CN108956478A - 一种基于双激光器的光声光谱气体检测技术 - Google Patents

一种基于双激光器的光声光谱气体检测技术 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，包括光源驱动器、信号发生器、计算机系统、数据采集系统和锁相放大器，还包括与光源驱动器相连的第一激光器和第二激光器，第一激光器出射光路上设有一个透射式气室，透射式气室的一侧壁设有第一光纤准直器和第三光纤准直器，第一激光器出射端连接第三光纤准直器，透射式气室内设有两个微共振管，微共振管之间与微共振管正交位置处设有石英音叉，透射式气室另一侧壁上与第一光纤准直器相对应位置处设有第二光纤准直器；第二光纤准直器的另一端连接有光电探测器，光电探测器的信号输出端连接至锁相放大器。本发明采用全光解调，提高了气体检测的稳定性，具有抗电磁干扰能力强，成本低等优点。

Description

一种基于双激光器的光声光谱气体检测技术
技术领域
本发明涉及一种光声光谱气体检测技术，具体讲的是一种基于双激光器的光声光谱气体检测系统，属于光纤气体传感领域。
背景技术
气体检测技术在现代社会中有着广泛的应用：空气中有害气体含量的测定；农业生产中的臭氧、沼气的浓度检测；化工、医学领域中的特殊气体的浓度检测等，都离不开这项技术。光声光谱法是目前应用比较成熟的一种气体检测技术，通过气体的的吸收激发光声信号进行传感，此方法能够消除系统中背景光的影响，在高精度的场合能够得到应用。
传统的光声光谱检测技术是基于基于光声效应的吸收光谱检测技术。当调制光被气体分子吸收后，发生能级跃迁，释放能量；无辐射跃迁产生的热量将受到同样频率的周期性调制，引起气体分子周期性热胀冷缩，周期性温度变化引起周期性气压变化，产生压力波。当压力波频率与石英音叉共振频率相同时，引起石英音叉共振。石英晶体所具有的压电性质使得石英音叉在共振时产生电流脉冲，通过锁相、放大电路得到系统所需的电信号。由于石英的压电性质，使得石英音叉共振时产生的电流脉冲很小，系统本身或者外界都极易对它产生影响，同时后续的电流放大等操作也很容易混入噪声，同时如果直接探测石英音叉电流，通过电学进行解调，容易受到外界的电磁干扰，使用环境有限。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷与不足，本发明提出了一种基于双激光器的光声光谱气体检测系统，现提出以下方案：
一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，包括光源驱动器、信号发生器、计算机系统、数据采集系统和锁相放大器，所述信号发生器的调制信号输出端与光源驱动器的调制端口相连接，信号发生器的另一端同步信号输出端连接至锁相放大器，所述锁相放大器的信号输出端连接数据采集系统，数据采集系统的信号输出端连接有计算机系统，还包括分别与光源驱动器相连的第一激光器和第二激光器，所述第一激光器出射光路上设有一个透射式气室所述透射式气室的侧壁上端设有第一光纤准直器，下端设有第三光纤准直器，所述透射式气室内沿第一激光器出射光路连接第三光纤准直器，随后顺次设有两个微共振管，两个所述微共振管皆平行于透射式气室的水平面，在两个所述微共振管之间与微共振管正交位置处设有石英音叉，所述石英音叉包括两个音叉臂，所述石英音叉面向透射式气室侧壁方向呈正U型，，所述透射式气室另一侧壁上与第一光纤准直器相对应位置处设有第二光纤准直器；所述第二激光器通过光纤连接至第一光纤准直器，所述第二激光器的出射光路经第一光纤准直器导入透射式气室内，穿过微共振管上端的石英音叉U型音叉臂边缘位置连接至第二光纤准直器，所述第二光纤准直器的另一端连接有光电探测器，所述光电探测器的信号输出端连接至锁相放大器。
作为本发明对上述方案的优选，所述第一激光器(1)与第二激光器(2)均为蝶形分布反馈半导体激光器，第一激光器(1)波长与气体吸收峰重合，实现气体的吸收，第二激光器(2)探测石英音叉(10)振动幅度，实现气体浓度的全光检测。
作为本发明对上述方案的优选，所述透射式气室(4)上端设有第一光纤准直器(11)和第二光纤准直器(12)，第一光纤准直器(11)和第二光纤准直器(12)保持水平，下端设有第三光纤激光器(41)、两个微共振管(13)和石英音叉(10)，石英音叉(10)在两个微共振管(13)中间正交位置，第三光纤激光器(41)、两个微共振管(13)和石英音叉(10)保持水平。
本发明的有益效果是：一、通过在传统光声光谱检测系统的基础上增加一个激光器，发射另一路探测光，监测由于光声现象而产生的音叉振动对探测光的遮挡情况，用于气体检测，提高了检测的稳定性；二、整个检测过程不再有音叉共振产生的电流脉冲参与，由原来的电信号检测转变为直接检测光信号，技术上更具有优势，具有很高的可行性和极高的抗电磁干扰能力；三，通过在传统光声光谱检测系统的基础上增加一个激光器来提高整个系统检测的稳定性，具有成本低，实用价值高的优点。
附图说明
图1为基于双激光的光声光谱气体检测系统的结构示意框图；
图2为探测光与调制光经过音叉式石英晶振的结构示意图；
图3为光电探测器接收的光斑面积随音叉振动偏移影响的模型图；
