基于低相干光纖微分干涉非接觸測振的光聲光譜測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及白光干涉測量技術領域和氣體光聲光譜測量技術領域，具體為一種基 于低相干光纖微分干涉非接觸測振的光聲光譜測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 光聲光譜氣體檢測技術起源于1880年，早期受限于低功率光源及低靈敏度聲波 探測工具，技術發(fā)展受到限制，20世界60年代開始，得益于激光器的問世和高靈敏度探測 工具的發(fā)展，光聲光譜技術進入到了一個快速發(fā)展的階段。激光本身的高功率、方向性單色 性好等優(yōu)點有效地增強了光聲光譜信號的強度，提高了探測靈敏度；高靈敏度的麥克風、壓 電陶瓷、石英音叉等聲學傳感器的出現(xiàn)不僅增加了光聲光譜技術的多樣性，而且使該技術 的性能獲得了質的飛躍。
[0003] 光聲光譜系統(tǒng)具有結構簡單、可靠性好、測量效率高等優(yōu)點，其測量技術先進，代 表著未來氣體安全檢測發(fā)展趨勢。雖然光聲光譜技術研究和應用取得了很大的進步，但是 在光聲信號獲得和解調方面仍存在以下技術缺陷：
[0004] 1.光強度調制帶來光壓振動干擾，影響信號解調結果；
[0005] 2.大部分光聲光譜技術傳聲系統(tǒng)米用電動式和電容式傳聲器，電學傳聲器容易受 到電磁干擾，噪聲大，影響信號解調結果。
[0006] 白光干涉原理早在1975年被提出，1983年，白光干涉原理首次在光纖傳感技術中 得到應用。在1985年到1989年期間，白光干涉原理被廣泛用于壓力、溫度和應變測量的 研究中。自1990年以后，光纖白光測量技術持續(xù)發(fā)展，并逐漸形成為一個研究方向，它 所具有的優(yōu)點被眾多的研究者所揭示并認可?，F(xiàn)在白光干涉技術已經得到廣泛的應用，可 以測量的物理量也明顯增多。
[0007] 白光干涉測量方法有時也稱為低相干測量方法，在這種干涉測量方法中使用的是 低相干、寬帶光源，例如：光纖ASE光源和發(fā)光二極管LED，所以我們把這種干涉測量法通常 稱為"白光"干涉測量方法，可以對物理量進行絕對測量，測量范圍寬。與相干光源相比，白 光干涉相干長度短，常為微米量級。因此，白光干涉測量技術具有以下優(yōu)點：
[0008] 1.白光干涉測量技術可以對位移，壓力、振動、應力、應變、濕度、溫度等物理參量 以及生化參量的進行絕對測量；
[0009] 2.由于采用的是低相干光源，系統(tǒng)抗干擾能力很強，系統(tǒng)的分辨率與光源波長的 穩(wěn)定性、光源功率的波動、光纖的擾動等因素均無關；
[0010] 3.低相干光源價格低廉，降低了系統(tǒng)成本，白光干涉系統(tǒng)結構簡單；
[0011] 4.光纖白光干涉儀可以實現(xiàn)多路復用。
[0012] 然而，當白光干涉測量技術應用于振動測量時，為測量出振幅和頻率等振動信息， 需要對光電轉換輸出進行信號解調。在一些調制和解調中，像經典外差解調法，偽外差解調 法、合成外差法和PGC(相位生成載波）解調技術，需要外加一個調制元件，測量系統(tǒng)的動態(tài) 范圍受調制頻率的限制。
[0013] 本發(fā)明擬利用低相干光纖微分干涉儀和三路探測的無源解調算法進行氣體光聲 光譜測量，以解決上述問題，尚未發(fā)現(xiàn)任何專利和文獻有關于此種測量方法的披露。

【發(fā)明內容】

[0014] 針對現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供一種基于低相干光纖微分干涉非接觸測振的 光聲光譜測量裝置及方法。
[0015] 為實現(xiàn)以上技術目的，本發(fā)明的技術方案是：
[0016] 基于低相干光纖微分干涉非接觸測振的光聲光譜測量裝置，包括ASE光源、第一 環(huán)形器、第二環(huán)形器、第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、延遲光纖、第一光纖接頭、第二 光纖接頭、陶瓷套管、高靈敏度壓力敏感膜片、具有PZT調制器的光纖光柵、第一光電探測 器、第二光電探測器、第三光電探測器、數(shù)據(jù)采集單元和計算機；
