【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及光聲光譜氣體檢測(cè)，尤其是涉及一種基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、第四次工業(yè)革命的到來(lái)使得各種傳統(tǒng)學(xué)科高度交叉和融合，誕生了如人工智能、納米科技、量子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域。由于以上領(lǐng)域?qū)π畔⒏兄男枨螅沟脤?duì)傳感技術(shù)的要求進(jìn)一步提升，例如傳感器的靈敏度、尺寸、功耗和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等。自20世紀(jì)60年代專(zhuān)利技術(shù)激光和光纖以來(lái)，光纖通信和相關(guān)技術(shù)取得巨大成功，這使得人類(lèi)通信的手段和方式得到極大的提高。依靠光通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，信息在人類(lèi)生活各方面的作用已達(dá)到不可估量的程度。在光通信技術(shù)發(fā)展的刺激和推動(dòng)下，光纖和相關(guān)設(shè)備的研究和開(kāi)發(fā)取得巨大的進(jìn)展。由于光纖本身的材質(zhì)為石英，因此相比于電纜，光纖抗電磁干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕并且抗化學(xué)腐蝕，光纖不僅可以低損耗、高速率和大帶寬地傳輸傳感器獲取的信息，同時(shí)其本身也可以作為傳感器。光纖傳感技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工業(yè)、交通、安全等多個(gè)領(lǐng)域。但是目前的光纖傳感技術(shù)在傳感速度和傳感分辨率上仍然受限制于光譜儀等光學(xué)測(cè)量?jī)x器，而微波光子學(xué)作為一門(mén)新興的融合學(xué)科結(jié)合了光學(xué)與微波的優(yōu)點(diǎn)，具有速度快、分辨率高和帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高速度、高靈敏度、高分辨率的傳感。
2、聲波是一種機(jī)械波，由物體的振動(dòng)產(chǎn)生，通過(guò)氣體、液體和固體傳播。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展及人民生活水平的提高，人們對(duì)研究聲波的需求越來(lái)越高。對(duì)聲波頻率、強(qiáng)度的測(cè)量及對(duì)聲波信號(hào)的還原是研究聲波的基礎(chǔ)。根據(jù)聲波的不同方面的性質(zhì)，可對(duì)聲波進(jìn)行分類(lèi)，不同的分類(lèi)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用及研究領(lǐng)域。聲波
3、光聲光譜法是一種吸收譜法,在痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，該方法利用物質(zhì)的吸收峰來(lái)識(shí)別物質(zhì)或是來(lái)增強(qiáng)光聲效應(yīng)，光聲信號(hào)的強(qiáng)度正比于入射光強(qiáng)以及氣體的濃度，通過(guò)測(cè)量聲壓即可得出氣體的濃度，因此聲壓傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。
4、現(xiàn)有技術(shù)可參考公告號(hào)為cn114046868b的專(zhuān)利，其公開(kāi)了一種高靈敏度的微波干涉振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中將微波干涉電信號(hào)帶入邁克爾遜干涉數(shù)學(xué)模型后，比對(duì)邁克爾遜干涉數(shù)學(xué)模型中二次和四次諧波的功率，或者比對(duì)邁克爾遜干涉數(shù)學(xué)模型中一次和三次諧波的功率，確定因所述振動(dòng)信號(hào)引起的相位變化，根據(jù)所述相位變化，計(jì)算出所述振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的目的是提供基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)膜片式f-p干涉懸臂梁體積大、靈敏度低、受溫度影響大的問(wèn)題，提高了探測(cè)信號(hào)的信噪比。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)提供了基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括f-p光纖傳感器，所述f-p光纖傳感器包括光纖底座和設(shè)置在所述光纖底座上方的光纖懸臂梁，所述光纖底座包括纖芯和設(shè)置在所述纖芯外圍的包層，所述光纖懸臂梁與所述包層之間設(shè)置有光纖段，所述光纖懸臂梁的上表面、遠(yuǎn)離所述支柱的一端均設(shè)置有納米結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移層。
3、優(yōu)選的，所述光纖段設(shè)置為空心，所述納米結(jié)構(gòu)設(shè)置為六邊形，所述納米所述轉(zhuǎn)移層厚度為500μm。
4、優(yōu)選的，所述光纖懸臂梁一端與所述光纖段結(jié)合，所述光纖懸臂梁遠(yuǎn)離所述光纖段的一端懸空在所述包層上方，所述光纖懸臂梁與所述包層的端面平行。
5、優(yōu)選的，所述光纖懸臂梁采用飛秒激光完成。
6、優(yōu)選的，還包括泵浦激光器、mzm調(diào)制器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、耦合器、可調(diào)光衰減器、光電探測(cè)器和反射鏡，所述泵浦激光器與所述mzm調(diào)制器的輸入端連接，所述mzm調(diào)制器的輸出端與所述耦合器的耦合輸入端連接，所述耦合器的第一輸出端通過(guò)所述可調(diào)光衰減器與所述反射鏡連接，所述耦合器的耦合輸出端通過(guò)所述光電探測(cè)器與所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接；所述mzm調(diào)制器將強(qiáng)度調(diào)節(jié)后的參考光傳輸給所述反射鏡；所述反射鏡在接收到強(qiáng)度調(diào)節(jié)后的參考光后，通過(guò)所述可調(diào)光衰減器將參考反射光傳輸給所述耦合器。
