CN107677610A - 一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法 - Google Patents

一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法，属于微量气体检测技术领域。光源激发待测气体分子产生的声波在共振式光声池中的声共振管内相干叠加后有效增强光声信号幅度；同时通过对悬臂梁结构的精密设计以及温度控制对光声池共振频率的微调，使悬臂梁共振频率与光声池的共振频率实现精确匹配，利用悬臂梁的一阶共振进一步增强光声信号；双共振增强光声光谱方法结合锁相放大器实现超高灵敏度气体检测。本发明中悬臂梁与光声池的双共振增强机制使光声信号得到显著放大，且该系统工作频率在kHz量级，极大地降低了1/f噪声，为超低浓度气体检测提供一种极具竞争力的技术方案。

Description

一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法
技术领域
本发明属于微量气体检测技术领域，涉及一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法。
背景技术
光声光谱气体传感器以其具有的高灵敏度、小采样体积等显著优势，已在变压器油中溶解气分析、环境污染气体监测和煤矿易燃易爆气体监测等领域获得了较多应用。
传统的光声光谱检测中，气体分子吸收光能发生无辐射跃迁产生的声波，通常被一个驻极体传声器转换为电信号。根据光声光谱学的原理，光声测量的灵敏度正比于声波探测器的灵敏度。相比于电容式传声器和膜片式光纤传声器，硅微悬臂梁传声器具有低频响应好、灵敏度高和动态响应范围大等优点。为提高传声器的探测灵敏度，文献KauppinenJ,Wilcken K,Kauppinen I,et al.High sensitivity in gas analysis withphotoacoustic detection[J].Microchemical journal,2004,76(1):151-159设计了基于迈克尔逊干涉仪的硅微悬臂梁式光学传声器，并首次提出了悬臂梁增强型光声光谱(CEPAS)检测方案。CEPAS采用悬臂梁传声器替代传统驻极体传声器对光声信号进行测量，从而形成增强型光声光谱。高灵敏度硅微悬臂梁传感器的应用，极大的提高了系统对待测气体光声信号的检测灵敏度，使得CEPAS痕量气体检测技术能够利用待测气体较为微弱的吸收谱线对其进行高精度定量检测，拓宽了光声光谱痕量气体检测技术的应用范围。然而，目前的CEPAS系统中，悬臂梁传声器的一阶固有频率在1kHz附近，而光调制频率低于100Hz，悬臂梁和光声池均工作于非共振状态，声波检测系统存在光声信号无法实现共振增强、1/f噪声较大等缺点。因而，设计一种高信噪比的共振型CEPAS系统在超低浓度气体检测中具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法，旨在解决传统CEPAS测量方法中存在的光声信号增强效果有限以及1/f噪声较大的问题，进一步提高CEPAS系统的气体检测灵敏度，为光声光谱在微量气体检测中的应用拓展更大的空间。
本发明的技术方案：
一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，包括光源1、光调制器2、共振式光声池3、进气口4、出气口5、悬臂梁传声器6、锁相放大器7、计算机8和恒温箱9；光源1与共振式光声池3之间设置光调制器2，光经光调制器2调制后入射到共振式光声池3；共振式光声池3上设有进气口4和出气口5，用于待测气体的进入和排出；共振式光声池3和悬臂梁传声器6置于恒温箱9内部，悬臂梁传声器6安装在共振式光声池3上，用于探测共振式光声池3内气体分子跃迁形成的声波信号，并将声波信号转化为电信号；锁相放大器7的信号输入端与悬臂梁传声器6相连，参考输入端与光调制器2相连，分别用于接收并放大悬臂梁传声器6传输的电信号和光调制器2传输的调制信号；计算机8与锁相放大器7相连，用于设置锁相放大器7的工作参数并对锁相放大器7输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。
一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，通过将悬臂梁传声器6与共振式光声池3的共振频率匹配，实现对光声信号的双共振增强放大；具体步骤如下：
