一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置。

本发明还涉及一种补偿动态损耗的多点气体浓度的检测方法。

背景技术

光纤气体传感技术是一种新兴的气体传感检测技术，近年来，煤矿爆炸事故频发，家庭天然气泄露事件也时有发生，使得光纤气体传感器的研究成为了气体传感器的热点。光纤气体传感器具有传输功率损耗小，抗电磁干扰能力强，耐高温、耐高压、抗腐蚀，阻燃防爆，易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等优点。尤其在恶劣环境下的在线、连续监测方面发挥着重要作用，有着不可替代的优势。

现阶段，随着生活水平的提高，关注的热点已经转变为生态环境和人类健康，因此对一些有害的痕量气体检测对保证我们人类的安全显得尤为重要。在一些工作车间和矿业开采过程中，对于一些痕量气体的检测更为精密，而且还能实现分布式多点检测，但是当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光的强度会在逐渐减弱，光线弯曲以及串联气室前端检测气室吸收引起的动态损耗等因素也会影响传输质量，因此补偿传输过程中的动态损耗可以实现对痕量气体的高精度检测，对于实现分布式多点测量有着重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置。本发明在传统光声光谱多点气体检测系统的基础上增加一个激光发射器，可消除在气体检测中的弯曲损耗和前端气室对后端气室气体检测的吸收损耗影响。

本发明还提出了一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测方法，该方法在技术上更具有优势，具有很高的可行性，可大大提高多点气体检测中的测量精度，可以消除动态损耗对光功率波动的影响。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置，包括信号发生器、电压加法器、两个激光发射器、三个光声池、三个前置放大电路、锁相放大器、数据采集系统和计算机处理系统；

所述两个激光发射器分别为第一激光发射器、第二激光发射器；

所述三个光声池的型号、大小相同，所述每个光声池包括两个缓冲室、一个光声谐振腔、进气口、出气口、微音器、前置准直器和后置准直器，其中光声谐振腔呈圆柱形；所述三个光声池分别为第一光声池、第二光声池、第三光声池；

所述三个前置放大电路分别为第一前置放大电路、第二前置放大电路、第三前置放大电路；

所述信号发生器的信号输出端与电压加法器相连接，电压加法器的两个输出端分别与第一激光发射器、第二激光发射器连接；

所述三个光声池相串联，即：第一光声池的后置准直器与第二光声池的前置准直器相连接，第二光声池的后置准直器与第三光声池的前置准直器相连接；所述第一激光发射器的输出端与第一光声池的前置准直器相连接，第二激光发射器的输出端与第三光声池的后置准直器相连接；

所述三个光声池中的微音器分别与三个前置放大电路相连接，即第一光声池中的微音器与第一前置放大电路的输入端相连接，第二光声池中的微音器与第二前置放大电路的输入端相连接，第三光声池中的微音器与第三前置放大电路的输入端相连接；

所述第一前置放大电路、第二前置放大电路、第三前置放大电路的输出端均与锁相放大器的输入端相连接，所述锁相放大器的输出端与数据采集系统的输入端连接，所述数据采集系统的输出端与计算机处理系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述两个激光发射器均为型号相同的蝶形分布反馈半导体激光器。

作为本发明的进一步改进，所述第一光声池包含固定浓度参考信息，称之为“参考气室”，第二光声池、第三光声池包含待测未知浓度信息，分别称之为“第一待测气室”、“第二待测气室”。

一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测方法，包括以下步骤：

a、先将信号发生器输出的正弦波和锯齿波通过电压加法器进行叠加，形成调制光作为第一激光发射器和第二激光发射器的驱动信号；

第一激光发射器发出的激光束通过三个光声池中的前置准直器先后进入参考气室、第一待测气室、第二待测气室，得到一组各气室的二次谐波信号，然后关闭第一激光发射器，打开第二激光发射器，由第二激光发射器发出的激光通过三个光声池中的后置准直器先后进入第二待测气室、第一待测气室、参考气室，再次得到一组三个气室的二次谐波信号；通过得到不同的谐波信号及相乘特定算法最后可反演出待测气室浓度信息。

