CN107271546A - 基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统 - Google Patents

基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统，其包括有由硅悬臂梁及其匹配共振管构成的声波探测器件；硅悬臂梁包括有匀质标准梁、小扇形梁、大扇形梁和楔形梁4种；共振管中间具有腔道，共振管上开设有连通腔道的窗口以及用于将硅悬臂梁置于窗口位置的固定台面，共振管上还具有位于窗口两侧的紧固螺柱，紧固螺柱上设置有通过螺母紧固的悬臂梁压具以用于将硅悬臂梁压紧于共振管的窗口上。本发明可根据实际需要来更换不同结构的硅悬臂梁以实现改变硅悬臂梁谐振频率和振动位移大小，从而提高光声信号探测灵敏度；通过法珀腔解调方式具有探测精度高、灵敏度好的优势。

Description

基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统
技术领域
本发明涉及光声光谱气体检测技术领域，具体涉及一种基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统。
背景技术
痕量气体检测技术的发展对于大气环境监测,爆炸物的远距离探测及生物生理状态检测等都具有十分重要的意义。光声光谱（Photoacoustic spectroscopy, PAS）由于具有灵敏度高，动态范围大，探测器响应与入射波长无关等特点，一直以来都是痕量气体检测技术最重要的发展方向之一，目前主要的光声光谱技术有传统的聚声腔光声光谱（Conventional Photoacoustic Spectroscopy，简称CPAS）和石英增强光声光谱(Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy，简称QEPAS)，可以对ppb 浓度级别的气体进行探测，传统的聚声腔光声光谱CPAS 采用微音器检测光声信号，容易受外界噪声的影响，QEPAS采用石英音叉作为声波传感器，对声波进行探测，采用珐珀腔光解调技术可以弥补电解调检测信号弱的不足，可以在强电磁干扰、高温、高湿等恶劣环境中用于易燃易爆气体的远距离探测，但由于所用音叉为批量生产低成本的标准音叉，其谐振频率为32.678kHZ，振动位移为几十pm 量级，为根据实际需求可改变谐振频率，增大振动位移，提高光声信号探测灵敏度，为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明专利提出来一种以硅悬臂梁及其匹配共振管为声波探测器件的光声光谱气体检测系统。
发明内容
本发明旨在提供一种基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统，以提高光声信号探测灵敏度。
本发明的技术方案如下：
一种基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统，包括有声波探测器件，声波探测器件是由硅悬臂梁及其匹配共振管构成，硅悬臂梁有4种，分别为匀质标准梁、小扇形梁、大扇形梁和楔形梁，其任一种硅悬臂梁均可与共振管匹配构成声波探测器件，通过更换这4种不同结构的硅悬臂梁来与共振管匹配，从而改变硅悬臂梁谐振频率和振动位移大小；共振管中间具有腔道，共振管上开设有连通腔道的窗口以及用于将硅悬臂梁置于窗口位置的固定台面，共振管上还具有位于窗口两侧的紧固螺柱，紧固螺柱上设置有通过螺母紧固的悬臂梁压具以用于将任一种硅悬臂梁压紧于共振管的窗口上。
光声光谱气体检测系统还包括有DFB 激光器，DFB 激光器向共振管的腔道发出脉冲激光，腔道内被检测气体吸收脉冲激光后发生周期性地膨胀并引起硅悬臂梁发生谐振，还包括有光纤Ⅰ，光纤Ⅰ的光纤端面与硅悬臂梁金属表面形成法珀腔，硅悬臂梁的谐振引起法珀腔腔长的变化，光纤Ⅰ的另一端连接光纤准直器，光纤准直器通过光纤连接耦合器，耦合器通过光纤连接半导体激光器和PIN 光电探测器，半导体激光器发出的光通过耦合器、光纤准直器和光纤Ⅰ后照射到硅悬臂梁的金属表面，光纤Ⅰ端面和硅悬臂梁的金属表面形成腔长调谐的法珀腔，光纤Ⅰ中的激光一部分由光纤Ⅰ端面反射回光纤Ⅰ，另一部分由硅悬臂梁的金属表面反射，两束反射光同时在光纤Ⅰ内传输，形成干涉光，干涉光通过耦合器进入PIN光电探测器，PIN光电探测器输出与干涉光强相对应的电信号，PIN 光电探测器的输出端连接差分放大电路的一个输入端，差分放大电路的输出端连接滤波电路，滤波电路的输出端和单片机的A/D 采集端相连接，单片机和DFB 激光器相连接为其提供驱动电流，单片机连接到差分放大电路的另一个输入端为差分放大电路输入端提供输入信号。
本发明的有益效果：一是本发明光声光谱气体检测系统的声波探测器件具有一组不同结构的硅悬臂梁件，可根据实际需要来更换以实现改变硅悬臂梁谐振频率和振动位移大小，从而提高光声信号探测灵敏度；二是本发明采用法珀腔解调方式以弥补电解调检测信号弱的不足，可以在强电磁干扰、高温、高湿等恶劣环境中用于易燃易爆气体的远距离探测，具有探测精度高、灵敏度好的优势。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描述。
图1 为本发明中声波探测器件的结构示意图；
图2为本发明中匀质标准梁的结构示意图；
图3为本发明中小扇形梁的结构示意图；
图4为本发明中大扇形梁的结构示意图；
图5为本发明中楔形梁的结构示意图；
图6为本发明中共振管的结构示意图；
图7为本发明的系统结构图；
图8为本发明中光纤Ⅰ端面与硅悬臂梁技术表面形成的法珀腔示意图；
图中，1 DFB 激光器，2共振管,2-1腔道，2-2窗口,2-3固定台面，2-4紧固螺柱，2-5固定螺柱，2-6螺母,2-7悬臂梁压具，3硅悬臂梁，3-1匀质标准梁,3-2小扇形梁3-2,3-3大扇形梁,3-4楔形梁，4光纤Ⅰ，5光纤准直器，6半导体激光器，7耦合器，8 PIN 光电探测器，9差分放大电路，10滤波电路，11单片机。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例1
如图1所示为本发明中光声光谱气体检测系统的一种实施例，该实施例包括有声波探测器件，该声波探测器件是由硅悬臂梁3及其匹配共振管2构成，硅悬臂梁有4种，分别为如图2所示的匀质标准梁3-1、如图3所示的小扇形梁3-2、如图4所示的大扇形梁3-3和如图5所示的楔形梁（3-4），共振管如图6所示，其中间具有腔道2-1，共振管上开设有连通腔道的窗口2-2以及用于将硅悬臂梁置于窗口位置的固定台面2-3，共振管上还具有位于窗口两侧的紧固螺柱2-4，紧固螺柱上设置有通过螺母2-6紧固的悬臂梁压具2-7以用于将硅悬臂梁压紧于共振管的窗口上；共振管的前侧具有用于固定共振管位置的固定螺柱2-5。
如图7所示，该实施例还包括有DFB 激光器1，DFB 激光器向共振管2的腔道发出脉冲激光，腔道内被检测气体吸收脉冲激光后发生周期性地膨胀并引起硅悬臂梁3发生谐振，该实施还包括有光纤Ⅰ4，光纤Ⅰ4的光纤端面与硅悬臂梁3金属表面形成法珀腔（如图8所示），硅悬臂梁的谐振引起法珀腔腔长的变化，光纤Ⅰ的另一端连接光纤准直器5，光纤准直器通过光纤连接耦合器7，耦合器通过光纤连接半导体激光器6和PIN 光电探测器8，半导体激光器6发出的光通过耦合器7、光纤准直器5和光纤Ⅰ4后照射到硅悬臂梁的金属表面，光纤Ⅰ端面和硅悬臂梁的金属表面形成腔长调谐的法珀腔，光纤Ⅰ中的激光一部分由光纤Ⅰ端面反射回光纤Ⅰ，另一部分由硅悬臂梁的金属表面反射，两束反射光同时在光纤Ⅰ内传输，形成干涉光，干涉光通过耦合器进入PIN光电探测器，PIN光电探测器输出与干涉光强相对应的电信号，PIN 光电探测器的输出端连接差分放大电路9的一个输入端，差分放大电路的输出端连接滤波电路10，滤波电路的输出端和单片机11的A/D 采集端相连接，单片机和DFB 激光器相连接为其提供驱动电流，单片机连接到差分放大电路的另一个输入端为差分放大电路输入端提供输入信号。

