CN106289669A - 基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，包括ASE光源、隔离器、耦合器A、延迟光纤、耦合器B、光纤麦克风探头、光电探测器A、光电探测器B、信号采集***、基于LabVIEW的信号分析***；本发明还公开了一种气体泄露检测方法：光从ASE光源发出，到达光纤麦克风探头振动膜表面再返回两个光电探测器，将光信号转化为电信号并传输至信号采集***处理；采用LabVIEW软件对该信号进行解调分析，获得气体泄露的特征频谱信息。本发明测量灵敏度和分辨率高，能精细显示气体泄露声发射信号的频域分布，结构简单，制作成本低，抗干扰能力强，无源解调式设计简化***，实现了更大的动态测量范围。
Description
技术领域
本发明属于低相干测量和气体泄露检测技术领域，具体涉及基于低相干无源解调式光纤麦克风的气体泄露检测装置和方法。
背景技术
在当代工业中，易燃易爆有毒化学气体的安全储存和输送至关重要。气罐和输气管道是储存和输送气体的主要设备，长期使用老化加之化学气体的腐蚀，气罐和输气管道容易发生泄露而引发安全事故或造成环境污染，因此，对气罐和输气管道气体泄漏进行高效实时监测是一个极为重要的环节。
目前，检测气体泄漏的方法按技术性质可分为基于硬件、基于软件及非技术型方法，其中非技术型方法主要依靠人或动物听、看、闻等感官检测气体泄露，此类方法耗时耗力，主观性强、效率较低，无法满足快速检测的应用需求。目前大部分检测方法为基于硬件和软件的结合，尤其是光纤传感技术的发展应用，因其具有检测效率高、速度快、准确度高等突出优点而备受关注。以油气管道泄漏监测为例，可通过检测管道输送压力、流量、温度等参数的变化或检测泄露噪声进行判断，如沿管道按照一定间隔离散地安装大量传感器(如相位调制型传感器)，借助对泄露孔两侧传感器采集的声音信号进行相关处理来检测泄露。随着光纤传感技术的发展，出现了连续型分布式光纤传感器进行泄露声音检测和定位。“基于分布式光纤传感器的输气管道泄露检测方法”采用分布式光纤光栅(FBG)传感器技术(波长调制方法)，以管道泄露导致的光栅反射波改变作为检测依据(陈志刚，张来斌，王朝晖，等.基于分布式光纤传感器的输气管道泄露检测方法[J].传感器与微***，2007，26(7)：108-110.)。
上述现有检测技术多采用分布式方法，需将传感器固定安装于泄露体表面，需联合采用调制解调技术，***结构和测量操作较为复杂，动态测量范围受限，成本较高，测量***抗干扰能力、灵敏度、准确度和分辨率还有待进一步提高。
发明内容
针对现有气体泄露检测方法存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，该装置包括：ASE光源、隔离器、耦合器A、延迟光纤、耦合器B、光纤麦克风探头、光电探测器A、光电探测器B、信号采集***、基于LabVIEW的信号分析***；
所述隔离器直接与所述ASE光源相连；
所述耦合器A的第一端口与隔离器相连，第二端口和第三端口分别通过所述光电探测器A和光电探测器B与所述信号采集***相连，第四端口通过所述延迟光纤与所述耦合器B的第一端口相连，第五端口直接与所述耦合器B的第二端口相连；
所述耦合器B的第三端口与所述光纤麦克风探头相连；
所述信号采集***与所述信号分析***相连；
所述光纤麦克风探头放置于测量气罐附近位置用于获取气体泄露声发射信号，该探头末端为由厚度低于1μm的聚酰亚胺膜与铝膜结合制成的一种特殊的聚酰亚胺-铝复合振动膜；优选地，所述铝膜厚度为100nm。
具体地，该种特殊酰亚胺-铝复合振动膜制备工艺如下：
(1)以硅片为基底，菲林片为掩膜片，制作掩膜图案；
(2)对上述硅片进行表面处理后，用磁控溅射法在其中一面依次镀上铬膜和铜膜作为刻蚀面保护层，经掩膜处理后，用等离子刻蚀法刻蚀；
(3)在上述硅片另一面用磁控溅射法镀上厚度100nm的铝膜，其上涂布厚度小于1μm的聚酰亚胺涂层，然后进行聚酰胺酸亚胺化；
(4)亚胺化完成后，采用体硅刻蚀法对掩膜层一面的硅片刻蚀。
