CN103439268A

CN103439268A - 基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器

Info

Publication number: CN103439268A
Application number: CN2013103988704A
Authority: CN
Inventors: 吕亮; 杜正婷; 俞本立; 朱军; 杨波; 赵云鹤; 张文华; 吴爽; 徐峰; 周博
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Shenzhen Kemin Sensor Co ltd
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103439268B

Abstract

本发明涉及一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，包括传感光源、激发光源、第一耦合器、光声腔体及信号处理电路单元，传感光源、激发光源出射激光经第一耦合器由光纤导入光声腔体内；光声腔体包括陶瓷套管及高灵敏度膜片；激发光源出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起高灵敏度膜片振动；传感光源作为检测光信号入射到高灵敏度膜片表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至传感光源的腔内产生自混合光声光谱信号；自混合光声光谱信号经信号处理电路单元处理，获得高灵敏度膜片振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。本发明采用自混合干涉传感技术，光路结构更加简单可靠，可实现远距离，分布式气体检测。

Description

基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器

技术领域

本发明涉及光声光谱测量系统，具体地说是一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器。

背景技术

光声光谱检测技术在环境监测、工业过程控制以及医学诊断等领域得到广泛应用。光声光谱气体检测技术是基于气体光声效应的一种光谱检测方法，它的基本原理是利用待测气体分子受外界光源激发，吸收特定波长光子的能量，气体分子跃迁到激发态，再通过热释放吸收的能量，从而引起气体温度变化产生了压强变化。当激发光源以一定频率的信号调制，气体会产生与调制信号频率相同的声频信号，利用传感器检测出该光声信号，即可获得待检测气体的信息。在光谱分析技术中，光声光谱气体检测方法作为一种理想的无背景噪声光谱检测技术，因其具有良好的选择性，不受反射光、散射光和透射背景光的影响，检测灵敏度极高等优点，在气体检测领域中优势突出，相关检测原理和方法得到了迅速发展。

为了实现高性能的光声光谱系统，人们提出采用二氧化碳等气体激光器作为激发光源，虽然效率高、光束质量好，但体积庞大，价格昂贵，难以便携和移动。而半导体激光器虽体积小且可靠性高，但一般输出功率较低，光束质量差。量子级联激光器技术仍不成熟，且价格昂贵，功率低，难以调谐。而光声光谱检测系统的另外两个重要部分，即光声池结构和压力传感器的性能也对光声检测系统性能起着至关重要的作用。现有大多数光声光谱系统的光声池为实现光声信号的增强，大多采用共振式结构，但这将导致光声池尺寸大，光声信号在传递过程中存在复杂影响因素，且一般激发光路采用空间耦合，光学窗口也会引入额外噪声。另一方面，光声信号的拾取大多采用商用电容式麦克风，声频信号经麦克风转换成电信号，并经过放大输出，其检测灵敏度受限于麦克风性能；而音叉拾音方案，虽可较好抑制环境噪声，但由于音叉开口小（0.2mm），实际应用过程中光路对准难度极大，且容易产生噪声，音叉所产生压电信号非常微弱，需性能优异前置放大器进行信号放大，这也影响了系统性能的提高。此外，现有光声腔结构大多采用麦克风进行声频信号拾取，在检测过程中光声腔内有电信号存在，因而这限制了此类系统在易燃/易爆的气体或特种环境中的气体检测的应用。

光学干涉传感技术有抗电磁干扰、高灵敏度、大动态范围、易复用、可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境等优势，可充分解决麦克风进行声频信号拾取所存在的主要问题。光学干涉传感技术中较为常见的外差光学干涉传感技术包含有分光单元、汇聚单元，并且各单元中的光学器件之间需要精密准直。激光自混合技术相对于传统外差型干涉测量技术具有易于准直，结构紧凑、灵巧等特点。同时基于光纤激光器的自混合干涉传感技术，更是具有光纤的可饶性所带来的小型化、集约化优势以及散热快、损耗低、较高的上转换效率和低激光阈值的特点，适用于复杂环境以及需多点测量的场合。