b、激光束进入参考气室后穿过缓冲室和光声谐振腔，缓冲室结构的存在既可以保证声波在光声谐振腔中为半个波长模式，且有一个波腹和两个波节的状态，又可以减小光声谐振腔内光声信号受到相关噪声的干扰；而激光束穿过光声谐振腔时，调制光被气体吸收能量，由光声效应产生的声波，光声谐振腔壁上产生共振，使声波信号增强；其余两个待测气室均适用该原理；声波信号由微音器探测，微音器探测输出的电流信号经前置放大电路转换成电压信号，由锁相放大器提取，最后由数据采集系统收集谐波信号。

c、通过数据采集系统将二次谐波信号收集传输到计算机处理系统，将两组信号中各个气室的二次谐波信号分别相乘，得到各气室二次谐波信号的平方值，再将参考气室二次谐波信号的平方值与第一待测气室二次谐波信号的平方值相除、参考气室二次谐波信号的平方值与第二待测气室二次谐波信号的平方值相除，可以补偿系统中的动态损耗，间接反应所测气室气体浓度；计算机处理系统计算由此相乘特定算法反演出两个待测气室的气体浓度。

进一步的，所述步骤a中信号发生器输出的两种波形为正弦波和锯齿波。

本发明的有益效果是：通过在传统光声光谱多点气体检测系统的基础上增加一个激光发射器，先打开第一激光发射器发出的激光通过气室后产生的谐波电流信号经前置放大电路转换成电压信号，由锁相放大器提取一组三个气室的二次谐波信号。接着关闭第一激光发射器打开第二激光发射器，第二激光发射器发出的激光束通过气室后产生的谐波电流信号经前置放大电路转换成电压信号，由锁相放大器再次提取一组三个气室的二次谐波信号。由数据采集系统收集数据，在计算机处理系统中进行数据处理。将两组各个气室的信号相乘，得到各个气室信号的平方，再将参考气室与各个待测气室信号平方相除，能够消除光纤弯曲损耗、气室的吸收损耗的影响，间接反应所测气室气体浓度。能实现高精度，长距离多点检测。同时降低了连接光纤的数量，提高了整个系统检测的稳定性，具有成本低，实用价值高的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明和阐述，以使本发明的优点和特征能更易于本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。

参照图1，本发明提供的一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置，包括信号发生器1、电压加法器2、两个激光发射器、三个光声池、三个前置放大电路、锁相放大器11、数据采集系统12和计算机处理系统13；

所述两个激光发射器分别为第一激光发射器3、第二激光发射器4；

所述三个光声池的型号、大小相同，所述每个光声池包括两个缓冲室、一个光声谐振腔、进气口、出气口、微音器、前置准直器和后置准直器，其中光声谐振腔呈圆柱形；所述三个光声池分别为第一光声池5、第二光声池6、第三光声池7；

所述三个前置放大电路分别为第一前置放大电路8、第二前置放大电路9、第三前置放大电路10；

所述信号发生器1的信号输出端与电压加法器2相连接，电压加法器2的两个输出端分别与第一激光发射器3、第二激光发射器连接4；

所述三个光声池相串联，即：第一光声池5的后置准直器52与第二光声池6的前置准直器61相连接，第二光声池6的后置准直器62与第三光声池7的前置准直器71相连接；所述第一激光发射器3的输出端与第一光声池5的前置准直器51相连接，第二激光发射器4的输出端与第三光声池7的后置准直器72相连接；

所述三个光声池中的微音器分别与三个前置放大电路相连接，即第一光声池5中的微音器53与第一前置放大电路8的输入端相连接，第二光声池6中的微音器63与第二前置放大电路9的输入端相连接，第三光声池7中的微音器73与第三前置放大电路10的输入端相连接；

所述第一前置放大电路8、第二前置放大电路9、第三前置放大电路10的输出端均与锁相放大器11的输入端相连接，所述锁相放大器11的输出端与数据采集系统12的输入端连接，所述数据采集系统12的输出端与计算机处理系统13连接。

作为本发明的进一步改进，所述两个激光发射器均为型号相同的蝶形分布反馈半导体激光器。

作为本发明的进一步改进，所述第一光声池5包含固定浓度参考信息，称之为“参考气室”，第二光声池6、第三光声池7包含待测未知浓度信息，分别称之为“第一待测气室”、“第二待测气室”。