其中，优选地，所述聚酰胺酸亚胺化过程如下：
A.于100℃以下烘干；
B.将硅片放置于高温炉中，以155℃保持2h，再升温至180℃保持1h；
C.高温固化，210℃烘30min，再升温至240℃保持30min，再升温至270℃保持30min，再升温至300℃保持1h，最后升温至350℃保持1h。
具体地，所述耦合器A为3×3耦合器，所述耦合器B为2×2耦合器。
具体地，所述光纤麦克风探头由光纤准直器、毛细玻璃管和聚酰亚胺-铝复合振动膜构成。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述气体泄露检测装置进行气体泄露检测的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将该装置放置于泄露检测体附近；
(2)采用低相干、宽带ASE光源发射光，经隔离器进入耦合器A分成三束光，一束经延迟光纤延迟后进入耦合器B，一束直接进入耦合器B，再经耦合器B分成两束光，其中一束进入光纤麦克风探头达到末端聚酰亚胺-铝复合振动膜，经膜反射后进入耦合器B分成两束光，其中一束直接进入耦合器A，另一束经延迟光纤延迟后进入耦合器A，该两束光在耦合器A发生干涉并分成三束光，一束被隔离器阻挡，另两束分别被光电探测器A和光电探测器B接收；
(3)光电探测器A和光电探测器B分别将接收的光信号转化为电信号并传输至信号采集***处理；
(4)上述信号采集***将处理信号传输至基于LabVIEW的信号分析***，并对该信号进行解调分析，获得气体泄露的特征频谱信息。
基于本发明，通过对气罐气体泄露的声发射信号进行分析，申请人得出泄露孔高速喷出的气体声发射信号具有时域连续性，频谱分布范围较广(0～100KHz)，在相同内压下，不同泄露孔尺寸对气体泄露的最大速度有一定影响，信号幅值也会相应变化，但声场的频域特性不会出现明显变化，气罐内压才是影响气体泄露速度的最大因素，即在泄露孔尺寸一定的情况下，随着气罐内压的增大，声发射信号幅值随之增加。申请人通过本发明得出的关于气体泄露声发射信号特征总结如下：
(1)气罐气体泄漏时，泄露处声信号是连续的，频谱分布范围较广；
(2)随着气罐泄露孔尺寸增大，声信号幅度增大；
(3)随着气罐内压增大，声信号幅度增大。
与现有气体泄露检测技术相比，本发明具有如下优势：
1.采用低相干ASE光源和普通单模光纤器件，结构简单，制备成本低；光路本身对噪声、温度、应力等低频扰动不敏感，***抗干扰能力很强，可明显区分气体泄露信号和杂音信号，***分辨率与光源波长的稳定性、光源功率的波动、光纤的扰动等因素均无关。
2.探测光光路首次采用低相干光纤微分马赫曾德和赛格纳克混合干涉仪结构，无需调制器，实现了声发射信号的无源解调，极大地简化了检测***，使用此无源解调方法测量振动膜振动信息，测量动态范围大。
3.光纤麦克风探头采用申请人自行设计的特殊聚酰亚胺-铝复合振动膜，该膜既能满足高灵敏度、高波段分辨率及耐高功率光辐射需求，又能满足膜表面高反射率需。光纤准直器可最大限度消除光纤端面的发射影响。因此本发明光纤麦克风探头具有极高的灵敏度和分辨率。
4.较之传统的分布式探测，本发明光纤麦克风无需与检测体接触，在一定距离范围即可精细显示气体泄露声发射信号的频域分布，便于实际操作。
附图说明
图1为本实施例基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置结构示意图。
图2为本实施例气体泄露检测装置光传输路径示意图。
图3为本实施例光纤麦克风探头结构示意图。
图4为本实施例聚酰亚胺-铝复合振动膜制备工艺采用的菲林片掩膜图案示意图。
图5为本实施例聚酰亚胺-铝复合振动膜制备工艺采用的ICP刻蚀机腐蚀过程示意图。
图6为本实施例气体泄露特征频谱图。
