CN103954560A - 一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，包括复合光源、窗片、气体池、声敏元件组成；本发明通过对复合光源内的输出光束进行调制去激励气体池内的气体，使气体池内的气体受激后无辐射跃迁产生光热信号，通过声敏元件测量光热信号，对声敏元件的信号进行分析处理，即可换算出被测气体的浓度。本耦合装置具有小体积、快速响应、低背景噪声、多组分同时检测等优点，适用于环境气体的光声光谱监测系统，也可用于光谱分析、分析仪器等领域相关设备的多光源耦合与检测。

Description

一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置
技术领域
本发明设计一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，适用于环境气体的光声光谱监测系统，也可用于光谱分析、波普分析、化学计量等领域相关设备的多光源耦合，属于仪器仪表技术领域。
背景技术
光声光谱技术应用于气体检测是通过检测气体分子对激光光子能量的吸收来定量分析气体的浓度，如果把光源用某种声频进行调制，在一个特制的光声腔中就可以通过声探测器检测到与调制频率相同的声音信号，通过该声音信号可以解析出气体浓度。由于不同气体对不同频率的光源具有选择性吸收特性，如果有多种频率的光源，则可以实现在一个光声腔内同时监测多种气体。
现有的光声气体测量装置主要是采用单端单光源入射到气体池中，其光源的单一性决定了测量气体的种类少，局限性很大。
在某些研究中采用的是一个光源对应一个气体池的方式解决多光源耦合问题，但随着组分的增加，装置的复杂性加大。
现有的光束耦合装置如下缺点：
(1)现有光声气体测量装置主要是采用单端单光源入射到气体池中，其光源的单一性决定了测量气体的种类少，局限性很大。
(2)现有光声气体测量装置为实现多种气体测量，采用的是一个光源对应一个气体池的方式，随着检测组分的增加，装置的复杂性加大。
发明内容
本发明的技术解决问题是：提供了一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，本发明通过多光源耦合完成多种气体浓度的测量、实现量体积小、灵敏度高、背景噪声低、测量气体种类多，检测快速的空间光束耦合装置。
本发明的技术解决方案是
一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，包括复合光源A、窗片A、气体池、声敏元件、窗片B、复合光源B；
气体池两端能够同时进光，气体池内开有声谐振腔，窗片A以一定的角度固定于气体池的声谐振腔的一端，窗片B以一定的角度固定于气体池的声谐振腔的另一端，声敏元件安装于气体池内并与声谐振腔内表面相接触，复合光源A和复合光源B输出的合成光沿与声谐振腔轴线有一定角度的方向通过窗片A和窗片B射入气体池，气体池内的气体受到入射光束激励后无辐射跃迁产生光热信号，声敏元件对所产生的光热信号进行测量，然后对声敏元件测量得到的光热信号进行分析处理得到被测气体的浓度。
所述窗片A和窗片B和声谐振腔的夹角为3°～8°。
所述复合光源A和复合光源B输出不同波段的光束。
所述复合光源A或复合光源B由准直光源、反射棱镜、反射棱镜、准直光源、反射棱镜、反射棱镜、准直光源组成；准直光源经反射棱镜反射后与准直光源经反射棱镜反射后合成一束光，然后经过反射棱镜反射后，再与准直光源经过反射棱镜反射后的光汇合成一束合成光通过窗片A或窗片B入射气体池。
所述复合光源A或复合光源B由准直光源、准直光源、二向色镜、二向色镜、准直光源组成；准直光源的透射光经过二向色镜后与准直光源由二向色镜反射的光汇合成一束光，然后合成光由二向色镜反射后与准直光源的透射光经过二向色镜后汇合成一束合成光，通过窗片B或窗片A入射到气体池。
所述复合光源A或复合光源B由准直光源、反射棱镜、反射棱镜、准直光源、准直光源、二向色镜、二向色镜、准直光源组成；准直光源的出射光经二向色镜的反射光与准直光源经二向色镜的透射光合束后，经反射棱镜反射的光汇合成一束光，再与准直光源经二向色镜反射后与准直光源经二向色镜的透射光汇合反射棱镜反射光线汇合成一束合成光，通过窗片A或窗片B射入气体池。
所述的进入气体池的合成光光斑直径应小于气体池的声谐振腔内径，光斑直径小于4mm。
所述合成光射入的方向与声谐振腔轴线的角度小于气体池声谐振腔直径与声谐振腔长度的比的反正切。
所述合成光射入的方向与声谐振腔轴线的角度为0.5°～2°
