本發(fā)明屬于光聲光譜氣體傳感，涉及一種抑制環(huán)境噪聲干擾的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、體積小且靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，非常適合各種復(fù)雜環(huán)境下的氣體檢測(cè)。其中，聲波敏感元件的靈敏度是決定傳感系統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)的核心因素。通過(guò)選擇更高靈敏度的聲波敏感元件，可以有效地提高光纖光聲氣體傳感器的檢測(cè)指標(biāo)。然而，系統(tǒng)的高靈敏度也伴隨著穩(wěn)定性的降低，這使得傳感器更容易受到外部干擾影響檢測(cè)，例如，在溶解氣體分析領(lǐng)域，大型電氣設(shè)備周圍有很強(qiáng)的噪聲干擾；在石油化工和煤礦環(huán)境中，重型挖掘設(shè)備的噪聲和環(huán)境中的低頻噪聲信號(hào)干擾會(huì)嚴(yán)重影響光聲檢測(cè)裝置的精度與可靠性。此外，露天環(huán)境中的風(fēng)擾動(dòng)和機(jī)械損傷也是影響檢測(cè)穩(wěn)定性的重要因素。差分原理是一種簡(jiǎn)單有效的干擾抑制方法。文獻(xiàn)differential?cantileverenhanced?fiber-optic?photoacoustic?sensor?for?diffusion?gasdetection.analytical?chemistry,96.11(2024):4562–4569中針對(duì)光纖光聲傳感器易受外界振動(dòng)和噪聲干擾的問(wèn)題，提出了一種用于擴(kuò)散氣體檢測(cè)的差分懸臂增強(qiáng)型光纖光聲傳感器，該傳感器由兩根尺寸相同的光聲管和一對(duì)差分干涉懸臂組成。其中一個(gè)懸臂探測(cè)包含外部噪聲干擾的光聲信號(hào)，另一個(gè)懸臂僅用于探測(cè)外部噪聲，通過(guò)對(duì)兩個(gè)懸臂探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行差分抑制環(huán)境噪聲干擾。然而雙懸臂差分的檢測(cè)方案需要保證兩個(gè)懸臂聲學(xué)靈敏度一致且振動(dòng)相位相同，這在實(shí)際加工與制作中很難保證。同時(shí)，雙懸臂需要同時(shí)解調(diào)，這也增加了解調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。因此，設(shè)計(jì)一種具有高穩(wěn)定性且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的抑制環(huán)境噪聲干擾的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抑制環(huán)境噪聲干擾的光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)及方法，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高且在強(qiáng)噪聲環(huán)境下具有較強(qiáng)穩(wěn)定性?？梢杂行Ы鉀Q傳統(tǒng)光纖光聲傳感器易受環(huán)境噪聲干擾、系統(tǒng)復(fù)雜差等問(wèn)題，進(jìn)一步拓展光纖光聲傳感技術(shù)在有復(fù)雜干擾環(huán)境中的應(yīng)用。

2、本發(fā)明的原理如下：附圖所示的對(duì)稱光纖光聲傳感探頭以懸臂型聲波敏感膜片為對(duì)稱軸，兩側(cè)氣腔結(jié)構(gòu)完全相同，分別作為信號(hào)腔與參考腔。由于激光僅在懸臂型聲波敏感膜片一側(cè)的氣腔(信號(hào)腔)內(nèi)傳輸，因此與氣體濃度呈正比的光聲信號(hào)僅在信號(hào)腔內(nèi)產(chǎn)生。由于兩側(cè)氣腔為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，耦合進(jìn)入信號(hào)腔和參考腔的噪聲幅值和相位相同。在這種情況下，光聲信號(hào)從一個(gè)方向?qū)冶坌吐暡舾心て饔檬蛊湔駝?dòng)，而環(huán)境噪聲分別從兩個(gè)方向以相同的力使懸臂型聲波敏感膜片振動(dòng)，且使膜片振動(dòng)方向相反，這導(dǎo)致兩個(gè)振動(dòng)狀態(tài)相互抵消從而使膜片保持穩(wěn)定。因此傳感探頭僅能響應(yīng)光聲信號(hào)而抑制環(huán)境噪聲干擾。

