CN101936879B - 一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统，属气体检测技术，包括相干光源I、II及相位解调系统等，相干光源I连接到调制器，调制器通过普通光纤连接到光声池里，光强周期性变化的单色光作用于待测气体，产生微小声音；相干光源II通过普通光纤连接到2*2耦合器上，组成检测光路，其特征在于马赫曾德干涉仪的一个臂作为探测声音的传感器固定在光声池里成为测试臂，另一臂作为参考臂连接在2*2耦合器上；测试臂和参考臂各自连接到另一2*2耦合器同向的两端上，2*2耦合器经普通光纤连接到相位解调系统上。本发明可在强电磁、放射性环境中正常使用，可用于特殊气体环境的检测；便于多个复用，组成网络，实现多点的监控。

Description

一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于马赫曾德干涉仪的全光学的光声光谱气体检测系统，具体讲是一种利用马赫曾德干涉仪德一个臂作为光学微音器进行光声光谱气体检测的系统。

背景技术

光声效应是基于物质吸收调制光后通过无辐射热驰豫放热而激发出声波的效应，早在1880年Bell等就发现了光声效应。在诸多进行气体浓度检测的吸收光谱法度中，光声光谱技术具有以下优点：测试范围广。光声技术是检测物质通过无辐射跃迁直接吸收的光能信号，而不是测量透射过样品的光能信号，这样样品对入射光的反射、散射不会影响到测量结果，完全不透明和高散射的样品也能测量，测量范围几乎遍及样品的所有状态，比如：气、液、固、凝胶、粉末、薄膜、胶体等，但早期由于光声效应太弱，一致没有得到重视，直到20实际70年代，随着激光技术和微弱信号探测技术的发展，特别是1971年Kreuzer利用可调谐激光器做光源，测得浓度低至10-7μg/L的气体吸收谱，并从理论上分析了使用激光光源和高灵敏度微弱信号探测器可对气体光声光谱检出限数量级达到10-13，在此以后，光声光谱测量得以迅速发展。另一个优点就是：光声信号强度在样品吸收光能没达到饱和的情况下，与入射光强度成正比，随着激光技术的发展，提高入射光的能量以增加检测灵敏度变得相对容易。

由于光声光谱分析仪具有的高灵敏度、大动态范围、实时检测等突出优点，使得人们对光声光谱检测技术有极大兴趣，不断开发新光源，研究声传感技术和微弱信号检测技术，完善光声光谱理论，使得基于光声光谱技术的分析仪各方面性能有了显著提高，近几年来，在工农业生产、环境监测、军事战场上对微量气体监测领域相继开发了不少基于光声光谱的气体检测装置。光声光谱气体分析仪主要由六部分组成：单色光源、调制器、光声池、声传感器、信号放大及检测，数据记录和传输。商用定型的光声光谱仪很少，在实际应用中一般需要根据研究对象及实验室的条件自行设计搭建。光声效应激发的光声信号由高灵敏度的声传感器来探测，通常使用驻极体式电容微音器。一般设计的光声光谱仪其单色光源、信号的放大和检测系统位于现场，但在一些特殊场合，如1)强磁电和放射性的环境，由于物理特性制约着普通麦克风的操作，外部的强电磁场的影响能够引起这些设备功能的丧失甚至破坏他们。传统的微音器，包括电容器、驻极体和动态的微音器，使用依靠含电容器或线圈的电子线路。这些在微音器中的电子组件对电子的或电磁的干扰是非常敏感的；2)瓦斯环境，比如在煤矿挖掘现场。现场中电火花是禁止出现的，这意味着需要将相干光源的激发放在远程，将光源远程放置，通过光纤导入到光声池中，也就意味着电子的微音器存在安全的隐患；3)在环境污染物监测和战场环境中毒物检测应用中，因为气体检测设备分散布置，现场往往不能提供电源，这就需要提供现场无源、结构小巧、集成度和高灵敏性高的光声池，以实现检测的便捷。

<中国电机工程学报>2008，28(34)：p40～46.作者为云玉新、陈伟根、孙才新、潘翀，名称为“变压器油中甲烷气体的光声光谱检测方法”文章中提出了一种基于光声效应的新型微量气体检测技术，具有灵敏度高，选择性好，动态检测范围大等优点，但这种检测技术受限于测量环境，当存在外部的电磁场时，严重影响到测量精度，甚至检测设备的功能会丧失。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于马赫曾德干涉仪的全光的光声光谱气体检测的方法和系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统，包括相干光源I、II、调制器、光声池、两个2*2耦合器、马赫曾德干涉仪和相位解调系统，相干光源I连接到调制器，调制器通过普通光纤连接到光声池激发待测气体，产生微小声音，构成声音激发光路；相干光源II通过普通光纤连接到2*2耦合器上组成检测光路，其特征在于马赫曾德干涉仪的一个臂作为探测声音的传感器固定在光声池里成为测试臂，另一臂作为参考臂连接在2*2耦合器上；测试臂和参考臂各自连接到另一2*2耦合器同向两个输入端上，2*2耦合器经普通光纤连接到相位解调系统上。