所述复合光源A和复合光源B输出的合成光为经过波长或强度调制后的合成光，且复合光源A和复合光源B可以为连续、脉冲式光源或其组合。
所述声谐振腔为圆柱形，其直径远小于声音在谐振腔内传播的波长，声谐振腔直径为1～10mm，长度为10～300mm。
所述反射棱镜采用镀金工艺或所在波长范围内镀增反膜用于以提高反射率。
所述气体池可以采用两端同时进光，也可以采用单端进光。
所述复合光源A和复合光源B组合形式还有其他构成形式。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用光源两端入射同一气体池，提高了光声池的利用效率，减小了结构的尺寸，体积小，成本低。
(2)本发明采用入射光法线与气体池两侧窗片法线成一定角度的方式入射，降低了光学标准具噪声，提高量灵敏度。
(3)本发明的复合光源可扩展性强，通过反射棱镜与二向色镜的组合，可以实现16路以上光源的耦合，可以实现多种气体的测量，应用范围广。
(4)本发明以不同的调制频率驱动光源，采用在调制频率范围内响应平坦的声敏元件检测，通过相应的解调算法即可实现所有光源的测量结果同步输出，提高了检测速度。
(5)本发明采样了复合光束的法线与气体池声谐振腔轴线成微角度，且入射光线位于声敏元件与声谐振腔轴线所构平面的法平面内，避免了两端入射时光源对射造成损坏。
(6)本发明的反射棱镜采用镀金工艺或所在波长范围内镀增反膜用于以提高反射率，降低能量损耗，其反射效率达到90％以上。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2、图3、图4分别为本发明复合光源三种结构构成示意图；
图5为本发明气体池的光学标准具减小措施示意图；
图6为本发明复合光源避免对射互伤设计俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，本发明一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，包括复合光源A1、窗片A2、气体池3、声敏元件4、窗片B5、复合光源B6。
气体池3两端能够同时进光气体池3可以采用两端同时进光，也可以采用单端进光，气体池3内开有声谐振腔声谐振腔为圆柱形，其直径远小于声音在谐振腔内传播的波长，声谐振腔直径为1～10mm，长度为10～300mm；窗片A2以一定的角度固定于气体池3的声谐振腔的一端，窗片B5以一定的角度固定于气体池3的声谐振腔的另一端，声敏元件4安装于气体池3内并与声谐振腔内表面相接触；复合光源A1和6输出的合成光沿与声谐振腔轴线有一定角度的方向通过窗片A2和5射入气体池3，气体池3内的气体受到入射光束激励后无辐射跃迁产生光热信号，声敏元件4对所产生的光热信号进行测量，然后对声敏元件4测量得到的光热信号进行分析处理得到被测气体的浓度声敏元件4选用低频微音器，在20-1000Hz范围响应平坦且输出最大。
复合光源1和复合光源B6输出的合成光为经过波长或强度调制后的合成光，复合光源A1和6输出不同波段的光束，进入气体池3的合成光光斑直径应小于气体池3的声谐振腔内径，光斑直径小于4mm。
如图5所示，窗片A2、5以3°～8°的夹角固定在声谐振腔的两端，该设计能避免窗片A2和窗片B5的表面反射光以原路返回而产生光学标准具噪声。
如图2所示，复合光源A1或复合光源B6由准直光源21、反射棱镜22、反射棱镜23、准直光源24、反射棱镜25、反射棱镜26、准直光源27组成；准直光源21经反射棱镜22反射后与准直光源24经反射棱镜23反射后合成一束光，然后经过反射棱镜25反射后，再与准直光源27经过反射棱镜26反射后的光汇合成一束合成光通过窗片A2或窗片B5入射气体池3。
如图3所示，复合光源A1或复合光源B6由准直光源31、准直光源32、二向色镜33、二向色镜34、准直光源35组成；准直光源35的透射光经过二向色镜34后与准直光源32由二向色镜34反射的光汇合成一束光，然后合成光由二向色镜33反射后与准直光源31的透射光经过二向色镜33后汇合成一束合成光，通过窗片B5或窗片A2入射到气体池3。
如图4所示，复合光源A1或复合光源B6由准直光源41、反射棱镜42、反射棱镜43、准直光源44、准直光源45、二向色镜46、二向色镜47、准直光源48组成；准直光源41的出射光经二向色镜46的反射光与准直光源45经二向色镜46的透射光合束后，经反射棱镜42反射的光汇合成一束光，再与准直光源44经二向色镜47反射后与准直光源48经二向色镜47的透射光汇合反射棱镜43反射光线汇合成一束光源，通过窗片A2入射气体池3或者通过窗片B5入射气体池3。
