本發(fā)明屬于低相干測量和氣體泄露檢測技術領域，具體涉及基于低相干無源解調式光纖麥克風的氣體泄露檢測裝置和方法。

背景技術：

在當代工業(yè)中，易燃易爆有毒化學氣體的安全儲存和輸送至關重要。氣罐和輸氣管道是儲存和輸送氣體的主要設備，長期使用老化加之化學氣體的腐蝕，氣罐和輸氣管道容易發(fā)生泄露而引發(fā)安全事故或造成環(huán)境污染，因此，對氣罐和輸氣管道氣體泄漏進行高效實時監(jiān)測是一個極為重要的環(huán)節(jié)。

目前，檢測氣體泄漏的方法按技術性質可分為基于硬件、基于軟件及非技術型方法，其中非技術型方法主要依靠人或動物聽、看、聞等感官檢測氣體泄露，此類方法耗時耗力，主觀性強、效率較低，無法滿足快速檢測的應用需求。目前大部分檢測方法為基于硬件和軟件的結合，尤其是光纖傳感技術的發(fā)展應用，因其具有檢測效率高、速度快、準確度高等突出優(yōu)點而備受關注。以油氣管道泄漏監(jiān)測為例，可通過檢測管道輸送壓力、流量、溫度等參數(shù)的變化或檢測泄露噪聲進行判斷，如沿管道按照一定間隔離散地安裝大量傳感器(如相位調制型傳感器)，借助對泄露孔兩側傳感器采集的聲音信號進行相關處理來檢測泄露。隨著光纖傳感技術的發(fā)展，出現(xiàn)了連續(xù)型分布式光纖傳感器進行泄露聲音檢測和定位。“基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄露檢測方法”采用分布式光纖光柵(FBG)傳感器技術(波長調制方法)，以管道泄露導致的光柵反射波改變作為檢測依據(jù)(陳志剛，張來斌，王朝暉，等.基于分布式光纖傳感器的輸氣管道泄露檢測方法[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(7)：108-110.)。

上述現(xiàn)有檢測技術多采用分布式方法，需將傳感器固定安裝于泄露體表面，需聯(lián)合采用調制解調技術，系統(tǒng)結構和測量操作較為復雜，動態(tài)測量范圍受限，成本較高，測量系統(tǒng)抗干擾能力、靈敏度、準確度和分辨率還有待進一步提高。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有氣體泄露檢測方法存在的問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于低相干光纖麥克風的氣體泄露檢測裝置，該裝置包括：ASE光源、隔離器、耦合器A、延遲光纖、耦合器B、光纖麥克風探頭、光電探測器A、光電探測器B、信號采集系統(tǒng)、基于LabVIEW的信號分析系統(tǒng)；

所述隔離器直接與所述ASE光源相連；

所述耦合器A的第一端口與隔離器相連，第二端口和第三端口分別通過所述光電探測器A和光電探測器B與所述信號采集系統(tǒng)相連，第四端口通過所述延遲光纖與所述耦合器B的第一端口相連，第五端口直接與所述耦合器B的第二端口相連；

所述耦合器B的第三端口與所述光纖麥克風探頭相連；

所述信號采集系統(tǒng)與所述信號分析系統(tǒng)相連；

所述光纖麥克風探頭放置于測量氣罐附近位置用于獲取氣體泄露聲發(fā)射信號，該探頭末端為由厚度低于1μm的聚酰亞胺膜與鋁膜結合制成的一種特殊的聚酰亞胺-鋁復合振動膜；優(yōu)選地，所述鋁膜厚度為100nm。

具體地，該種特殊酰亞胺-鋁復合振動膜制備工藝如下：

(1)以硅片為基底，菲林片為掩膜片，制作掩膜圖案；

(2)對上述硅片進行表面處理后，用磁控濺射法在其中一面依次鍍上鉻膜和銅膜作為刻蝕面保護層，經(jīng)掩膜處理后，用等離子刻蝕法刻蝕；

(3)在上述硅片另一面用磁控濺射法鍍上厚度100nm的鋁膜，其上涂布厚度小于1μm的聚酰亞胺涂層，然后進行聚酰胺酸亞胺化；

(4)亞胺化完成后，采用體硅刻蝕法對掩膜層一面的硅片刻蝕。

其中，優(yōu)選地，所述聚酰胺酸亞胺化過程如下：

A.于100℃以下烘干；

B.將硅片放置于高溫爐中，以155℃保持2h，再升溫至180℃保持1h；

C.高溫固化，210℃烘30min，再升溫至240℃保持30min，再升溫至270℃保持30min，再升溫至300℃保持1h，最后升溫至350℃保持1h。

具體地，所述耦合器A為3×3耦合器，所述耦合器B為2×2耦合器。

具體地，所述光纖麥克風探頭由光纖準直器、毛細玻璃管和聚酰亞胺-鋁復合振動膜構成。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用上述氣體泄露檢測裝置進行氣體泄露檢測的方法，該方法包括以下步驟：