[0017] 所述第一耦合器的端口A與ASE光源相連、端口B和端口C分別與第一環(huán)形器的 端口A和第二環(huán)形器的端口A相連；所述第二耦合器的端口A和端口C分別通過第一光電 探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集單元相連，端口B與第一環(huán)形器的端口B相連，端口D 通過延遲光纖與第三耦合器的端口A相連，端口E與第三耦合器的端口B相連；所述第三耦 合器的端口C與第一光纖接頭相連；所述第一環(huán)形器的端口C通過第二光電探測器與數(shù)據(jù) 采集單元相連；所述第二環(huán)形器的端口B和端口C分別與具有PZT調制器的光纖光柵和第 二光纖接頭相連；所述第一光纖接頭與第二光纖接頭由陶瓷套管固定構成微型光聲池，且 高靈敏度壓力膜片設在第一光纖接頭的光纖插芯表面，所述微型光聲池內充有待測氣體； 所述數(shù)據(jù)采集單元與計算機相連。
[0018] 從以上描述可以看出，本技術方案具備以下優(yōu)點：
[0019] 1.采用低相干光源和普通光纖器件，結構簡單，成本低；
[0020] 2.探測光光路采用馬赫曾德和賽格納克混合干涉儀結構；
[0021] 3.光路結構本身對噪聲、溫度、應力等低頻擾動不敏感；
[0022] 4.利用三路探測的無源解調方法測量振動信息，測量動態(tài)范圍大，實現(xiàn)了光纖白 光干涉的遠距離非接觸絕對幅值測量；
[0023] 5.利用光纖光柵實現(xiàn)波長選擇和波長調制，解決了以往文獻中出現(xiàn)的光壓振動干 擾問題；
[0024] 6.利用第一光纖接頭、第二光纖接頭、陶瓷套管和高靈敏度壓力膜片構成微型光 聲池，不僅對聲壓靈敏度高而且體積小結構輕巧，不易受電磁干擾。
[0025] 作為優(yōu)選，所述第一耦合器端口B與端口C的分光比為20:80。
[0026] 作為優(yōu)選，所述高靈敏度壓力膜片為PMMA-石墨稀復合膜片；石墨稀薄膜材料性 能優(yōu)良，滿足更高的光學性能要求。
[0027] 作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集單元采用NI公司的PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡。
[0028] 基于低相干光纖微分干涉非接觸測振的光聲光譜測量方法，其步驟為：
[0029]A.ASE光源發(fā)出光，經第一親合器分成兩束，一束作為激發(fā)光輸出，另一束作為探 測光輸出；
[0030] B.激發(fā)光進入第二環(huán)形器、經由光纖光柵進行波長選擇和波長調制，出射到微型 光聲池，微型光聲池內的待測氣體被激發(fā)，產生聲光效應，引起高靈敏度壓力敏感膜片振 動；
[0031] C.探測光經第一環(huán)形器進入第二耦合器，所述第二耦合器將光分成三束，其中兩 束進入第三耦合器且兩束中有一束經延遲光纖進入第三耦合器，第三耦合器輸出的探測光 傳輸?shù)轿⑿凸饴暢?，然后從高靈敏度壓力敏感膜片的表面返回，返回的探測光再次進入第 三耦合器，第三耦合器將其分成兩束，一束經延遲光纖進入第二耦合器，另一束直接進入第 二耦合器，第二耦合器再將接收到的返回探測光分成三束輸出，一束經第一環(huán)形器后由第 二光電探測器接收，另外兩束分別由第一光電探測器和第三光電探測器接收；
[0032] D.第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器分別將接收的返回光信號 轉換為電信號傳輸給數(shù)據(jù)采集單元；
[0033] E.數(shù)據(jù)采集單元將電信號進行A/D轉化后傳輸給計算機；
[0034] F.計算機通過軟件將接收到的電信號進行解調，得出待測氣體濃度信息，具體解 調方法為：
[0035] 入射到第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器的光生電流分別為：
_ \ -./ 一 ^[0039] 上式中，E。是光源光強的1/36,ω為調制信號的角頻率。為簡化表達式，定義
[0036]
[0037]
[0038]
，因此上式可簡化為：
[0040] Nl =D+Ecos ( Φ -2 π /3)
[0041] V2= D+Ecos Φ
[0042] V3= D+Ecos ( Φ +2 π /3)
[0043] UK為輸出的電壓值，Φ即是待解調信號，計算步驟如下：
[0044] (a)計算三路信號的直流量D的平均值：
[0045] D = (V1+V2+V3) /3
[0046] (b)二路彳目號消去直流項D后得：
[0047] a = Ecos ( Φ