本发明中信号发生器的信号输出端与电压加法器相连接，电压加法器的输出端连接有第一激光发射器3和第二激光发射器4，第一激光发射器3的输出端与第一光声池5中的前置准直器51相连接，第二激光发射器4的输出端与第三光声池7中的后置准直器72相连接。本发明的光路上设有三个型号、大小完全相同的光声池，即第一光声池5、第二光声池6、第三光声池7，其中第一光声池5包含固定浓度参考信息，称之为“参考气室”，第二光声池6和第三光声池7包含待测未知浓度信息，分别称之为“第一待测气室”、“第二待测气室”。使用时首先打开第一激光发射器3，发出的激光由第一光声池5的前置准直器51进入参考气室，激光束由第一光声池5的前置准直器51对准，穿过参考气室的缓冲室和光声谐振腔54，再由第一光声池5的后置准直器52收集。激光束由第二光声池6的前置准直器61进入第二光声池6，激光束穿过第一待测气室的缓冲室和光声谐振腔64，再由第二光声池6的后置准直器62收集。激光束再由第三光声池7的前置准直器71进入第三光声池7，激光束穿过第二待测气室的缓冲室和光声谐振腔74，再由第三光声池7的后置准直器72收集。得到三个气室的二次谐波信号后再关闭第一激光发射器3，打开第二激光发射器4，发出的激光由第三光声池7的后置准直器72进入第二待测气室，所述激光束由第三光声池7的后置准直器72对准，穿过第二待测气室的缓冲室和光声谐振腔74，再由第三光声池7的前置准直器71收集。激光束由第二光声池6的后置准直器62进入第一待测气室，激光束穿过第一待测气室的缓冲室和光声谐振腔64，再由第二光声池6的前置准直器61收集。激光束再由第一光声池5的后置准直器52进入参考气室，穿过参考气室的缓冲室和光声谐振腔54，再由第一光声池5的前置准直器51收集起来，得到另一组三个气室的二次谐波信号。在本发明中每个光声池的声波波腹处设置微音器53、63、73，微音器53、63、73输出端分别与相对应的前置放大电路8、9、10相连接，三个前置放大电路8、9、10的信号输出端均连接至锁相放大器11。锁相放大器11的另一端与数据采集系统12相连再将采集到的信号传到计算机处理系统13。

一种补偿动态损耗的多点气体浓度检测方法，包括以下步骤：

a、先将信号发生器输出的正弦波和锯齿波通过电压加法器进行叠加，形成调制光作为第一激光发射器和第二激光发射器的驱动信号；

第一激光发射器发出的激光束通过三个光声池中的前置准直器先后进入参考气室、第一待测气室、第二待测气室，得到一组各气室的二次谐波信号，然后关闭第一激光发射器，打开激光第二发射器，由第二激光发射器发出的激光通过三个光声池中的后置准直器先后进入第二待测气室、第一待测气室、参考气室，再次得到一组三个气室的二次谐波信号；通过得到不同的谐波信号及相乘特定算法最后可反演出待测气室浓度信息。

b、激光束进入参考气室后穿过缓冲室和光声谐振腔，缓冲室结构的存在既可以保证声波在光声谐振腔中为半个波长模式，且有一个波腹和两个波节的状态，又可以减小光声谐振腔内光声信号受到相关噪声的干扰；而激光束穿过光声谐振腔时，调制光被气体吸收能量，由光声效应产生的声波，光声谐振腔壁上产生共振，使声波信号增强；其余两个待测气室均适用该原理；声波信号由微音器探测，微音器探测输出的电流信号经前置放大电路转换成电压信号、由锁相放大器提取，最后由数据采集系统收集谐波信号。

c、通过数据采集系统将二次谐波信号收集传输到计算机处理系统，将两组信号中各个气室的二次谐波信号分别相乘，得到各气室二次谐波信号的平方值，再将参考气室二次谐波信号的平方值与第一待测气室二次谐波信号的平方值相除、参考气室二次谐波信号的平方值与第二待测气室二次谐波信号的平方值相除，可以补偿系统中的动态损耗，间接反应所测气室气体浓度。计算机处理系统计算由此相乘特定算法反演出两个待测气室的气体浓度。