Claims (2)

1.一种基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统，包括有声波探测器件，特征在于：所述声波探测器件是由硅悬臂梁（3）及其匹配共振管（2）构成；所述硅悬臂梁包括有匀质标准梁（3-1）、小扇形梁（3-2）、大扇形梁（3-3）和楔形梁（3-4）4种且选其一与共振管构成声波探测器件；所述共振管中间具有腔道（2-1），所述共振管上开设有连通腔道的窗口（2-2）以及用于将硅悬臂梁置于窗口位置的固定台面（2-3），所述共振管上还具有位于窗口两侧的紧固螺柱（2-4），所述紧固螺柱上设置有通过螺母（2-6）紧固的悬臂梁压具（2-7）以用于将硅悬臂梁压紧于共振管的窗口上。
2.根据权利要求1所述的基于硅悬臂梁及其匹配共振管的光声光谱气体检测系统，特征在于：所述光声光谱气体检测系统还包括有DFB 激光器（1），所述DFB 激光器向共振管的腔道发出脉冲激光，腔道内被检测气体吸收脉冲激光后发生周期性地膨胀并引起硅悬臂梁发生谐振，还包括有光纤Ⅰ（4），所述光纤Ⅰ的光纤端面与硅悬臂梁金属表面形成法珀腔，硅悬臂梁的谐振引起法珀腔腔长的变化，光纤Ⅰ的另一端连接光纤准直器（5），光纤准直器通过光纤连接耦合器（7），耦合器通过光纤连接半导体激光器（6）和PIN 光电探测器（8），半导体激光器发出的光通过耦合器、光纤准直器和光纤Ⅰ后照射到硅悬臂梁的金属表面，光纤Ⅰ端面和硅悬臂梁的金属表面形成腔长调谐的法珀腔，光纤Ⅰ中的激光一部分由光纤Ⅰ端面反射回光纤Ⅰ，另一部分由硅悬臂梁的金属表面反射，两束反射光同时在光纤Ⅰ内传输，形成干涉光，干涉光通过耦合器进入PIN光电探测器，PIN光电探测器输出与干涉光强相对应的电信号，PIN 光电探测器的输出端连接差分放大电路（9）的一个输入端，差分放大电路的输出端连接滤波电路（10），滤波电路的输出端和单片机（11）的A/D 采集端相连接，单片机和DFB激光器相连接为其提供驱动电流，单片机连接到差分放大电路的另一个输入端为差分放大电路输入端提供输入信号。
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