3、本發(fā)明的技術(shù)方案：

4、一種抑制環(huán)境噪聲干擾的光纖光聲氣體傳感系統(tǒng)，包括窄線寬激光器1、雙芯光纖2、對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3、寬譜探測(cè)光源4、光環(huán)形器5、光譜儀6和控制電路7；控制電路7分別與窄線寬激光器1、光譜儀6相連，窄線寬激光器1通過(guò)雙芯光纖2分別與對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3、光環(huán)形器5相連，光環(huán)形器5分別與寬譜探測(cè)光源4、光譜儀6相連；控制電路7驅(qū)動(dòng)窄線寬激光器1輸出激光，經(jīng)過(guò)雙芯光纖2連接到對(duì)稱光纖聲波傳感探頭3；寬譜探測(cè)光源4發(fā)出的寬譜光經(jīng)由光環(huán)形器5進(jìn)入雙芯光纖2，在對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3中發(fā)生干涉，返回的干涉信號(hào)經(jīng)由光環(huán)形器5傳輸給光譜儀6，干涉光譜傳輸給控制電路7進(jìn)行處理和顯示。

5、所述的對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3包括信號(hào)通道激光準(zhǔn)直器8a、參考通道激光準(zhǔn)直器8b、信號(hào)腔9、參考腔10、懸臂型聲波敏感膜片11、信號(hào)通道陶瓷插針12a、參考通道陶瓷插針12b、信號(hào)通道擴(kuò)散孔13a和參考通道擴(kuò)散孔13b；對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3整體以懸臂型聲波敏感膜片11為對(duì)稱軸，信號(hào)通道激光準(zhǔn)直器8a、參考通道激光準(zhǔn)直器8b對(duì)稱位于對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3的兩端，二者相同；信號(hào)通道激光準(zhǔn)直器8a、參考通道激光準(zhǔn)直器8b分別通入至信號(hào)腔9、參考腔10；信號(hào)通道陶瓷插針12a、參考通道陶瓷插針12b在對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3中對(duì)稱設(shè)置，二者相同；信號(hào)通道陶瓷插針12a、參考通道陶瓷插針12b對(duì)應(yīng)位于信號(hào)腔9、參考腔10的外側(cè)，信號(hào)通道陶瓷插針12a、參考通道陶瓷插針12b端面對(duì)準(zhǔn)懸臂型聲波敏感膜片11的自由端，構(gòu)成兩個(gè)腔長(zhǎng)相同的f-p微腔，兩個(gè)f-p微腔與信號(hào)腔9、參考腔10末端的空氣連通；信號(hào)腔9和參考腔10在對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3中對(duì)稱設(shè)置，二者相同；信號(hào)通道擴(kuò)散孔13a、參考通道擴(kuò)散孔13b對(duì)稱開于對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3的側(cè)壁，二者相同；信號(hào)通道擴(kuò)散孔13a、參考通道擴(kuò)散孔13b分別通入至信號(hào)腔9、參考腔10中，信號(hào)通道擴(kuò)散孔13a和參考通道擴(kuò)散孔13b的直徑小于1.5mm且深度不超過(guò)5mm。

6、所述控制電路7包含光譜采集、快速傅里葉變換、數(shù)字鎖相放大和驅(qū)動(dòng)窄線寬激光器的功能。

7、所述的寬譜探測(cè)光源4是近紅外寬帶光源，中心波長(zhǎng)為1550nm，譜寬不小于40nm。

8、所述的光譜儀6的波長(zhǎng)范圍為1525-1570nm，幀速高于15khz。

9、所述的信號(hào)通道陶瓷插針12a和參考通道陶瓷插針12b距離懸臂型聲波敏感膜片11的長(zhǎng)度相同且范圍為0.15mm-1mm。

10、一種抑制環(huán)境噪聲干擾的光纖光聲氣體傳感方法，激光入射到對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3，激發(fā)待測(cè)氣體產(chǎn)生光聲信號(hào)，引起懸臂型聲波敏感膜片11振動(dòng)，噪聲耦合進(jìn)入信號(hào)腔9、參考腔10，以相同的力作用在懸臂型聲波敏感膜片11兩側(cè)并被抵消；寬譜探測(cè)光源4入射到對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3內(nèi)發(fā)生干涉，懸臂型聲波敏感膜片11振動(dòng)導(dǎo)致干涉光譜相位變化被光譜儀6探測(cè)并由控制電路7解調(diào)光聲信號(hào)幅度。具體步驟如下：