激光自混合测距原理如图1所示，干涉系统由光纤激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的光子密度进而调制激光器本身的频率和强度，形成了自混合干涉。

令激光器前端面17与激光器后端面18之间的长度为L₀，前端面17和后端面18的反射系数分别为r₁和r₂，后端面18到目标物体散射端面19之间的外腔长度为L_ext，外腔反射系数为r₃，激光介质的折射率为n，初始的光场为E₀，自混合干涉后的光场为E(t)，则有：

Figure 2013103988704100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

式（1）中g为激光腔内单位长度引起的线性增益，g为激光腔内单位长度的损耗，n为激光的振荡频率。由于激光器阈值增益被反馈光调制，激光输出功率比例于激光阈值增益，因此，激光的输出功率被反馈光调制，输出的光功率如式（2）所表达：

Figure 2013103988704100002DEST_PATH_IMAGE002

（2）

这里调制系数m在工作电流一定时为比例于反馈强度的常数。

Figure 2013103988704100002DEST_PATH_IMAGE003

为激光在内外腔传播一周的延迟时间，I₀为激光器没有外腔反馈时的激光强度。

式（2）中，激光器的输出强度与激光器外腔长度的变化相关。

但是，迄今为止，光纤激光器作为光源的激光自混合干涉原理并没有在光声光谱传感装置中进行应用。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，该传感器可实现光声光谱检测系统的微型化、低成本、高可靠性检测。

按照本发明的技术方案：一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，包括传感光源、激发光源、第一耦合器、光声腔体及信号处理电路单元，所述传感光源、所述激发光源出射激光经所述第一耦合器由光纤导入所述光声腔体内；所述光声腔体包括陶瓷套管，所述陶瓷套管上开有气体窗口，所述陶瓷套管的一端设置有高灵敏度膜片，其另一端设置有陶瓷插芯，被检测气体通过所述气体窗口流入所述陶瓷套管内与所述高灵敏度膜片形成光声池；所述激发光源出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起所述高灵敏度膜片振动；所述传感光源作为检测光信号入射到所述高灵敏度膜片表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至所述传感光源的腔内产生自混合光声光谱信号；所述自混合光声光谱信号经所述信号处理电路单元处理，获得所述高灵敏度膜片振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。

所述传感光源包括顺序相连的波分复用器、光纤光栅、增益介质及第二耦合器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅与所述第二耦合器构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅波长匹配的激光并由所述第二耦合器的输出端口输出。

所述传感光源包括顺序相连的波分复用器、两个中心波长匹配的光纤光栅构成的光纤光栅对以及位于所述光纤光栅对之间的增益介质，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅对构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅对波长匹配的激光并由所述波分复用器的输出端口输出。

所述传感光源包括顺序相连的光纤光栅及第二耦合器，所述第二耦合器的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器、增益介质及单向隔离器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅与所述第二耦合器构成环形腔并选择与所述光纤光栅波长匹配的激光并由所述第二耦合器的输出端口输出。

所述传感光源包括顺序相连的光纤光栅及环形器，所述环形器的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器、增益介质及第二耦合器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅与所述环形器构成环形腔并选择与所述光纤光栅波长匹配的激光并由所述第二耦合器的输出端口输出。

所述光纤光栅采用可调谐光纤光栅。

所述高灵敏度膜片为非金属介质膜或者金属介质膜。

本发明的技术效果在于：本发明采用光纤激光器，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量，并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可满足特殊距离测量场合的应用需求；本发明中的线性腔光纤激光器，能够实现更高的测量灵敏度，能够实现带宽更宽的测量范围，能够保证大动态范围响应高灵敏度测量；本发明中的环形腔光纤激光器能够获得较高的输出功率，能够保证对输出功率较高要求的应用；本发明对光纤传感系统和光纤通信系统有较高的耦合效率，能实现低损耗的耦合；本发明采用自混合干涉传感技术，直接获得膜片感测到的光声信号幅度和频率，可有效降低采用电容式麦克风引入的电噪声，并提供了最紧凑光路结构实现微型化光声腔；本发明的光声信号激发光路和检测光路均由同一根光纤导入，可避免一般光声池为形成共振腔，需用光学窗口而引入的窗口光吸收及热噪声，且光路结构更加简单可靠；本发明由于采用了光纤作为信号传输通道，因而检测系统可实现远距离，分布式气体检测，尤其是光声腔内无电信号，可实现特种环境下的气体检测。