图4为光电探测器接收的光斑面积随音叉振动偏移影响分布图。
1、第一激光器；2、第二激光器、3、光源驱动器；4、透射式气室；41、第三光纤准直器；5、光电探测器；6、锁相放大器；7、数据采集系统；8、计算机系统；9、信号发生器；10、石英音叉；11、第一光纤准直器；12、第二光纤准直器；13、微共振管；14、音叉臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，包括光源驱动器3、信号发生器9、计算机系统8、数据采集系统7和锁相放大器6，所述信号发生器9的调制信号输出端与光源驱动器3的调制端口相连接，信号发生器9的另一端同步信号输出端连接至锁相放大器6，所述锁相放大器6的信号输出端连接数据采集系统7，数据采集系统7的信号输出端连接有计算机系统8，还包括分别与光源驱动器3相连的第一激光器1和第二激光器2，所述第一激光器1出射光路上设有一个透射式气室4，所述透射式气室4的侧壁上端设有第一光纤准直器11，下端设有第三光纤准直器41，沿第一激光器1出射光路连接第三光纤准直器41，所述透射式气室4内沿第三光纤准直器41顺次设有两个微共振管13，两个所述微共振管13皆平行于透射式气室4的水平面，在两个所述微共振管13之间与微共振管13正交位置处设有石英音叉10，所述石英音叉10包括两个音叉臂14，所述石英音叉10面向透射式气室4侧壁方向呈正U型，所述透射式气室4另一侧壁上与第一光纤准直器11相对应位置处设有第二光纤准直器12；所述第二激光器2通过光纤连接至第一光纤准直器11，所述第二激光器2的出射光路经第一光纤准直器11导入透射式气室4内，穿过微共振管上端的石英音叉10的U型音叉臂边缘位置连接至第二光纤准直器12，所述第二光纤准直器12的另一端连接有光电探测器5，所述光电探测器5的信号输出端连接至锁相放大器6。
在本实例中，所述第一激光器1与第二激光器2均为蝶形分布反馈半导体激光器，第一激光器1波长与气体吸收峰重合，实现气体的吸收，第二激光器2探测石英音叉10振动幅度，实现气体浓度的全光检测。所述透射式气室4上端设有第一光纤准直器11和第二光纤准直器12，第一光纤准直器11和第二光纤准直器12保持水平，下端设有第三光纤激光器41、两个微共振管13和石英音叉10，石英音叉10在两个微共振管13中间正交位置，第三光纤激光器41、两个微共振管13和石英音叉10保持水平。
本发明在使用时，计算机系统8发出指令至光源驱动器3，打开第一激光器1，通过第一激光器1发射调制光经过第三光纤准直器41进入透射式气室4，激发光声效应，石英音叉10的音叉臂产生震动，同时，打开第二激光器2，通过第二激光器2发射探测光经过第一光纤准直器11进入透射式气室4，穿过透射式气室4，透射式气室4内石英音叉10的音叉臂14静止时，探测光不接受任何阻挡，发射至透射式气室4另一端的第二光纤准直器12上，光声效应激发后，石英音叉10的音叉臂14产生震动，反复遮挡第一光纤准直器11发出的探测光，此时位于透射式气室4另一端的第二光纤准直器12接收到的探测光会呈现一种周期性变化，具体体现为光斑面积的增减。第二光纤准直器12将接收到的光斑情况传送至光电检测器5，并转换成电流信号，光电探测器5将电流信号传送至锁相放大器6进行二次谐波解调，锁相放大器6的同步输入端和信号发生器9的同步输出端相连，锁相放大器6输出的信号被数据采集系统7采集，最终送到至计算机系统8中进行数据处理并显示出来。
实施例1
如图1所示的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，按照上述操作，当音叉臂14振动偏移为0.05mm时，第二光纤准直器12接受光斑的光斑面积为0.1166mm2。
实施例2
如图1所示的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，按照上述操作，当音叉臂14振动偏移为0.1mm时，第二光纤准直器12接受光斑的光斑面积为0.1011mm2。
实施例3
如图1所示的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，按照上述操作，当音叉臂14振动偏移为0.15mm时，第二光纤准直器12接受光斑的光斑面积为0.0826mm2。
运用上述实施例3将第二光纤准直器12接受光斑情况进行估计，得到如图3所示模型，根据石英音叉的振动，将音叉臂对光斑遮挡效果进行模拟，得到以下公式：
S＝Syuan-SΔ 公式2
其中r为光斑半径，S为接收面积，SΔ为遮挡面积，Syuan为光斑面积，x为偏移量,最后得到S和x的关系如图4所示，r＝0.2,x＝[0:0.4]。
本发明中的基于双激光器的光声光谱气体检测系统，通过在传统光声光谱检测系统的基础上增加一个激光器，发射另一路探测光，监测由于光声现象而产生的音叉振动对探测光的遮挡情况，用于气体检测，提高了检测的稳定性，具有成本低，实用价值高的优点；整个检测过程不再有音叉共振产生的电流脉冲参与，由原来的电信号检测转变为直接检测光信号，技术上更具有优势，具有很高的可行性和极高的抗电磁干扰能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (3)