如图6所示，合成光射入的方向与声谐振腔轴线的角度β小于气体池声谐振腔直径与声谐振腔长度的比的反正切，β为0.5°～2°，该设计能避免光声池3两侧的复合光源A1、复合光源B6互伤。
反射棱镜22、反射棱镜23、反射棱镜25、反射棱镜26、反射棱镜42、反射棱镜43采用镀金工艺或所在波长范围内镀增反膜用于以提高反射率，降低能量损耗，其反射效率达到98％以上。
二向色镜33、二向色镜34、二向色镜46、二向色镜47的入射角度为45°，当入射波长超过设计的波长范围时，能量的90％以透射光通过，低于设计波长范围时，能量的90％以反射光通过。
下面以一个具体实施例进一步说明本发明的工作原理和组成：
本实施例中，复合光源A1采用图2的组成方式，复合光源B6采用图3的组成方式，复合光源A1经频率调制后发出的光经过窗片A2后经过气体池3，从声谐振腔进入后经过光声转化后被位于气体池中间部位的声敏元件4检测，光束经过声敏元件所在位置后从声谐振腔右侧出来，再经过窗片B5后离开气体池；复合光源B6经过频率调制后经过窗片B5经过气体池3，从声谐振腔的右侧入射后经过声敏元件4检测后通过声谐振腔的左侧后经窗片A2出射。光声气体池的声谐振腔内径为6mm，长度为90mm，窗片A2及窗片B5的法线与声谐振腔的轴线夹角为3℃。复合光源A1的光轴与声谐振腔的角度为0.5°，复合光源B6的光轴与声谐振腔的角度为179.5°。
如图2所示，准直光源21、准直光源24、准直光源27的光波长按被检测气体的种类确定，实施例中准直光源21采用的是Nanoplus DFB激光器，中心波长是2330nm，TO5封装，调制频率为30Hz，用于测量一氧化碳气体；准直光源25采用的中心波长是3425nm，TO66封装，调制频率为40Hz，用于测量二氧化氮与甲烷；准直光源27采用的Block Lasertune系列中心波长为9128nm，HDD封装，调制频率为45Hz，用于测量氨气、甲醇、苯、甲苯等，脉冲式输出，占空比为5％，重复频率为1MHz；激光源的光斑为2×4mm，功率为5mW。反射棱镜全部选用的是Throlabs的MRA10-M01，两棱镜的间距为0.2mm。调整准直光源21入射到反射棱镜22的边缘，使光斑边缘距离反射棱镜的边缘为0.1mm，准直光源24入射到反射棱镜23的边缘，使光斑边缘距离反射棱镜的边缘为0.1mm，准直光源27入射到反射棱镜26的边缘，使光斑边缘距离反射棱镜的边缘为0.1mm，经过反射棱镜22与经过反射棱镜23反射的光束光斑合束后的光斑边缘距反射棱镜25的距离为0.1mm。
如图3所示，二向色镜33为DMSP1500，其反射波长为1000nm-1450nm，透射波长为1550nm-2000nm；二向色镜34为DMLP1800，其反射波长为1500-1750nm，透射波长为1850-2100nm，二向色镜的入射角度均为45°。
如图3所示，准直光源31采用的是NTT公司的NLK1B5EAAA，中心波长为1310nm，功率为10mW，蝶形封装，调制频率为70Hz，用于测量氟化氢；准直光源32采用的是NTT公司的NLK1S5EAAA，中心波长为1528nm，蝶形封装，调制频率为75Hz；准直光源35采用的是Nanoplus公司的DFB激光器，中心波长为2004nm，蝶形封装，调制频率为80Hz；准直光源的光斑小于2mm，功率大于1mW。
如图1所示，声敏元件4声敏元件采用的是共振频率为500Hz的硅微悬臂梁，悬臂梁的厚度为10微米，长2mm，宽5mm。采用迈克尔逊干涉仪检测悬臂梁的位移，最小检测位移为1nm。通过对迈克尔逊干涉仪的信号进行快速傅里叶变换、均值滤波后，采用偏最小二拟合算法可以得出待测气体的浓度，通过实施例的演示可以进行ppb量级，响应时间小于1分钟，多达16种物质的空气环境检测。
本发明未做详细描述的部分是公知技术。

Claims (14)

1.一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于包括：复合光源A(1)、窗片A(2)、气体池(3)、声敏元件(4)、窗片B(5)、复合光源B(6)；
气体池(3)两端能够同时进光，气体池(3)内开有声谐振腔，窗片A(2)以一定的角度固定于气体池(3)的声谐振腔的一端，窗片B(5)以一定的角度固定于气体池(3)的声谐振腔的另一端，声敏元件(4)安装于气体池(3)内并与声谐振腔内表面相接触，复合光源A(1)和复合光源B(6)输出的合成光沿与声谐振腔轴线有一定角度的方向通过窗片A(2)和窗片B(5)射入气体池(3)，气体池(3)内的气体受到入射光束激励后无辐射跃迁产生光热信号，声敏元件(4)对所产生的光热信号进行测量，然后对声敏元件(4)测量得到的光热信号进行分析处理得到被测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述窗片A(2)、窗片B(5)和声谐振腔的夹角为3°～8°。
