CN110763630A - 共振光声光谱检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共振式光声信号检测装置，该装置采用闭环控制的方法，动态地调整可调谐声传感器的谐振频率，使其与光声池的谐振频率相同，达到共振，有效地提高了系统的检测灵敏度。

Description

共振光声光谱检测系统与方法

技术领域

本发明属于微量气体检测领域，具体的涉及一种高灵敏光声光谱检测系统与方法，该系统采用可调谐声传感器与谐振式光声池实现共振，大幅提高了气体检测的灵敏度，属光声光谱检测领域。

背景技术

近年来，随着全球自然灾害污染源（森林火灾、火山爆发和自然尘等）的频发以及人为污染源（化工燃料燃烧、工厂气体排放、交通运输及农业活动等）的加重，大气污染问题已经引起人们的广泛关注。其中污染源状态分为气溶胶和气体两种状态，相较于气溶胶状态的污染源而言，气体污染源的浓度以及成分分析的监测处理技术对科技人员挑战更大，光声光谱检测技术在大气污染的检测过程中得到了重要的应用。这种检测技术不仅对于气体污染物特性的检测有着自身的巨大优势，还在电力系统变压器油的监测分析中得到了充分的体现。随着国民经济的快速发展，各行各业对于电力的需求持续上升，现今，电力系统也正朝着超高压，大容量和自动化方向而发展。目前国内外高电压、大容量电力变压器普遍采用充油式变压器。为保障电网的安全运行，必须对大型充油变压器等电气设备的健康状况进行预防性检验和在线监测。

近年来，随着光源，选频器件，光声池，声传感器，微弱信号检测以及信号处理等技术的不断发展，光声光谱检测得到快速发展，使得基于光声光谱的微弱信号检测系统逐渐应用到各行各业（火灾监测、工厂排放废气监测、矿井气体浓度监测等）。对于混合气体的浓度以及组分分析其检测优势主要表现在以下几个方面：1）非接触性测量，不需要消耗载气；2）不需要分离气体；3）检测速度快，可实现连续测量；4）直接测量气体吸收光能的大小，检测灵敏度高，检测范围宽。

传统的基于共振式光声池的光声光谱的检测系统是通过宽频带，高能量的光源产生与气体特征吸收波长相匹配光束，光经过斩波器调制，进入光声池，池中气体分子吸收后发生无辐射跃迁产生声信号，通过声传感器来提取光声信号，信号分析与处理系统接收后再进行频谱分析。这种较为传统的检测方法是利用斩波器使入射光频率与光声池谐振频率达到匹配实现共振获得高Q值来放大光声信号，其系统检测灵敏度并不能完全满足现今对于微量气体高精度检测的要求。因此一种能够进一步增强光声信号、实现双共振式的光学检测系统具有重要的应用价值。

目前已有这方面的尝试，该技术采用固定谐振频率的悬臂梁声传感器，通过调节光声池的温度来改变光声池的谐振频率，并实现声传感器与光声池的谐振频率达到共振。这种方法的缺点是光声池具有较大体积与质量，温度补偿的速度很慢，并且很难达到均匀，而一些影响谐振频率漂移的因素都是很快速的，如压力波动等，因此该方法的共振效果很差。一种调节快速、高精确度的匹配方式对于目前的光声光谱检测技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于可调谐声传感器，实现光声池与声传感器谐振频率共振的光声光谱检测系统，旨在解决在检测过程中的因光声池的谐振频率与声传感器谐振频率不匹配导致光声信号较弱、检测灵敏度较低的问题，以得到更高精度的光声光谱检测能力，使其更有效地应用于超微量气体的检测领域。

由于光声池与声传感器Q值比较高，两者实现共振系统Q值更高，因而微小的频率漂移将对光声信号产生显著的影响。这些漂移的速度相对较快，因此将采用可调谐MEMS声传感器来实现频率的跟踪锁定。

在光声光谱的声探测技术中，目前最灵敏手段的是采用MEMS器件结合光学检测的方法。本发明在这种技术的基础上，设计多种方式来实现声传感器的调谐。一种方式是利用涂覆压电薄膜来调节声传感器的谐振频率；另一种方式是用施加应力载荷的方式改变传感器频率的原理实现可调谐；再一种方式是改变MEMS声传感器的几何结构，有调节范围大，简单快速容易调节的优点。

本发明的优点在于，通过调节可调谐声传感器的共振频率，使与谐振式光声池的谐振频率匹配，实现光声信号的增强，提高系统的信噪比和检测灵敏度。所提到的几种类型可调谐声传感器做到实时检测及快速调节，抗干扰能力强，能够快速实现与光声池的谐振频率匹配。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为共振光声光谱检测系统f-Q示意图。