1.一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，包括光源驱动器(3)、信号发生器(9)、计算机系统(8)、数据采集系统(7)和锁相放大器(6)，所述信号发生器(9)的调制信号输出端与光源驱动器(3)的调制端口相连接，信号发生器(9)的另一端同步信号输出端连接至锁相放大器(6)，所述锁相放大器(6)的信号输出端连接数据采集系统(7)，数据采集系统(7)的信号输出端连接有计算机系统(8)，其特征在于，还包括分别与光源驱动器(3)相连的第一激光器(1)和第二激光器(2)，所述第一激光器(1)出射光路上设有一个透射式气室(4)，所述透射式气室(4)的侧壁上端设有第一光纤准直器，其下端设有第三光纤准直器(41)，沿第一激光器(1)出射光路连接第三光纤准直器(41)，所述透射式气室(4)内沿第三光纤准直器(41)顺次设有两个微共振管(13)，两个所述微共振管(13)皆平行于透射式气室(4)的水平面，在两个所述微共振管(13)之间与微共振管(13)正交位置处设有石英音叉(10)，所述石英音叉(10)包括两个音叉臂(14)，所述石英音叉(10)面向透射式气室(4)侧壁方向呈正U型，所述透射式气室(4)另一侧壁上与第一光纤准直器(11)相对应位置处设有第二光纤准直器(12)；所述第二激光器(2)通过光纤连接至第一光纤准直器(11)，所述第二激光器(2)的出射光路经第一光纤准直器(11)导入透射式气室(4)内，穿过微共振管上端的石英音叉(10)U型音叉臂边缘位置连接至第二光纤准直器(12)，所述第二光纤准直器(12)的另一端连接有光电探测器(5)，所述光电探测器(5)的信号输出端连接至锁相放大器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述第一激光器(1)与第二激光器(2)均为蝶形分布反馈半导体激光器，第一激光器(1)波长与气体吸收峰重合，实现气体的吸收，第二激光器(2)探测石英音叉(10)振动幅度，实现气体浓度的全光检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于双激光的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述透射式气室(4)上端设有第一光纤准直器(11)和第二光纤准直器(12)，第一光纤准直器(11)和第二光纤准直器(12)保持水平，下端设有第三光纤激光器(41)、两个微共振管(13)和石英音叉(10)，石英音叉(10)在两个微共振管(13)中间正交位置，第三光纤激光器(41)、两个微共振管(13)和石英音叉(10)保持水平。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113281262A (zh) * 2021-03-30 2021-08-20 安徽工程大学 基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法
CN114216860A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 国网重庆市电力公司电力科学研究院 高压设备绝缘气体分解产物检测系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8102532B2 (en) * 2008-01-02 2012-01-24 William Marsh Rice University Resonant optothermoacoustic detection of optical absorption
CN103543125A (zh) * 2013-10-21 2014-01-29 山西大学 基于迈克尔逊干涉原理的全光学气体探测方法及装置
CN103884419A (zh) * 2014-04-17 2014-06-25 山西大学 基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置
CN104316466A (zh) * 2014-11-05 2015-01-28 山东大学 能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置
CN104614317A (zh) * 2014-11-26 2015-05-13 中国科学院电工研究所 一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8102532B2 (en) * 2008-01-02 2012-01-24 William Marsh Rice University Resonant optothermoacoustic detection of optical absorption
CN103543125A (zh) * 2013-10-21 2014-01-29 山西大学 基于迈克尔逊干涉原理的全光学气体探测方法及装置
CN103884419A (zh) * 2014-04-17 2014-06-25 山西大学 基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置
CN104316466A (zh) * 2014-11-05 2015-01-28 山东大学 能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置
CN104614317A (zh) * 2014-11-26 2015-05-13 中国科学院电工研究所 一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘研研 等: "全光型石英增强光声光谱", 《物理学报》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113281262A (zh) * 2021-03-30 2021-08-20 安徽工程大学 基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法
CN113281262B (zh) * 2021-03-30 2023-03-03 安徽工程大学 基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法
CN114216860A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 国网重庆市电力公司电力科学研究院 高压设备绝缘气体分解产物检测系统及方法
CN114216860B (zh) * 2021-11-29 2024-03-19 国网重庆市电力公司电力科学研究院 高压设备绝缘气体分解产物检测系统及方法

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