(1)將該裝置放置于泄露檢測體附近；

(2)采用低相干、寬帶ASE光源發(fā)射光，經(jīng)隔離器進入耦合器A分成三束光，一束經(jīng)延遲光纖延遲后進入耦合器B，一束直接進入耦合器B，再經(jīng)耦合器B分成兩束光，其中一束進入光纖麥克風探頭達到末端聚酰亞胺-鋁復合振動膜，經(jīng)膜反射后進入耦合器B分成兩束光，其中一束直接進入耦合器A，另一束經(jīng)延遲光纖延遲后進入耦合器A，該兩束光在耦合器A發(fā)生干涉并分成三束光，一束被隔離器阻擋，另兩束分別被光電探測器A和光電探測器B接收；

(3)光電探測器A和光電探測器B分別將接收的光信號轉化為電信號并傳輸至信號采集系統(tǒng)處理；

(4)上述信號采集系統(tǒng)將處理信號傳輸至基于LabVIEW的信號分析系統(tǒng)，并對該信號進行解調分析，獲得氣體泄露的特征頻譜信息。

基于本發(fā)明，通過對氣罐氣體泄露的聲發(fā)射信號進行分析，申請人得出泄露孔高速噴出的氣體聲發(fā)射信號具有時域連續(xù)性，頻譜分布范圍較廣(0～100KHz)，在相同內壓下，不同泄露孔尺寸對氣體泄露的最大速度有一定影響，信號幅值也會相應變化，但聲場的頻域特性不會出現(xiàn)明顯變化，氣罐內壓才是影響氣體泄露速度的最大因素，即在泄露孔尺寸一定的情況下，隨著氣罐內壓的增大，聲發(fā)射信號幅值隨之增加。申請人通過本發(fā)明得出的關于氣體泄露聲發(fā)射信號特征總結如下：

(1)氣罐氣體泄漏時，泄露處聲信號是連續(xù)的，頻譜分布范圍較廣；

(2)隨著氣罐泄露孔尺寸增大，聲信號幅度增大；

(3)隨著氣罐內壓增大，聲信號幅度增大。

與現(xiàn)有氣體泄露檢測技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

1.采用低相干ASE光源和普通單模光纖器件，結構簡單，制備成本低；光路本身對噪聲、溫度、應力等低頻擾動不敏感，系統(tǒng)抗干擾能力很強，可明顯區(qū)分氣體泄露信號和雜音信號，系統(tǒng)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。

2.探測光光路首次采用低相干光纖微分馬赫曾德和賽格納克混合干涉儀結構，無需調制器，實現(xiàn)了聲發(fā)射信號的無源解調，極大地簡化了檢測系統(tǒng)，使用此無源解調方法測量振動膜振動信息，測量動態(tài)范圍大。

3.光纖麥克風探頭采用申請人自行設計的特殊聚酰亞胺-鋁復合振動膜，該膜既能滿足高靈敏度、高波段分辨率及耐高功率光輻射需求，又能滿足膜表面高反射率需。光纖準直器可最大限度消除光纖端面的發(fā)射影響。因此本發(fā)明光纖麥克風探頭具有極高的靈敏度和分辨率。

4.較之傳統(tǒng)的分布式探測，本發(fā)明光纖麥克風無需與檢測體接觸，在一定距離范圍即可精細顯示氣體泄露聲發(fā)射信號的頻域分布，便于實際操作。

附圖說明

圖1為本實施例基于低相干光纖麥克風的氣體泄露檢測裝置結構示意圖。

圖2為本實施例氣體泄露檢測裝置光傳輸路徑示意圖。

圖3為本實施例光纖麥克風探頭結構示意圖。

圖4為本實施例聚酰亞胺-鋁復合振動膜制備工藝采用的菲林片掩膜圖案示意圖。

圖5為本實施例聚酰亞胺-鋁復合振動膜制備工藝采用的ICP刻蝕機腐蝕過程示意圖。

圖6為本實施例氣體泄露特征頻譜圖。

附圖標記：1、ASE光源；2、信號采集系統(tǒng)；3、計算機(基于LabVIEW的信號分析系統(tǒng))；4、隔離器；5、光電探測器A；6、光電探測器B；7、耦合器A；8、延遲光纖；9、耦合器B；10、光纖麥克風探頭；101、光纖準直器；102、毛細玻璃管；103、聚酰亞胺-鋁復合振動膜；11、腐蝕氣體；12、Cu膜；13、Cr膜；14、SiO₂；15、A1膜；16、聚酰胺；A、氣罐；B、泄露孔。

具體實施方式

下面結合附圖，詳細說明本發(fā)明的一個具體實施例，但不對本發(fā)明的權利要求做任何限定。

如圖1、圖3所示，本實施例氣體泄露檢測裝置光路結構采用低相干光纖微分干涉馬赫曾德和賽格納克混合干涉儀結構，包括ASE光源1(工作波長1525～1565nm，13mw)、隔離器4、3×3耦合器A 7、延遲光纖8(長度1.5Km)、2×2耦合器B 9、光纖麥克風探頭10、光電探測器A 5、光電探測器B 6(GT322D型，中電集團第四十四研究所)、信號采集系統(tǒng)2、計算機(基于LabVIEW的信號分析系統(tǒng))3；其中：隔離器4直接與ASE光源1相連；3×3耦合器A 7的第一端口與隔離器4通過相連，第二端口和第三端口分別通過光電探測器A5和光電探測器B 6與信號采集系統(tǒng)2相連，第四端口通過延遲光纖8與2×2耦合器B 9的第一端口相連，第五端口直接與2×2耦合器B 9的第二端口相連；2×2耦合器B 9的第三端口與光纖麥克風探頭10相連；信號采集系統(tǒng)2與計算機3相連。