进一步的，所述步骤a中信号发生器输出的两种波形为正弦波和锯齿波。

工作原理：

相乘特定算法：

将上述补偿动态损耗的多点气体浓度检测装置连接好，将待测气体充入气室内；

A：参考气室；B：第一待测气室；C：第二待测气室

L：第一激光发射器到第一光声池的前置准直器距离、第一光声池的后置准直器到第二光声池的前置准直器距离、第二光声池的后置准直器到第三光声池的前置准直器距离、第三光声池的后置准直器到第二激光发射器的距离同为L

l

l

ε：衰减系数；α：吸收系数

多点气体传感检测时，光声信号经过各级信号处理单元采集传输，并通过锁相放大器对信号的二次谐波进行提取，其中二次谐波公式可表示如下：

S

其中，S

在传输过程中，总会受到自身或者外界环境的影响，产生光纤弯曲损耗，光纤插入损耗，以及前端气室的吸收对后面气室气体检测影响。这部分动态损耗最直接的体现为入射激光能量减弱、光功率产生衰减。那么由锁相放大器提取的二次谐波信号也随之产生衰减。在这里使第一激光发射器到第一光声池的前置准直器距离、第一光声池的后置准直器到第二光声池的前置准直器距离、第二光声池的后置准直器到第三光声池的前置准直器距离、第三光声池的后置准直器到第二激光发射器的距离同为L，因为存在光纤弯曲抖动损耗，在其每一段上的衰减系数为ε，则经过衰减后的光功率为P＝(1-ε)·P

打开第一激光发射器可以测得三个气室的二次谐波信号，以参考气室A和第一待测气室B为例：

左A：

左B：

关闭第一激光发射器，打开第二激光发射器，也可以测得三个气室的二次谐波信号，参考气室A和第一待测气室B的信号表示如下：

右A：

右B：

本发明提出了一种补偿光纤传感系统中动态的多点气体浓度检测方法，即增加一个激光发射器，先后打开第一激发发射器和第二激光发射器，测得两组三个气室的二次谐波信号，将两组各个气室的二次谐波信号相乘得到每个气室二次谐波信号的平方，参考气室气体浓度已知，再将每个待测气室分别与参考气室的二次谐波信号平方做比值，通过比值可以得到待测气室浓度与两个气室二次谐波信号平方比和参考气室浓度之间的关系。即

将(2)(3)(4)(5)带入式(6)中可得：

S

令，那么上式可简化成：

因为当光声池与微音器的型号不变化，锁相放大器与激光振幅调制之间的相位差不人为的发生改变时，麦克风灵敏度S

且三个气室是型号、大小完全相同的光声池，则l＝l

在此公式可得到待测气室B浓度与两个气室二次谐波信号平方比和参考气室A浓度之间的关系为：

(10)式中，待测气室和参考气室二次谐波信号可经锁相放大器获得，参考气室A气体浓度已知，其余参数都为常数，仅剩待测气室B浓度C

此方法对于参考气室A和第二待测气室C同样适用，经过上述相乘特定算法计算得，令

即

在此关系式中，待测气室和参考气室二次谐波信号可经锁相放大器取，参考气室A气体浓度已知，其余参数都为常数，仅剩待测气室C浓度C

提出了一种补偿光纤传感系统中动态的多点气体浓度检测方法，即增加一个激光发射器，先后打开激发发射器一和激光发射器二，测得两组三个气室的二次谐波信号，将两组各个气室的二次谐波信号相乘得到每个气室二次谐波信号的平方，参考气室气体浓度已知，再将每个待测气室分别与参考气室的二次谐波信号平方做比值，通过化简可得到(11)、(14)式，通过两个式子可以看出仅剩待测气室浓度未知，而且通过相乘特定算法，可以将光纤抖动弯曲损耗和前端气室气体吸收造成的光功率损耗分量同时约去，得到更精确的痕量气体浓度。

在多点气体检测中，此方法能够补偿包括光纤弯曲抖动损耗、前端气室气体吸收对后端气室造成的光功率损耗等动态的影响，在实现长距离多点气体检测的同时，达到更高精度的测量。具有成本低、精度高、操作便捷、实用价值高等优点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。