光谱峰值发生移动；干涉光谱由工控机11进行采集，采用高速光谱解调法获得干涉腔的动态腔长，通过测量干涉腔的腔长变化计算光声信号的幅度，工控机11根据标定系数得到待测气体的浓度并显示出来。所述高速光谱解调法是一种基于白光干涉的相位解调算法，通过快速傅里叶变换，可检测法布里-珀罗腔长变化。
[0032]
所述激光光源5经准直透镜17直接输出激光光束，出光波长范围为300nm-5μm，激光光束可耦合到光纤中远距离传输。
[0033]
所述第三光开关9为光纤光开关，光开关通道数大于等于分布式检测所需光纤光声传感探头数。
[0034]
所述光纤宽谱光源7是近红外超辐射发光二极管sled或者放大自发辐射ase光源，谱宽大于20nm。本实施例中其中心波长1550nm，谱宽60nm。
[0035]
所述光谱仪10为高速光谱仪，光谱采样速率和像素数分别大于5khz和128，工作的波长范围应覆盖光纤光谱光源7的发射光谱范围。本实施例中，光谱仪10的光谱采样速率和像素数为5khz和128，工作的波长范围为1510nm-1590nm。
[0036]
实施例2
[0037]
如图4所示，本发明实施例2相比实施例1的区别在于提供另外一种激发光源装置：所述激发光源装置包括激光驱动电路16、第一半导体激光器1、掺铒光纤放大器4及第一光开关6，所述激光驱动电路16驱动第一半导体激光器1使其发出近红外激光进入掺铒光纤放大器4，掺铒光纤放大器4对光功率进行放大，放大后的激光进入第一光开关6，第一光开关6的各输出通道分别一一对应的与光纤阵列15的输入端口连接，光纤阵列15的各输出端分别一一对应的与各组光纤光声传感探头的一端连接。第一半导体激光器1使其发出近红外激
光能够检测sf6电器放电产生的h2s。第一半导体激光器1为中心波长1530nm的近红外dfb激光器。
[0038]
本实施例的工作过程为：首先，激光驱动电路16对第一半导体激光器1进行驱动，使第一半导体激光器1分别发出近红外激光，第一半导体激光器1输出的激光传输到掺铒光纤放大器4中，实现对激光功率的放大，放大后的激光传输到第一光开关6的输入端，第一光开关6的输出端分别连接了第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14，通过切换第一光开关6输出端使激光经光纤阵列15中的一根分别传输到第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14。探头中的待测气体分子吸收激光能量并跃迁到高能级，光能通过无辐射跃迁释放能量，引起传感探头内气体膨胀，由于激光被周期信号调制，因此传感探头内气体也周期性热胀冷缩，形成声压，推动传感探头内声波敏感膜片18的悬臂梁结构181的自由端周期性振动。
[0039]
最后，同样通过光纤宽谱光源7、光纤环形器8、第三光开关9、光谱仪10及工控机11对声波敏感膜片18的悬臂梁结构181形成低细度的光纤法布里-珀罗干涉腔的两个面反射宽谱光形成的干涉光谱进行探测和计算得到待测气体的浓度并显示出来，对干涉谱的探测和解调过程与实施例1相同，在此不做赘述。
[0040]
所述第一半导体激光器1为波长可调谐激光光源，蝶形封装，耦合光纤输出激光，其中心波长通过改变驱动偏置电流使其对应到待测气体的吸收波长处。
[0041]
所述第一光开关6与第三光开关9为相同型号光纤光开关，光开关通道数相等，且大于等于分布式检测所需光纤光声传感探头数。
[0042]
实施例3
[0043]
如图5所示，本发明实施例3相比实施例2的区别在于激发光源装置还包括第二半导体激光器2和第二光开关3，所述激光驱动电路16驱动第一半导体激光器1和第二半导体激光器2使其发出近红外激光，经光纤分别传输到第二光开关3，第二光开关3控制两个光路的打开和截止，使其中一束激光进入掺铒光纤放大器4。所述第一半导体激光器1，第二半导体激光器2均为波长可调谐激光光源，蝶形封装，耦合光纤输出激光，其中心波长通过改变驱动偏置电流使其对应到待测气体的吸收波长处。所述光纤宽谱光源7的中心波长远离第一半导体激光器1、第二半导体激光器2的中心波长。与实施例2相比，第一半导体激光器1为中心波长1530nm的近红外dfb激光器、第二半导体激光器2为中心波长1650.9nm的近红外dfb激光器，功率均为10mw。
[0044]
实施例4
[0045]
如图6所示，实施例4是实施例1的基础上添加实施例3的激发光源装置，使得整个系统同时包括3组不同波段的激发光源装置，能够分时检测sf6电器放电产生h2s和so2。
[0046]
实施例4的工作过程为：首先，激光光源5发射特定波长的紫外光，经准直透镜17进行汇聚准直，输出的激光光束被耦合到光纤阵列15中，分别传输到不同位置的第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14。然后，激光驱动电路16对第一半导体激光器1、第二半导体激光器2进行驱动，使第一半导体激光器1、第二半导体激光器2分别发出特定波长的近红外光，第一半导体激光器1、第二半导体激光器2输出的近红外光分别传输到第二光开关3，通过控制第二光开关3的两个输入端的打开和闭合，使两束激光分时传输到掺铒光纤放大器4中，实现对激光功率的放大，放大后的激光传输到第
一光开关6的输入端，第一光开关6的输出端分别连接了第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14，通过切换第一光开关6输出端使激光经光纤阵列15中的一根分别传输到第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14。探头中的待测气体分子吸收激光能量并跃迁到高能级，光能通过无辐射跃迁释放能量，引起传感探头内气体膨胀，由于激光被周期信号调制，因此传感探头内气体也周期性热胀冷缩，形成声压，推动传感探头内声波敏感膜片18的悬臂梁结构181的自由端周期性振动。
[0047]
最后，光纤宽谱光源7发射宽谱光经光纤环形器8入射到第三光开关9输入端，第三光开关9输出端连接光纤光声传感探头顺序和第一光开关6一致，并且输出端切换控制和第一光开关6同步，输出的宽谱光经多芯光纤阵列15中的另一根分别传输到第一光纤光声传感探头12、第二光纤光声传感探头13、第三光纤光声传感探头14并照射到传感探头内声波敏感膜片18上的悬臂梁结构181的自由端；光纤端面20与传感探头内声波敏感膜片18的悬臂梁结构181形成低细度的光纤法布里-珀罗干涉腔，干涉腔的两个面反射宽谱光形成干涉光谱，经多芯光纤阵列15传输到第三光开关9并通过光纤环形器8输出到光谱仪10；当声波作用在声波敏感膜片18时，引起法布里-珀罗干涉腔长变化，光谱仪10检测的干涉光谱峰值发生移动；干涉光谱由工控机11进行采集，采用高速光谱解调法获得干涉腔的动态腔长，通过测量干涉腔的腔长变化计算光声信号的幅度，工控机11根据标定系数得到待测气体的浓度并显示出来。
[0048]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。