附图标记：1、ASE光源；2、信号采集***；3、计算机(基于LabVIEW的信号分析***)；4、隔离器；5、光电探测器A；6、光电探测器B；7、耦合器A；8、延迟光纤；9、耦合器B；10、光纤麦克风探头；101、光纤准直器；102、毛细玻璃管；103、聚酰亚胺-铝复合振动膜；11、腐蚀气体；12、Cu膜；13、Cr膜；14、SiO2；15、A1膜；16、聚酰胺；A、气罐；B、泄露孔。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图1、图3所示，本实施例气体泄露检测装置光路结构采用低相干光纤微分干涉马赫曾德和赛格纳克混合干涉仪结构，包括ASE光源1(工作波长1525～1565nm，13mw)、隔离器4、3×3耦合器A 7、延迟光纤8(长度1.5Km)、2×2耦合器B 9、光纤麦克风探头10、光电探测器A 5、光电探测器B 6(GT322D型，中电集团第四十四研究所)、信号采集***2、计算机(基于LabVIEW的信号分析***)3；其中：隔离器4直接与ASE光源1相连；3×3耦合器A 7的第一端口与隔离器4通过相连，第二端口和第三端口分别通过光电探测器A5和光电探测器B 6与信号采集***2相连，第四端口通过延迟光纤8与2×2耦合器B 9的第一端口相连，第五端口直接与2×2耦合器B 9的第二端口相连；2×2耦合器B 9的第三端口与光纤麦克风探头10相连；信号采集***2与计算机3相连。
光纤麦克风探头10由光纤准直器101、毛细玻璃管102和位于探头末端的一种申请人自行设计的特殊聚酰亚胺-铝复合振动膜103构成，该复合振动膜由厚度低于1μm的聚酰亚胺膜和厚度100nm的铝膜结合制成，并通过如下制备工艺获得：
(1)以3英寸硅片为基底，采用菲林片为掩膜片，制作掩膜图案；使用Adobe软件绘制图案，其中圆环用于固定膜片和探头管，膜片规格分为两种，直径4.4mm和6.8mm，如图4所示。
(2)对上述硅片进行表面处理后，用磁控溅射法在其中一面依次镀上20nm的铬金属膜和100nm的铜金属膜作为刻蚀面的保护层；在该面进行掩膜处理，即：先在金属膜上均匀涂上一次光刻胶，再用上述菲林片进行紫外曝光处理，最后显影；用等离子刻蚀法将该面未固化光刻胶的金属膜刻蚀掉；
(3)在上述硅片另一面再次用磁控溅射法镀上一层厚度100nm的绿铝膜，再于铝膜表面均匀涂布一层聚酰胺酸溶液，厚度低于1μm，然后进行聚酰胺酸亚胺化，亚胺化过程具体为：
第一步：于100℃以下烘干，时间15min；
第二步：将硅片放置于高温炉中，以155℃保持2h，再升温至180℃保持1h；
第三步：高温固化，210℃烘30min，再升温至240℃保持30min，再升温至270℃保持30min，再升温至300℃保持1h，最后升温至350℃保持1h。
(4)如图5所示，采用IPC刻蚀机进行体硅刻蚀(干法刻蚀)，用腐蚀气体C对有掩膜层一面的硅片进行刻蚀，总计时间约200min，制得本发明聚酰亚胺-铝复合振动膜。
本实施例气体泄露检测装置测漏原理和过程如下：
(1)将该装置放置于气罐A附近。
(2)采用低相干、宽带ASE光源1，光从ASE光源1发出，经隔离器4进入耦合器A 4，分成三束光，一束经延迟光纤8延迟后进入耦合器B 9，一束直接进入耦合器B 9，再经耦合器B9分成两束光，其中一束进入光纤麦克风探头10达到末端聚酰亚胺-铝复合振动膜103，经膜反射后进入耦合器B 9分成两束光，一束直接进入耦合器A 7，一束经延迟光纤8延迟后进入耦合器A 7，该两束光在耦合器A分成三束光，一束被隔离器4阻挡，另两束分别被光电探测器A5和光电探测器B 6接收。
(3)如图2所示，在上述过程中，光从光源发出，到光纤麦克风探头振动膜表面再返回两个光电探测器的光传输路径共有四条：D-L-D，D-L-F、F-L-D，F-L-F。由于由于采用的是宽带光源，四路光中D-L-D和F-L-F两路光程差太大，不满足干涉条件，不能发生干涉，只有D-L-F和F-L-D两路光通过相同的光程，只是到达光纤麦克风膜表面的先后顺序不同，满足干涉条件，能够发生干涉，利用延时光纤8带来的时间差，干涉信号被两个光电探测器接收后转化为电信号，并传输至信号采集***2处理，光电探测器输出的电信号包含了由气体泄漏声发射信号导致的光纤麦克风复合振动膜的振动信息。
