CN110736703A - 高灵敏光声光谱检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光声信号检测系统与方法，系统采用对称型扭力梁式声传感器，结合差分光声池的检测方法，在获得高灵敏度光声信号检测的同时，大幅降低了背景噪声和环境震动带来的干扰。

Description

高灵敏光声光谱检测装置与方法

技术领域

本发明涉及一种光声信号检测装置与方法，该装置采用扭力梁结构的微加工声传感器件，能够消除环境噪声和震动带来的干扰，实现高灵敏的光声信号检测，属精密光谱检测技术领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，环境污染问题曰益严重，空气质量严重下降，雾霾现象频繁发生，其主要来源于各种污染气体的排放。其中，大气污染物主要有一氧化碳，二氧化硫和氮氧化物等有害气体。这些气体存在于空气当中，如果不及时发现和解决，将会对人们的身体健康和日常生活造成很大的影响，因此对环境的监测和治理已经成为非常重要的任务。同时工业生产中有害与危险气体的泄露也是重大安全事故的直接引发者，会带来经济和人身安全上的巨大损失。

目前，痕量气体的高精度检测技术包括非光学手段，如电化学传感器、气敏法、热催化发、气相色谱法等，这些方法检测精度可以达到ppm量级，但与光学检测方法相比，非光学检测方法的传感器使用寿命短，动态范围窄，收集采样和处理时间慢，不适合在线实时检测。光学检测方法具有灵敏度和可靠性高及可在线实时检测等优点，是气体检测的理想方法。近年来光学检测方法的新技术相继出现，如波长调制吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术和光声光谱技术等。光声光谱测量技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱法，其原理是，当物质分子受到光照射时，分子因吸收光能而被激发到高能态，然后通过非辐射消激发过程使吸收的光能转变为分子的动能。如果照射光束经过周期性调制，则在物质内产生周期性的温度变化并导致压力的周期性变化，因而产生声波即光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则取决于物质的光学、热学、弹性及周边空间的几何特性等。由于光声信号直接正比于物质吸收的光能，而不同成分的物质具有不同波长的吸收峰值，因此当具有连续宽光谱的光源照射样品时，样品内不同成分的物质将在吸收峰相对应的光波波长处产生较强的光声信号，通过分析光声信号随波长的变化，可以得到物质的光声光谱。光声光谱技术具有无背景噪声干扰的特点，不受光的反射和散射影响，检测灵敏度最高可以达到ppt量级，并适用于气体、液体、固体、粉末等各种样品的检测。

光声光谱装置的一个重要组成部件是声信号探测器，要求高灵敏、高信噪比，并可以抗环境噪声和震动的干扰。传统的多数采用采用微音器，包括电磁式、驻极体、电容式、MEMS微型声传感器，等等。这些微音器结构简单、有些价格非常便宜，被广泛的应用着。但其灵敏度仍然不够理想。近年来发展出来的采用MEMS工艺的悬臂梁结构，结合激光干涉检测手段，得到非常高的检测灵敏度，并且得到了商业化应用。然而上述所有传感器的共同缺陷是对环境噪声及震动敏感，因此所形成的设备必须采取非常严格的手段，隔绝环境噪声和震动的影响。这样不仅带来体积增大、成本增加的问题，而且环境干扰不能完全隔绝，在实际应用的工业环境中系统的指标仍然受到影响。

发明内容

本发明的目的就是针对目前光声光谱检测技术中声信号检测技术的不足，提出一种新型的光声信号检测装置与方法。该装置采用对称扭力梁转镜结构与差分光声池相结合，并利用激光干涉位移探测技术，实现高灵敏度的光声信号检测，该装置同时具有很强的抗震动、抗环境噪声干扰的能力。