11、首先，待測(cè)氣體和環(huán)境噪聲通過(guò)信號(hào)通道擴(kuò)散孔13a和參考通道擴(kuò)散孔13b進(jìn)入對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3內(nèi)的信號(hào)腔9和參考腔10；控制電路7驅(qū)動(dòng)窄線寬激光器1，窄線寬激光器1發(fā)射的激光經(jīng)雙芯光纖2耦合進(jìn)入對(duì)稱光纖光聲傳感探頭3，經(jīng)信號(hào)通道激光準(zhǔn)直器8a準(zhǔn)直后入射進(jìn)入信號(hào)腔9中激發(fā)光聲信號(hào)，光聲信號(hào)引起懸臂型聲波敏感膜片11振動(dòng)；此外，外部環(huán)境噪聲從懸臂型聲波敏感膜片11兩側(cè)以相同的力使懸臂型聲波敏感膜片11向兩個(gè)相反的方向振動(dòng)，這導(dǎo)致兩個(gè)振動(dòng)狀態(tài)相互抵消，從而導(dǎo)致懸臂型聲波敏感膜片11振動(dòng)僅與光聲信號(hào)有關(guān)，為保證懸臂兩側(cè)相同幅值與相位的力引起懸臂振動(dòng)的幅度相同，信號(hào)腔9與參考腔10結(jié)構(gòu)完全一致，信號(hào)通道激光準(zhǔn)直器8a安裝位置的對(duì)稱位安裝有參考通道激光準(zhǔn)直器8b，信號(hào)通道陶瓷插針12a安裝位置對(duì)稱位安裝有參考通道陶瓷插針12b。

12、然后，懸臂型聲波敏感膜片11與信號(hào)通道陶瓷插針12a構(gòu)成一個(gè)微型法布里-珀羅(f-p)干涉腔，寬譜探測(cè)光源4發(fā)出的寬譜光經(jīng)光環(huán)形器5和雙芯光纖2，在懸臂型聲波敏感膜片11的內(nèi)表面與信號(hào)通道陶瓷插針12a的端面之間發(fā)生f-p干涉，當(dāng)懸臂型聲波敏感膜片11振動(dòng)時(shí)，f-p腔長(zhǎng)發(fā)生變化，從而引發(fā)干涉光譜的相位變化；干涉光經(jīng)雙芯光纖2和光環(huán)形器5傳輸進(jìn)入光譜儀6，控制電路7采集干涉光譜信息并解調(diào)出f-p腔長(zhǎng)，從而反演出氣體的濃度。

13、本發(fā)明的有益效果：對(duì)稱光纖光聲傳感探頭兩側(cè)氣腔結(jié)構(gòu)一致，方向相反，利用耦合進(jìn)入探頭兩側(cè)氣腔的外部噪聲對(duì)懸臂型聲波敏感膜片作用力幅度相同但相位相反的特點(diǎn)，使膜片振動(dòng)狀態(tài)相互抵消從而保持穩(wěn)定，達(dá)到了抵抗外部噪聲干擾的效果。單個(gè)懸臂型聲波敏感膜片本身既作為信號(hào)感測(cè)元件又用于消聲，精簡(jiǎn)了傳統(tǒng)基于雙懸臂差分降噪方案的結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理過(guò)程。本發(fā)明方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、響應(yīng)速度快且在強(qiáng)噪聲環(huán)境下具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，為光纖光聲氣體傳感技術(shù)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境和強(qiáng)噪聲環(huán)境中的微量氣體傳感提供了一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)方案。