(4)使用LabVIEW软件对信号进行解调分析得出气体泄漏的声发射信号的特征频谱信息，并显示于计算机3界面，如图6所示为本装置检测获得的气体泄漏特征频谱，证明该气罐A存在泄露孔，且该泄漏孔产生的气体声发射信号具有时域连续性，频谱分布范围较广，其信号幅值随着气罐内压的变化而变化，可明显区分气体泄漏信号和其他杂音信号。
综上所述，本实施例装置用于检测气体泄露具有极高的测量灵敏度和分辨率，***抗干扰能力强，可测量动态范围大。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于包括：ASE光源、隔离器、耦合器A、延迟光纤、耦合器B、光纤麦克风探头、光电探测器A、光电探测器B、信号采集***、基于LabVIEW的信号分析***；其中：
所述隔离器直接与所述ASE光源相连；
所述耦合器A的第一端口与隔离器相连，第二端口和第三端口分别通过所述光电探测器A和光电探测器B与所述信号采集***相连，第四端口通过所述延迟光纤与所述耦合器B的第一端口相连，第五端口直接与所述耦合器B的第二端口相连；
所述耦合器B的第三端口与所述光纤麦克风探头相连；
所述光纤麦克风探头放置于测量气罐附近位置用于获取气体泄露声发射信号，该探头末端为由厚度低于1μm的聚酰亚胺膜与铝膜结合制成的聚酰亚胺-铝复合振动膜；
所述信号采集***与所述基于LabVIEW的信号分析***相连。
2.根据权利要求1所述的基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于：所述耦合器A为3×3耦合器，所述耦合器B为2×2耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于：所述铝膜厚度为100nm。
4.根据权利要求1所述的基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于所述聚酰亚胺-铝复合振动膜制备工艺如下：
(1)以硅片为基底，菲林片为掩膜片，制作掩膜图案；
(2)对上述硅片进行表面处理后，用磁控溅射法在其中一面依次镀上铬膜和铜膜作为刻蚀面保护层，经掩膜处理后，用等离子刻蚀法刻蚀；
(3)在上述硅片另一面用磁控溅射法镀上厚度100nm的铝膜，其上涂布厚度小于1μm的聚酰亚胺涂层，然后进行聚酰胺酸亚胺化；
(4)亚胺化完成后，采用体硅刻蚀法对掩膜层面的硅片刻蚀。
5.根据权利要求4所述的基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于所述聚酰胺酸亚胺化过程如下：
(1)于100℃以下烘干；
(2)将硅片放置于高温炉中，以155℃保持2h，再升温至180℃保持1h；
(3)高温固化，210℃烘30min，再升温至240℃保持30min，再升温至270℃保持30min，再升温至300℃保持1h，最后升温至350℃保持1h。
6.根据权利要求1所述的基于低相干光纤麦克风的气体泄露检测装置，其特征在于：所述光纤麦克风探头由光纤准直器、毛细玻璃管和聚酰亚胺-铝复合振动膜构成。
7.一种使用权利要求1～6任一项所述的气体泄露检测装置进行气体泄露检测的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将该装置放置于泄露检测体附近；
(2)ASE光源发射光，经隔离器进入耦合器A分成三束光，一束经延迟光纤延迟后进入耦合器B，一束直接进入耦合器B，再经耦合器B分成两束光，其中一束进入光纤麦克风探头达到末端聚酰亚胺-铝复合振动膜，经膜反射后进入耦合器B分成两束光，其中一束直接进入耦合器A，另一束经延迟光纤延迟后进入耦合器A，该两束光在耦合器A发生干涉并分成三束光，一束被隔离器阻挡，另两束分别被光电探测器A和光电探测器B接收；
(3)光电探测器A和光电探测器B分别将接收的光信号转化为电信号并传输至信号采集***处理；
(4)上述信号采集***将处理信号传输至于LabVIEW的信号分析***，并对该信号进行解调分析，获得气体泄露的特征频谱信息。
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