首先通过设置恒温箱9的温度，对共振式光声池3的共振频率进行微调，使共振式光声池3和悬臂梁传声器6的共振频率实现精确匹配；光调制器2对来自光源1的光进行强度调制后，入射到共振式光声池3中；然后将待测气体从进气口4通入共振式光声池3中，共振式光声池3中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；悬臂梁传声器6将探测的声波信号转换为电信号后输入到锁相放大器7的信号输入端；同时，光调制器2将调制信号输入到锁相放大器7的参考输入端；计算机8设置锁相放大器7的工作参数，锁相放大器7将接收的信号进行放大，最后计算机8对锁相放大器7输出的光声信号测量值进行采集、处理、显示，测量后的气体从出气口5排出。
所述的共振式光声池3的一阶共振频率范围为500Hz-10kHz。
所述的光调制器2的调制频率与共振式光声池3的一阶共振频率相等。
所述的悬臂梁传声器6的一阶共振频率与共振式光声池3的一阶共振频率相等。
所述的恒温箱9的温度调节范围为20-50℃，用于对共振式光声池3的共振频率进行微调。
本发明的原理如下：悬臂梁与共振式光声池的共振频率匹配，实现对光声信号的双共振增强放大。光源激发待测气体分子产生的声波在共振式光声池中的声共振管内相干叠加后有效增强光声信号幅度；同时通过对悬臂梁结构的精密设计以及温度控制对光声池共振频率的微调，使悬臂梁共振频率与光声池共振频率实现精确匹配，利用悬臂梁的一阶共振响应进一步增强光声信号。结合基于光学干涉测量的悬臂梁声波探测技术实现高灵敏度微量气体检测。
本发明的有益效果：悬臂梁与光声池的双共振增强机制使光声信号得到显著放大，并且相比于传统的CEPAS系统，双共振CEPAS系统工作频率在kHz量级，极大地降低了1/f噪声。由于有限元分析技术以及激光微加工与微机电系统(MEMS)加工工艺日趋成熟，因此，通过精确的悬臂梁结构设计，很容易实现悬臂梁与光声池的共振频率匹配。本发明为超低浓度气体检测提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是光纤悬臂梁传声器探头的结构图。
图3是不锈钢悬臂梁膜片的外形示意图。
图4是系统的频率响应示意图。
图中：1光源；2光调制器；3共振式光声池；4进气口；5出气口；6悬臂梁传声器；7锁相放大器；8计算机；9恒温箱；201光纤；202陶瓷插针；203不锈钢外壳；204不锈钢悬臂梁膜片；401共振式光声池的频率响应；402悬臂梁传声器的频率响应；403综合频率响应。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，主要包括光源1、光调制器2、共振式光声池3、进气口4、出气口5、悬臂梁传声器6、锁相放大器7、计算机8和恒温箱9。
通过设置恒温箱9的温度，对共振式光声池3的共振频率进行微调，使共振式光声池3和悬臂梁传声器6的共振频率实现精确匹配；光源1被光调制器2进行强度调制后入射到共振式光声池3；待测气体从进气口4进入共振式光声池3，从出气口5排出；共振式光声池3中的气体分子吸收光能后，发生无辐射跃迁产生的热能使气体发生周期性运动形成声波；与共振式光声池3同共振频率的悬臂梁传声器6将探测的声波信号转换为电信号后输入到锁相放大器7的信号输入端；光调制器2将调制信号输入到锁相放大器7的参考输入端；计算机8设置锁相放大器7的工作参数，并采集锁相放大器7输出的光声信号测量值后做进一步的信号处理并显示。
其中，光源1是用于气体检测的窄线宽激光器。光调制器2是光学斩波器。锁相放大器7是数字锁相放大器，用于改善光声信号检测的信噪比。
共振式光声池3是一阶纵向共振光声池，共振频率为1.6kHz，品质因数Q为28。悬臂梁传声器6是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的悬臂梁传声器，由光纤悬臂梁传声器探头和光纤声波解调模块构成，其共振频率为1.6kHz，品质因数Q为15。
图2是光纤悬臂梁传声器探头的结构图。光纤悬臂梁传声器探头采用光纤法布里-珀罗干涉仪结构，由光纤201、陶瓷插针202、不锈钢外壳203和不锈钢悬臂梁膜片204构成。陶瓷插针202和不锈钢悬臂梁膜片204之间的空气间隙构成法布里-珀罗腔。
图3是不锈钢悬臂梁膜片204的外形示意图。不锈钢悬臂梁膜片204采用激光微加工技术制作，长方形悬臂梁的长度为2.2mm，宽度1mm，厚度为10μm。通过调整悬臂梁的结构参数，实现悬臂梁与光声池的共振频率匹配。