附图说明

图1为现有技术原理示意图，采用的是悬臂梁结构的MEMS器件。其中：

（a）为现有悬臂梁结构MEMS声检测器件的平面正视图；

（b）为该器件的立体视图；

（c）为激光干涉法振动信号检测原理示意图。

图2为本发明器件的结构示意图，其中：

（a）为本发明装置的平面正视图；

（b）为本发明装置的立体视图。

图3为器件抗环境噪声及震动干扰的原理示意图，其中：

（a）为现有悬臂梁器件受到环境干扰的示意图；

（b）为本发明装置的抗干扰原理示意图。

图4为一种采用单臂激光干涉仪进行检测的原理图。

图5为一种采用双臂激光干涉仪进行差分检测的原理图。

图6为本发明装置的改进形式，其中：

（a）为本发明装置的另一种检测方法；

（b）为本发明装置的另一种改进结构。

图7为本发明装置的一种实施示例，其中：

（a）为本实施示例剖面图；

（b）为本实施示例的顶视图，为清晰起见，声传感单元被隐去。

图8为本发明装置的另一种实施示例，其中：

（a）为本应用实例剖面图；

（b）为本应用实例的顶视图，为清晰起见，声传感单元被隐去。

图9为本发明装置的又一种实施示例。

图10为本发明装置的又一种实施示例，用于固体或粉末样品的检测。

图11 本发明装置的改进设计，其中：

（a）一种改进的转镜设计；

（b）一种改进的扭力梁结构。

具体实施方式

为了使本发明的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施示例与附图对本发明做进一步的说明。

图1（a）所示的是现有技术中采用MEMS工艺加工的悬臂梁声传感器10，其中悬臂梁11在声场的作用下会发生振动，如图1（b）所示。对于这种微小振动的信号，最有效的检测方法就是采用激光干涉技术，如图1（c）所示的一种迈克耳逊干涉仪。分束器12可将入射激光束15一分为二，成为检测光束17和参考光束18，检测光束17经悬臂梁11反射后回到分束器12并被再次分束，一半到达光接收器14，和被反射镜13反射回来的参考光束18的一半发生干涉。这种干涉检测方法的灵敏度很高，可以检测到pm量级的振幅。

但是上述悬臂梁声传感器10的一个显著问题就是对环境的噪声与震动没有抑制能力，如图3（a）所示，当外界声源或震动耦合过来的时候，悬臂梁11同样会发生振动，并被检测成声信号，因而对系统的信噪比带来影响。

图2所示的是本发明的一种基于扭力梁结构的设计方案，这种扭力梁声传感器20具有一个转镜21，其两端在中心附近通过两个扭力梁22连接到基板23上。当转镜21两端施加相位相反的声场时，转镜21发生振动，如图2（b）所示。

这种设计的最大优点是对环境干扰的抑制，如图3（b）所示，由于外界的噪声和震动会均匀的加载到转镜21上，但转镜21和扭力梁22完全对称，两边受力完全抵消，因此不会发生任何偏转，从而起到抑制环境噪声干扰的作用。

图4所示的是一种采用激光干涉法进行声信号检测的装置，只有单独一束探测光，其基本原理是麦克尔逊干涉仪，元器件包括分束器12、反射镜13、光接收器14等，检测原理基本和前节所述相同。

图5所示是一种双探测光束的差分干涉方法，核心器件是一个特制的分光片。在透明基板50上面的不同区域镀有全反镜51和半反镜52，入射激光束53被半反镜52一分为二，一半入射到转镜21的一端，另一半经全反镜51反射后入射到转镜21的另一端。当两束光经转镜21反射后沿原路返回，在半反镜52汇合后一部分光入射到探测器14产生干涉信号。这种双探测光束的差分干涉方法的优点在于信号大小只和两路光束的光程差相关，不受同向位移的影响，即有所谓的共模抑制，因此具有很好的抗环境干扰的能力。

这种振动信号的检测还有很多方法，如图6（a）中采用的是光偏转的技术，采用位置敏感光传感器62对被转镜21偏转的光束进行检测。

另外一种方法是在扭力梁22上制作一层压电薄膜换能器65，当转镜21受声场影响发生转动时，扭力梁22的扭曲会带动压电薄膜换能器65并产生电信号。这种方法具有检测装置十分简单的优点，可以得到较好的灵敏度。

由于本发明装置的转镜21两端要求施加相位相反的声压，因此需要采用特殊设计的光声池。图7所示的是较一种亥姆霍兹共振光声检测装置70，其中图7（a）是装置的剖面图，而图7（b）是顶视图，为了便于理解，顶视图中探测装置部分没有显示。在这个实施示例中，装置具有两个谐振腔72，两端分别由4个窗口76密封，两个谐振腔72通过细连管73连通起来，形成谐振腔，共振频率和谐振腔的几何参数相关。扭力梁声传感器20安置在谐振腔72的上方，两个谐振腔72通过两个气孔77分别和转镜21的两端相通。扭力梁声传感器20的上部由窗口71所密封。图中所示的是采用双光束差分干涉的检测方法。当一束调制的激励光束76对其中一个谐振腔72进行激励时，因气体的吸收将产生声波。如果激励光束76的调制频率与谐振腔72的谐振频率相同时，将发生共振，此时两个谐振腔中的能量在交替的交换着，而所产生的声压的相位相反，正好可以驱动转镜21的偏转。

图8所示的是另一种实施示例，差分光声检测装置80，采用的是双光声池的设计，结构和前述亥姆霍兹共振腔光声检测装置70相似，有两个完全对称光声池72，但相互不连通，而是分别通过气孔77连通到转镜21的两端，检测部分的原理和前节介绍的相同。这种装置可以采用一个激励光束76对单个光声池72进行激励，另外一个光声池不产生信号，只是用于平衡外界噪声与振动的干扰。也可以采用两个调制相位相反的激励光束76分别对两个光声池72进行交替激励，在转镜21的两端产生相位相反的声压。这种双光束的方法通常并不需要增加激励功率，而是采用特殊光路安排，将光束分别调制到两个光声池72中，可以有效地提高信噪比。产生两束相位相反的激励光束有多种方法，包括声光调制器、反射式机械斩波器等。

