一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头

本发明属于光声光谱气体检测和光纤传感，特别涉及一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头。

背景技术：

1、气体绝缘设备在长期运行过程中，可能因局部放电、过热或绝缘缺陷等原因产生特征分解气体。通过检测特征气体的种类和浓度，可以对设备运行状态及故障类型进行判断。现有检测方式通常需要对设备进行降压、取气、检测和回充，操作过程复杂、检测周期较长，且取样气体可能与设备内部实际气体状态存在差异。因此，实现设备内部特征气体的原位检测具有重要意义。

2、光声光谱技术利用气体对特定波长调制光的选择性吸收产生声压信号，具有选择性强、灵敏度高等特点。采用光纤传输激发光和检测光，并利用法珀光纤声传感器检测光声信号，有利于减小探头尺寸，提高其绝缘性能和抗电磁干扰能力。

3、然而，在小尺寸全光纤光声气体探头中，气体光声激发与法布里-珀罗检测对结构尺寸具有不同要求。气体光声激发需要一定的光气作用距离，以保证调制激发光与待测气体充分作用；检测光纤端面与声敏感膜片之间则需要保持较小的腔长，以获得适于干涉解调的法布里-珀罗干涉腔。若两条光路采用相同的轴向位置，难以同时兼顾气体吸收光程和干涉检测灵敏度。

4、此外，激发光传播至声敏感膜片后，膜片吸收部分激发光会产生固体光热响应。若激发光路与检测光路在径向上重合，激发光直接照射膜片中心检测区域所产生的固体光热振动容易被检测光路读取，进而形成与气体光声信号同频的背景信号，影响微弱气体光声信号的检测。因此，需要对激发光路和检测光路的径向位置及轴向端面位置进行协同设计。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，该探头通过对激发光路和检测光路的径向位置及轴向端面位置进行协同配置，在同一套筒内分别建立气体光声激发区域和膜片干涉检测区域，实现光声激发与光学检测的功能分离。可用于电力设备内部绝缘气体及其分解产物的原位检测。

2、本发明公开一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，所述光声气体探头包括声敏感膜片、套筒、双孔定位件、激发光纤和检测光纤：

3、所述声敏感膜片密封固定于套筒的前端，所述双孔定位件嵌设于套筒的后端；所述双孔定位件沿套筒径向设有偏心通孔和中心通孔，且所述偏心通孔和中心通孔的轴线相互平行，所述中心通孔的轴线与套筒中心轴线重合，所述偏心通孔的轴线与套筒中心轴线之间具有径向间距；

4、所述激发光纤穿设于偏心通孔内，用于向套筒内输送与待测气体吸收谱线相对应的调制激发光，并在激发光纤的出光端面与声敏感膜片之间形成气体光声作用区；所述激发光纤的光轴与套筒中心轴线平行，以使出射光照射在声敏感膜片上且偏离声敏感膜片的几何中心；

5、所述检测光纤穿设于中心通孔内，用于探测声敏感膜片在光声信号作用下产生的振动，其中，所述检测光纤的光轴沿套筒中心轴线延伸，出射光对准声敏感膜片的几何中心，以使检测光纤的光纤端面与声敏感膜片之间构成法布里-珀罗干涉腔。

6、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

7、本发明通过双孔定位件将激发光纤设置在偏心通孔内、将检测光纤设置在中心通孔内，从径向上实现了激发光路与检测光路的空间分离。激发光路偏离膜片中心的干涉检测区域，有效避免了激发光直接照射膜片中心区域所产生的固体光热背景，从而显著降低光声信号中的基底噪声。同时，激发光纤的出光端面远离声敏感膜片、检测光纤的检测端面靠近声敏感膜片，在同一套筒内分别形成较长的气体光声作用区和较短的法布里-珀罗干涉腔。二者在轴向上解耦，无需为延长吸收路径而牺牲读出灵敏度，也无需为提升灵敏度而压缩吸收空间。此外，全光纤传输和光学读出方式使探头本身不带电、不受电磁干扰，具有优良的绝缘性和本质安全特性，尤其适用于易燃易爆、强电磁干扰等苛刻环境下的气体在线监测。

8、综上所述，本发明通过激发光路与检测光路在径向和轴向上的双重空间解耦，将气体光声激发、信号光学读出和背景抑制三方面的需求统一到一个小尺寸探头内，实现了高灵敏度、低噪声、紧凑化和高可靠性的综合性能提升。

1.一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述光声气体探头包括声敏感膜片（1）、套筒（2）、双孔定位件（3）、激发光纤（5）和检测光纤（6）：

2.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述激发光纤（5）的出光端面至声敏感膜片（1）的轴向距离大于所述检测光纤（6）端面至声敏感膜片（1）的轴向距离。

3.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述套筒（2）侧壁开设有与套筒（2）内腔连通的通气孔（21），用于实现待测气体在套筒（2）内外的扩散交换。

4.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述双孔定位件（3）外径与套筒（2）的内径相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述光声气体探头还包括锥形开口光纤保护套（4）；

6.根据权利要求5所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述锥形开口光纤保护套（4）的外径与对应通孔的内径相匹配，且锥形开口光纤保护套（4）的内径与光纤的外径相匹配。

7.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述声敏感膜片（1）、套筒（2）、双孔定位件（3）和锥形开口光纤保护套（4）均采用石英玻璃制成。

8.根据权利要求1所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述激发光纤（5）和检测光纤（6）均为石英光纤，所述激发光纤（5）和检测光纤（6）的传输波长根据待测气体的吸收谱线选择。

9.根据权利要求5所述的一种双光纤空间解耦式小尺寸光声气体探头，其特征在于，所述声敏感膜片（1）与套筒（2）、双孔定位件（3）与套筒（2）、锥形开口光纤保护套（4）与双孔定位件（3）以及光纤与锥形开口光纤保护套（4）之间均采用紫外胶进行粘接固定和密封。