图4是系统的频率响应示意图。共振式光声池的频率响应401与悬臂梁传声器的频率响应402在1.6kHz处实现频率匹配；综合频率响应403是共振式光声池与悬臂梁传声器频率响应的乘积；在双共振频率1.6kHz处，光声信号得到显著地增强放大。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统包括光源(1)、光调制器(2)、共振式光声池(3)、进气口(4)、出气口(5)、悬臂梁传声器(6)、锁相放大器(7)、计算机(8)和恒温箱(9)；光源(1)与共振式光声池(3)之间设置光调制器(2)，光经光调制器(2)调制后入射到共振式光声池(3)；共振式光声池(3)上设有进气口(4)和出气口(5)，用于待测气体的进入和排出；共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)置于恒温箱(9)内部，悬臂梁传声器(6)安装在共振式光声池(3)上，用于探测共振式光声池(3)内气体分子跃迁形成的声波信号，并将声波信号转化为电信号；锁相放大器(7)的信号输入端与悬臂梁传声器(6)相连，参考输入端与光调制器(2)相连，分别用于接收并放大悬臂梁传声器(6)传输的电信号和光调制器(2)传输的调制信号；计算机(8)与锁相放大器(7)相连，用于设置锁相放大器(7)的工作参数并对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的光源(1)是用于气体检测的窄线宽激光器；所述的光调制器(2)是光学斩波器；所述的锁相放大器(7)是数字锁相放大器，用于改善光声信号检测的信噪比。
3.根据权利要求1或2所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的共振式光声池(3)是一阶纵向共振光声池，共振频率为1.6kHz，品质因数Q为28。
4.根据权利要求3所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的悬臂梁传声器(6)是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的悬臂梁传声器，由光纤悬臂梁传声器探头和光纤声波解调模块构成，其共振频率为1.6kHz，品质因数Q为15；光纤悬臂梁传声器探头采用光纤法布里-珀罗干涉仪结构，由光纤(201)、陶瓷插针(202)、不锈钢外壳(203)和不锈钢悬臂梁膜片(204)构成。
5.一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，通过将悬臂梁传声器(6)与共振式光声池(3)的共振频率匹配，实现对光声信号的双共振增强放大；具体步骤如下：
首先通过设置恒温箱(9)的温度，对共振式光声池(3)的共振频率进行微调，使共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)的共振频率实现精确匹配；光调制器(2)对来自光源(1)的光进行强度调制后，射入到共振式光声池(3)中；然后将待测气体从进气口(4)通入共振式光声池(3)中，共振式光声池(3)中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；悬臂梁传声器(6)将探测的声波信号转换为电信号后输入到锁相放大器(7)的信号输入端；同时，光调制器(2)将调制信号输入到锁相放大器(7)的参考输入端；计算机(8)设置锁相放大器(7)的工作参数，锁相放大器(7)将接收的信号进行放大，最后计算机(8)对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理、显示，测量后的气体从出气口(5)排出。
6.根据权利要求5所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的共振式光声池(3)的一阶共振频率范围为500Hz-10kHz。
7.根据权利要求5或6所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的光调制器(2)的调制频率与共振式光声池(3)的一阶共振频率相等。
8.根据权利要求5或6所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的悬臂梁传声器(6)的一阶共振频率与共振式光声池(3)的一阶共振频率相等。
9.根据权利要求7所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的悬臂梁传声器(6)的一阶共振频率与共振式光声池(3)的一阶共振频率相等。
10.根据权利要求5、6或9所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的恒温箱(9)的温度调节范围为20-50℃，用于对共振式光声池(3)的共振频率进行微调。
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