图9所示的是又一种实施示例，串联差分光声检测装置90，两个相同的光声池72前后串联一起，由隔离窗口93分隔，同一激励光束76可以贯穿两个光声池72。由于窗口93和气体的吸收很小，两个光声池的信号基本完全相同，对转镜21的声压相互抵消，转镜21不会发生偏转。但如果其中一个光声池72充入不包含待测气体的参考气体，另外一个充入待检测的吸收气体，两个光声池72产生的光声信号相位仍然相同，但幅度不一样，其差别与吸收气体的浓度相关，并引起转镜21的偏转。

上述实施示例都是针对的气体，但本发明对固态样品同样适用，图10所示的是粉末差分光声检测装置100。样品为粉末101，同样的可以采用单个激励光束76或调制相位相反的双激励光束76的方法，得到高灵敏的检测结果。

前述的扭力梁声传感器20的转镜21采用的是平面矩形结构，可以根据具体应用进行优化。例如，如图11（a）所示，当气孔和探测光束都是圆形的时候，可以采用圆形的转镜21，这样能够降低转镜21的转动惯量，提高器件的灵敏度和Q值。图11（b）所示的扭力梁声传感器20采用垂直扭力梁111，这样可以增加垂直方向的刚性，减少转镜112在共模声压作用下发生垂直位移。这种结构的器件可以通过MEMS工艺实现。

综上所述，一种高灵敏光声信号检测方法，包括以下几个步骤：

a. 将具有对称结构的扭力梁声传感器20和两个相同结构的光声池72相连，每个光声池与扭力梁声传感器20的转镜21两端分别相通，两个光声池72相互气密；

b.两个光声池72中充入待测气体；

c.分别对两个相同光声池施加强度调制的激励光束76，使得两个光声池中的激励光束76强度相同，调制相位相反；

d. 检测转镜21的振动幅值和相位。

具体的差分方法包括光学干涉检测或压电应力检测。另外如果两个光声池之间用一细连管73相连，可以形成亥姆霍兹谐振系统，这样采用一束激励光束76便可以在转镜21两端分别产生相位相反的声压。

另外一种高灵敏光声信号检测方法，包括以下几个步骤：

a. 将具有对称结构的扭力梁声传感器20和两个相同结构的光声池72相连，两个光声池72与扭力梁声传感器20的转镜21两端分别相通，两个光声池72相互气密，但光学相通；

b.一个光声池72充入不含待测气体的参考气体，另外一个光声池72充入待测气体；

c.对两个光声池72施加同一束强度调制的激励光束76；

d.检测转镜21的振动幅值和相位。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性的，因此在本权利要求书的范围中对其进行修改、变化及等效，都将落于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光声信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：

平面薄板结构的基板（20）；

转镜（21），所述转镜（21）与所述基板（20）通过扭力梁（22）相连，所述转镜（21）相对于所述扭力梁（22）呈镜像对称，所述转镜（21）的两端存在声压差时将发生偏转。

2.根据权利要求1所述的一种光声信号检测装置，所述转镜（21）的偏转信息由双光束差分干涉装置所检测。

3.根据权利要求1所述的一种光声信号检测装置，所述扭力梁（22）表面附有压电薄膜传感器（65），所述转镜（21）的偏转信息通过所述扭力梁（22）装置引起的所述压电薄膜传感器（65）的应力变化进行检测。

4.根据权利要求1所述的一种光声信号检测装置，所述转镜（21）的两端分别和两个对称的光声池（72）相连，两个所述光声池（72）相互气密。

5.根据权利要求4所述的一种光声信号检测装置，两个所述光声池（72）分别受到强度相等、但调制相位相反的激励光束（76）激励。

6.根据权利要求4所述的一种光声信号检测装置，两个光声池（72）经细连管（73）相通，

形成谐振腔。

7.根据权利要求4所述的一种光声信号检测装置，两个光声池（72）光学相通，使得同一激励光束（76）可以贯穿两个所述光声池（72）。

8.根据权利要求1所述的一种光声信号检测装置，所述扭力梁（111）的平面垂直于转镜（112）的平面。

9.一种高灵敏光声信号检测方法，包括以下步骤：

a. 将具有对称结构的扭力梁声传感器(20)和两个相同结构的光声池(72)相连，每个所述光声池（72）与所述扭力梁声传感器(20)的转镜(21)两端分别相通，两个所述光声池(72)相互气密；

b.两个所述光声池(72)中充入待测气体；

c.分别对两个所述光声池（72）施加被调制的激励光束(76)，两个所述激励光束(76)的强度相同，调制相位相反；

d.检测所述转镜(21)的振动幅值和相位。

10.一种高灵敏光声信号检测方法，包括以下步骤：

a. 将具有对称结构的扭力梁声传感器(20)和两个相同结构的光声池(72)相连，两个所述光声池(72)与所述扭力梁声传感器(20)的转镜(21)的两端分别连通，两个所述光声池(72)相互气密，光学相通；

b.一个所述光声池(72)中充入待测气体，另外一个所述光声池(72)充入不含待测气体的参考气体；

c.对两个所述光声池(72)施加同一束强度调制的激励光束(76)；

d.检测所述转镜(21)的振动幅值和相位。

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