7、優(yōu)選的，所述光電探測(cè)器對(duì)微波干涉光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，獲得微波干涉電信號(hào)；所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)所述微波干涉電信號(hào)進(jìn)行分析。
8、優(yōu)選的，首先搭建f-p光纖傳感器，f-p傳感器的光強(qiáng)表示為：
9、
10、其中，r1和r2分別為鏡子的反射率。
11、優(yōu)選的，根據(jù)邁克爾遜干涉數(shù)學(xué)模型，所述光電探測(cè)器處光強(qiáng)描述為：
12、i＝a1mcos[2πf(t+lc/c+2(nls+(n+δn)(lf-p+δlf-p))/c)]
13、…+a2mcos[2πf(t+lc/c+2nlr/c)]
14、式中，a1和a2為反射光信號(hào)的光功率，m和f是微波信號(hào)的振幅和頻率，t為時(shí)間，lc為光信號(hào)和電信號(hào)共同經(jīng)歷的長(zhǎng)度，ls為傳感臂的長(zhǎng)度，lr為參考臂的長(zhǎng)度，n為光纖的折射率，c為真空中光速；
15、微波信號(hào)在經(jīng)歷兩路后的時(shí)延差，表示為：
16、δt0＝2n(ls+(n+δn)(lf-p+δlf-p)-lr/c)
17、對(duì)應(yīng)的相位差表示為：
18、
19、微波干涉的頻譜強(qiáng)度a表示為：
20、
21、通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得微波干涉譜，選取一個(gè)極值的頻率作為射頻信號(hào)調(diào)制電光調(diào)制器，最終獲得射頻強(qiáng)度與待測(cè)量的關(guān)系曲線：
22、i(δn,δlf-p)∝dc+cos(2π·frf(δt0(δn,δlf-p)))。
23、因此，本專(zhuān)利技術(shù)采用上述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，具有以下有益效果：
24、(1)利用激光直寫(xiě)方式研制光纖懸臂梁，克服傳統(tǒng)膜片式f-p干涉懸臂梁體積大、靈敏度低、受溫度影響大；
25、(2)采用微波干涉的方法提高探測(cè)信號(hào)的信噪比。
26、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
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1.一種基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括F-P光纖傳感器，其特征在于：所述F-P光纖傳感器包括光纖底座和設(shè)置在所述光纖底座上方的光纖懸臂梁，所述光纖底座包括纖芯和設(shè)置在所述纖芯外圍的包層，所述光纖懸臂梁與所述包層之間設(shè)置有光纖段，所述光纖懸臂梁的上表面、遠(yuǎn)離所述支柱的一端均設(shè)置有納米結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖段設(shè)置為空心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述納米結(jié)構(gòu)設(shè)置為六邊形，所述納米所述轉(zhuǎn)移層厚度為500μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖懸臂梁一端與所述光纖段結(jié)合，所述光纖懸臂梁遠(yuǎn)離所述光纖段的一端懸空在所述包層上方，所述光纖懸臂梁與所述包層的端面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖懸臂梁采用飛秒激光完成。
6.根據(jù)
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光電探測(cè)器對(duì)微波干涉光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，獲得微波干涉電信號(hào)；所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)所述微波干涉電信號(hào)進(jìn)行分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：首先搭建F-P光纖傳感器，F(xiàn)-P傳感器的光強(qiáng)表示為：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)邁克爾遜干涉數(shù)學(xué)模型，所述光電探測(cè)器處光強(qiáng)描述為：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：微波信號(hào)在經(jīng)歷兩路后的時(shí)延差，表示為：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，包括f-p光纖傳感器，其特征在于：所述f-p光纖傳感器包括光纖底座和設(shè)置在所述光纖底座上方的光纖懸臂梁，所述光纖底座包括纖芯和設(shè)置在所述纖芯外圍的包層，所述光纖懸臂梁與所述包層之間設(shè)置有光纖段，所述光纖懸臂梁的上表面、遠(yuǎn)離所述支柱的一端均設(shè)置有納米結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖段設(shè)置為空心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述納米結(jié)構(gòu)設(shè)置為六邊形，所述納米所述轉(zhuǎn)移層厚度為500μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖懸臂梁一端與所述光纖段結(jié)合，所述光纖懸臂梁遠(yuǎn)離所述光纖段的一端懸空在所述包層上方，所述光纖懸臂梁與所述包層的端面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖懸臂梁采用飛秒激光完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微波光子技術(shù)全光纖懸臂梁式光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：還包括泵浦激光器、mzm...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王劭菁，鄧先欽，高凱，李騰飛，丁敏，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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