附图说明

图1为激光自混合测距原理图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明中的光声腔体的结构示意图。

图4为本发明中的传感光源的第一种实施例的结构示意图。

图5为本发明中的传感光源的第二种实施例的结构示意图。

图6为本发明中的传感光源的第三种实施例的结构示意图。

图7为本发明中的传感光源的第四种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1～图7中，包括传感光源1、激发光源2、第一耦合器3、光声腔体4、信号处理电路单元5、高灵敏度膜片6、气体窗口7、陶瓷套管8、陶瓷插芯9、泵浦单元10、波分复用器11、光纤光栅12、增益介质13、单向隔离器14、环形器15、第二耦合器16、激光器前端面17、激光器后端面18、目标物体散射端面19等。

如图2所示，本发明是一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，包括传感光源1、激发光源2、第一耦合器3、光声腔体4及信号处理电路单元5，传感光源1、激发光源2出射激光经第一耦合器3由光纤导入光声腔体4内。

如图3所示，光声腔体4包括圆柱形陶瓷套管8，陶瓷套管8上开有气体窗口7，陶瓷套管8的一端黏贴有高灵敏度膜片6，其另一端设置有陶瓷插芯9，被检测气体通过气体窗口7流入陶瓷套管8内与高灵敏度膜片6形成光声池。高灵敏度膜片6为非金属介质膜或者金属介质膜。非金属介质膜可以是石墨烯、碳化硅等，金属介质膜包括金银铜铁铝锌等。介质膜产生过程可以采用电镀、化学镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶胶凝胶、磁控溅射、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法、液相生成法等镀膜方法获得。

再参见图2，激发光源2出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起高灵敏度膜片6振动；传感光源1作为检测光信号入射到高灵敏度膜片6表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至传感光源1的腔内产生自混合光声光谱信号；自混合光声光谱信号经信号处理电路单元5处理，获得高灵敏度膜片6振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。

本发明中的传感光源1可以采用多种结构。

如图4所示，为传感光源1的第一种实施例，其包括顺序相连的波分复用器11、光纤光栅12、增益介质13及第二耦合器16，波分复用器11的另一输入端口与泵浦单元10相连；泵浦单元10出射的泵浦激光通过波分复用器11引入增益介质13使增益介质粒子数反转；光纤光栅12与第二耦合器16构成激光器的线性谐振腔，并选择与光纤光栅12波长匹配的激光并由第二耦合器16的输出端口输出。

如图5所示，为传感光源1的第二种实施例，其包括顺序相连的波分复用器11、两个中心波长匹配的光纤光栅12构成的光纤光栅对以及位于光纤光栅对之间的增益介质13，波分复用器11的另一输入端口与泵浦单元10相连；泵浦单元10出射的泵浦激光通过波分复用器11引入增益介质13使增益介质粒子数反转；光纤光栅对构成激光器的线性谐振腔，并选择与光纤光栅对波长匹配的激光并由波分复用器11的输出端口输出。

如图6所示，为传感光源1的第三种实施例，其包括顺序相连的光纤光栅12及第二耦合器16，第二耦合器16的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器11、增益介质13及单向隔离器14，波分复用器11的另一输入端口与泵浦单元10相连；泵浦单元10出射的泵浦激光通过波分复用器11引入增益介质13使增益介质粒子数反转；光纤光栅12与第二耦合器16构成环形腔并选择与光纤光栅波长匹配的激光并由第二耦合器16的输出端口输出。

如图7所示，为传感光源1的第四种实施例，其传感光源1包括顺序相连的光纤光栅12及环形器15，环形器15的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器11、增益介质13及第二耦合器16，波分复用器11的另一输入端口与泵浦单元10相连；泵浦单元10出射的泵浦激光通过波分复用器11引入增益介质13使增益介质粒子数反转；光纤光栅12与环形器15构成环形腔并选择与光纤光栅12波长匹配的激光并由第二耦合器16的输出端口输出。