所述的相位解调系统是通用的相位解调仪，如加拿大Avensys公司生产的型号为DPSK的相位解调仪。

本发明气体检测系统在使用时，将本发明系统中的光声池置于需要检测的气体环境或将气体抽取到光声池中。相干光源I产生单色光后，通过调制器，光强产生周期性的变化，通过较长的普通光纤连接到远端的光声池，注入光声池，与待测气体作用，产生声音。相干光源II将产生的相干光通过较长的普通光纤注入2*2耦合器，即进入马赫曾德干涉仪，干涉仪的测试臂封装好后固定在光声池内，而参考臂留在光声池外，两臂再通过另一2*2耦合器发生干涉，干涉后的信号通过较长的普通光纤传回相位解调系统。利用马赫曾德干涉仪的一个臂作为传感器来探测声音，单色光进入光声池，待测气体吸收光后，产生微小声音，声压引起干涉仪一个臂的臂长等发生变化，而另一臂作为参考不发生变化，两臂产生光程差，干涉以后，产生明暗条纹的变化，即产生相位的变化，通过后续的相位解调系统，检测出相位的变化，从而确定声压，进而推出气体的浓度。

现有技术所用的光声光谱气体检测原理如图1所示，相干光源辐射出能够被待测气体吸收的单色光，经过调制器的调制变成光强周期性改变的单色光，进入光声池，气体吸收单色光后，引起它的周期性无辐射弛豫，宏观上表现为压力的周期性变化，即形成声波；声传感器探测到压力波后将其转变为电信号，该电信号由锁相放大器或Boxcar积分器来检测，并记录下来，也可以送给远程计算机分析处理或存盘。

本发明的具体作用原理如下：相干光源产生的可被探测气体吸收的单色光，经过调制后形成光强周期性改变的激光，进入光声池后，被气体吸收，产生声波，受到声压的影响，封装好的马赫曾德干涉仪的传感臂的长度，折射率等发生改变，引起干涉仪两臂的光程差发生改变，干涉后的相位发生改变，再通过相位解调系统，我们可以将相位的变化解调出来，这样相位的变化反应了声压的强度，而声压的强度和气体的浓度有着直接的关系，通过合适的算法即可表示出气体的浓度。

本发明具有以下的优点：在具有光声光谱方法高灵敏度的同时，无电子组件连接在光纤探头上，任何的电磁性或静电干扰对微音器不起作用，可在强电磁、放射性环境中正常使用；全光纤的声音探测系统，不与瓦斯等易燃易爆气体发生作用，可用于特殊气体环境的检测；基于光纤的系统，便于多个复用，组成网络，实现多点的远距离监控。

附图说明

图1是现有技术所用光声光谱气体检测的结构示意图。

其中：1、相干光源、2、调制器、3、光声池、4、微音器、5、信号放大及检测部分，6、数据记录和传输部分。

图2是本发明气体检测系统的结构示意图。

其中：7、相干光源I、8、调制器、9、普通光纤，10、光声池、11、相干光源II，12、普通光纤，13、2*2耦合器，14、测试臂，15、参考臂，16、2*2耦合器，17、普通光纤，18、相位解调系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本发明实施例如图2所示，包括相干光源I 7、II11、调制器8、光声池10、两个2*2耦合器13、16、马赫曾德干涉仪和相位解调系统18，相干光源I 7连接到调制器8，调制器8通过普通光纤9连接到光声池10里激发待测气体，产生微小声音，构成声音激发光路；相干光源II 11通过普通光纤12连接到2*2耦合器13上组成检测光路，其特征在于马赫曾德干涉仪的一个臂作为探测声音的传感器固定在光声池10里成为测试臂14，另一臂作为参考臂15连接在2*2耦合器13上；测试臂14和参考臂15各自连接到另一2*2耦合器16同向两个输入端上，2*2耦合器16经普通光纤17连接到相位解调系统18上。

Claims (1)

1.一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统，包括相干光源I、相干光源II、调制器、光声池、两个2*2耦合器、马赫曾德干涉仪和相位解调系统，相干光源I连接到调制器，调制器通过普通光纤连接到光声池激发待测气体，产生微小声音，构成声音激发光路；相干光源II通过普通光纤连接到第一个2*2耦合器上组成检测光路，其特征在于马赫曾德干涉仪的一个臂作为探测声音的传感器固定在光声池里成为测试臂，另一臂作为参考臂连接在第一个2*2耦合器上；测试臂和参考臂各自连接到第二个2*2耦合器同向两个输入端上，第二个2*2耦合器经普通光纤连接到相位解调系统上。

Images