3.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)和复合光源B(6)输出不同波段的光束。
4.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)或复合光源B(6)由准直光源(21)、反射棱镜(22)、反射棱镜(23)、准直光源(24)、反射棱镜(25)、反射棱镜(26)、准直光源(27)组成；准直光源(21)经反射棱镜(22)反射后与准直光源(24)经反射棱镜(23)反射后合成一束光，然后经过反射棱镜(25)反射后，再与准直光源(27)经过反射棱镜(26)反射后的光汇合成一束合成光通过窗片A(2)或窗片B(5)入射气体池(3)。
5.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)或复合光源B(6)由准直光源(31)、准直光源(32)、二向色镜(33)、二向色镜(34)、准直光源(35)组成；准直光源(35)的透射光经过二向色镜(34)后与准直光源(32)由二向色镜(34)反射的光汇合成一束光，然后合成光由二向色镜(33)反射后与准直光源(31)的透射光经过二向色镜(33)后汇合成一束合成光，通过窗片B(5)或窗片A(2)入射到气体池(3)。
6.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)或复合光源B(6)由准直光源(41)、反射棱镜(42)、反射棱镜(43)、准直光源(44)、准直光源(45)、二向色镜(46)、二向色镜(47)、准直光源(48)组成；准直光源(41)的出射光经二向色镜(46)的反射光与准直光源(45)经二向色镜(46)的透射光合束后，经反射棱镜(42)反射的光汇合成一束光，再与准直光源(44)经二向色镜(47)反射后与准直光源(48)经二向色镜(47)的透射光汇合反射棱镜(43)反射光线汇合成一束合成光，通过窗片A(2)或窗片B(5)射入气体池(3)。
7.根据权利要求1或4或5或6所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述的进入气体池(3)的合成光光斑直径应小于气体池(3)的声谐振腔内径，光斑直径小于4mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述合成光射入的方向与声谐振腔轴线的角度小于气体池声谐振腔直径与声谐振腔长度的比的反正切。
9.根据权利要求8所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述合成光射入的方向与声谐振腔轴线的角度为0.5°～2°
10.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)和复合光源B(6)输出的合成光为经过波长或强度调制后的合成光，且复合光源A(1)和复合光源B(6)可以为连续、脉冲式光源或其组合。
11.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述声谐振腔为圆柱形，其直径远小于声音在谐振腔内传播的波长，声谐振腔直径为1～10mm，长度为10～300mm。
12.根据权利要求3、4或5所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述反射棱镜(22)、反射棱镜(23)、反射棱镜(25)、反射棱镜(26)、反射棱镜(42)、反射棱镜(43)采用镀金工艺或所在波长范围内镀增反膜用于以提高反射率。
13.根据权利要求1所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征还在于：所述气体池(3)可以采用两端同时进光，也可以采用单端进光。
14.根据权利要求4、5或6所述的一种用于光声多组分气体检测的空间光束耦合装置，其特征在于：所述复合光源A(1)和复合光源B(6)组合形式还有其他构成形式。
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