上述传感光源1的各种实施例中，光纤光栅12可采用可调谐光纤光栅。

本发明具有以下优点：

1、采用光纤激光器，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量。

2、采用自混合干涉传感直接获得膜片感测到的光声信号幅度和频率，可有效降低采用电容式麦克风引入的电噪声。

3、采用最紧凑光路结构实现微型化光声腔，光声信号激发光路和检测光路均由同一根光纤导入，可避免一般共振腔中的光学窗口引入的光吸收及热噪声。

4、采用了全光纤结构尤其是光声腔内无电信号，可实现特种环境下的气体检测；并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可实现远距离，分布式气体检测。

Claims

1.一种基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：包括传感光源（1）、激发光源（2）、第一耦合器（3）、光声腔体（4）及信号处理电路单元（5），所述传感光源（1）、所述激发光源（2）出射激光经所述第一耦合器（3）由光纤导入所述光声腔体（4）内；所述光声腔体（4）包括陶瓷套管（8），所述陶瓷套管（8）上开有气体窗口（7），所述陶瓷套管（8）的一端设置有高灵敏度膜片（6），其另一端设置有陶瓷插芯（9），被检测气体通过所述气体窗口（7）流入所述陶瓷套管（8）内与所述高灵敏度膜片（6）形成光声池；所述激发光源（2）出射激光激发气体分子产生光声信号，并引起所述高灵敏度膜片（6）振动；所述传感光源（1）作为检测光信号入射到所述高灵敏度膜片（6）表面，被反射回光纤端面，经光纤输出至所述传感光源（1）的腔内产生自混合光声光谱信号；所述自混合光声光谱信号经所述信号处理电路单元（5）处理，获得所述高灵敏度膜片（6）振动频率和幅度，进而获得气体的浓度、压力信息。

2.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述传感光源（1）包括顺序相连的波分复用器（11）、光纤光栅（12）、增益介质（13）及第二耦合器（16），所述波分复用器（11）的另一输入端口与泵浦单元（10）相连；所述泵浦单元（10）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（11）引入所述增益介质（13）使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅（12）与所述第二耦合器（16）构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅（12）波长匹配的激光并由所述第二耦合器（16）的输出端口输出。

3.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述传感光源（1）包括顺序相连的波分复用器（11）、两个中心波长匹配的光纤光栅（12）构成的光纤光栅对以及位于所述光纤光栅对之间的增益介质（13），所述波分复用器（11）的另一输入端口与泵浦单元（10）相连；所述泵浦单元（10）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（11）引入所述增益介质（13）使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅对构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述光纤光栅对波长匹配的激光并由所述波分复用器（11）的输出端口输出。

4.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述传感光源（1）包括顺序相连的光纤光栅（12）及第二耦合器（16），所述第二耦合器（16）的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器（11）、增益介质（13）及单向隔离器（14），所述波分复用器（11）的另一输入端口与泵浦单元（10）相连；所述泵浦单元（10）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（11）引入所述增益介质（13）使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅（12）与所述第二耦合器（16）构成环形腔并选择与所述光纤光栅波长匹配的激光并由所述第二耦合器（16）的输出端口输出。

5.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述传感光源（1）包括顺序相连的光纤光栅（12）及环形器（15），所述环形器（15）的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器（11）、增益介质（13）及第二耦合器（16），所述波分复用器（11）的另一输入端口与泵浦单元（10）相连；所述泵浦单元（10）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（11）引入所述增益介质（13）使增益介质粒子数反转；所述光纤光栅（12）与所述环形器（15）构成环形腔并选择与所述光纤光栅（12）波长匹配的激光并由所述第二耦合器（16）的输出端口输出。

6.按照权利要求2至5中任一项所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述光纤光栅（12）采用可调谐光纤光栅。

7.按照权利要求1所述的基于自混合的高灵敏度膜片式光声光谱传感器，其特征是：所述高灵敏度膜片（6）为非金属介质膜或者金属介质膜。