光纖麥克風探頭10由光纖準直器101、毛細玻璃管102和位于探頭末端的一種申請人自行設計的特殊聚酰亞胺-鋁復合振動膜103構成，該復合振動膜由厚度低于1μm的聚酰亞胺膜和厚度100nm的鋁膜結合制成，并通過如下制備工藝獲得：

(1)以3英寸硅片為基底，采用菲林片為掩膜片，制作掩膜圖案；使用Adobe軟件繪制圖案，其中圓環(huán)用于固定膜片和探頭管，膜片規(guī)格分為兩種，直徑4.4mm和6.8mm，如圖4所示。

(2)對上述硅片進行表面處理后，用磁控濺射法在其中一面依次鍍上20nm的鉻金屬膜和100nm的銅金屬膜作為刻蝕面的保護層；在該面進行掩膜處理，即：先在金屬膜上均勻涂上一次光刻膠，再用上述菲林片進行紫外曝光處理，最后顯影；用等離子刻蝕法將該面未固化光刻膠的金屬膜刻蝕掉；

(3)在上述硅片另一面再次用磁控濺射法鍍上一層厚度100nm的綠鋁膜，再于鋁膜表面均勻涂布一層聚酰胺酸溶液，厚度低于1μm，然后進行聚酰胺酸亞胺化，亞胺化過程具體為：

第一步：于100℃以下烘干，時間15min；

第二步：將硅片放置于高溫爐中，以155℃保持2h，再升溫至180℃保持1h；

第三步：高溫固化，210℃烘30min，再升溫至240℃保持30min，再升溫至270℃保持30min，再升溫至300℃保持1h，最后升溫至350℃保持1h。

(4)如圖5所示，采用IPC刻蝕機進行體硅刻蝕(干法刻蝕)，用腐蝕氣體C對有掩膜層一面的硅片進行刻蝕，總計時間約200min，制得本發(fā)明聚酰亞胺-鋁復合振動膜。

本實施例氣體泄露檢測裝置測漏原理和過程如下：

(1)將該裝置放置于氣罐A附近。

(2)采用低相干、寬帶ASE光源1，光從ASE光源1發(fā)出，經(jīng)隔離器4進入耦合器A 4，分成三束光，一束經(jīng)延遲光纖8延遲后進入耦合器B 9，一束直接進入耦合器B 9，再經(jīng)耦合器B 9分成兩束光，其中一束進入光纖麥克風探頭10達到末端聚酰亞胺-鋁復合振動膜103，經(jīng)膜反射后進入耦合器B 9分成兩束光，一束直接進入耦合器A 7，一束經(jīng)延遲光纖8延遲后進入耦合器A 7，該兩束光在耦合器A分成三束光，一束被隔離器4阻擋，另兩束分別被光電探測器A5和光電探測器B 6接收。

(3)如圖2所示，在上述過程中，光從光源發(fā)出，到光纖麥克風探頭振動膜表面再返回兩個光電探測器的光傳輸路徑共有四條：D-L-D，D-L-F、F-L-D，F(xiàn)-L-F。由于由于采用的是寬帶光源，四路光中D-L-D和F-L-F兩路光程差太大，不滿足干涉條件，不能發(fā)生干涉，只有D-L-F和F-L-D兩路光通過相同的光程，只是到達光纖麥克風膜表面的先后順序不同，滿足干涉條件，能夠發(fā)生干涉，利用延時光纖8帶來的時間差，干涉信號被兩個光電探測器接收后轉化為電信號，并傳輸至信號采集系統(tǒng)2處理，光電探測器輸出的電信號包含了由氣體泄漏聲發(fā)射信號導致的光纖麥克風復合振動膜的振動信息。

(4)使用LabVIEW軟件對信號進行解調分析得出氣體泄漏的聲發(fā)射信號的特征頻譜信息，并顯示于計算機3界面，如圖6所示為本裝置檢測獲得的氣體泄漏特征頻譜，證明該氣罐A存在泄露孔，且該泄漏孔產(chǎn)生的氣體聲發(fā)射信號具有時域連續(xù)性，頻譜分布范圍較廣，其信號幅值隨著氣罐內壓的變化而變化，可明顯區(qū)分氣體泄漏信號和其他雜音信號。

綜上所述，本實施例裝置用于檢測氣體泄露具有極高的測量靈敏度和分辨率，系統(tǒng)抗干擾能力強，可測量動態(tài)范圍大。

可以理解的是，以上關于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實施例所描述的技術方案。本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護范圍之內。