图3为两种MEMS工艺的的声传感器，其中：

（a）为悬臂梁结构的声传感器；

（b）为扭转梁结构的声传感器。

图4为一种采用压电薄膜进行谐振频率调节的MEMS悬臂梁结构示意图。

图5为一种采用静电场进行谐振频率调节的MEMS悬臂梁结构示意图。

图6为一种采用压电薄膜进行谐振频率调节的MEMS扭转梁结构示意图。

图7为一种采用静电场进行谐振频率调节的MEMS扭转梁结构示意图。

图8为一种采用应力加载进行谐振频率调节的MEMS扭转梁结构图。

图9为MEMS扭转梁结构声传感器的应力与谐振频率的关系。

图10为一种采用应力加载进行谐振频率调节的MEMS栅形扭转梁结构图。

图11为一种采用应力加载进行谐振频率调节的MEMS曲形扭转梁结构图。

具体实施方式

以下结合技术方案以及附图详细描述本发明具体实施方式。

基于可调谐声传感器的光学检测系统包括光源10，选频调制装置11，谐振式光声池14，可调谐声传感器15，测振系统17，共振调控系统12，数据分析系统16等多个部分。光源10可以是广谱的红外灯，也可以是各种类型的激光器，如二氧化碳激光器、OPO激光器、QCL激光器、DFB激光器，等等。选频调制装置11包括光学窄带滤波器，用于将广谱光源中的特征波长滤出来；还包括斩波器，用于对光源的强度进行调制，以产生光声信号。光声池14具有窗口13，为一个密闭腔体，用于容纳被测物质，被测物质可以是气体、固体及液体的一种。为了提高检测灵敏度，光声池14采用谐振式。在光声池14上安装有可调谐声传感器15，这是一种谐振式声传感器，其谐振频率可以由共振调控系统12通过施加信号进行调控。测振系统17用于检测光声池14的共振频率，并反馈至共振调控系统12来对可调谐声传感器15和选频调制装置11进行调控，保持光源的调制频率与可调谐声传感器15和光声池14的谐振频率都在同一点上。数据分析系统16则用于采集光声信号并进行数据的分析处理。

系统的工作原理是：光源10发出广谱光经过选频调制装置11，选出对应待测气体吸收峰的激励光18，该强度调制的激励光通过窗口13入射到光声池14内，待测气体吸收激励光18的能量后通过非辐射跃迁产生声信号，由于光调制频率与光声池14处于共振状态，使得光声池14内的声信号得到不断增强。通过测振系统17对光声池14的谐振频率进行测试，并反馈至共振调控系统12，并对光调制频率和可调谐声传感器15的谐振频率进行调节，达到与光声池14谐振频率的匹配，使声信号进一步得到增强。数据分析系统16则通过可调谐声传感器15采集光声信号并进行数据的分析与处理，得到待测气体的特征信息。

图2是上述原理中提到的f-Q值示意图，系统综合Q值曲线23是由光声池14的Q值曲线21和可调谐声传感器15的Q值曲线22相乘得到的，具有很大的提升，因此系统的检测灵敏度很高。

高Q值的同时需要对系统的谐振频率进行精确的控制，否则微小频率偏差可以造成信号的大幅变动。有三个频率可以调整，光源调制频率、光声池的谐振频率、及可调谐声传感器的谐振频率。调整光源调制频率比较容易实现，光声池的谐振频率相对比较困难，采用温度的方法速度会很慢，且不精确，所以本发明采用动态调节可调谐声传感器的谐振频率的方法。

MEMS声传感器有多种结构，图3所示的为两种常见形式，其中图3（a）为悬臂梁声传感器30，悬臂梁31在声场的作用小振动，信号可以由激光干涉微振动检测系统进行采集。图3（b）为扭转梁声传感器32，其中转板33通过扭转臂和基板相连，转板33的两端分别施加相位相反的声场，引起转板33的转动，采用差分式激光干涉仪可以检测到转板的转动振幅。可以通过多种方法改变上述两种结构声传感器的谐振频率。

图4所示的一种基于悬臂梁结构的可调谐声传感器40，是在悬臂梁41的表面制作一层压电薄膜42，在压电薄膜42上施加直流电压，利用逆压电效应调节悬臂梁41的力学特性，从而达到改变谐振频率的目的。该方法具有显著的优点，如结构简单，性能可靠，因为压电薄膜工艺已经很成熟。而且利用同一压电薄膜42的正压电效应，还可以实现光声池14内声压的检测，省去复杂的光学干涉检测系统。但是缺点是，压电薄膜42对悬臂梁41产生负载作用，会降低悬臂梁41的谐振频率和Q值。

采用加载静电场的方法也可以改变悬臂梁的谐振频率。图5所示的一种基于悬臂梁结构的可调谐声传感器50，在悬臂梁51的上方有一个静电板52，在悬臂梁51和静电板52之间施加一个静电场，产生静电吸力，从而导致悬臂梁51的力学特征发生变化，改变谐振频率。这种结构的器件可以比较容易地利用MEMS加工技术实现，进行批量生产。

扭转梁类型的声传感器也可以通过几种不同的方式对谐振频率进行调节，如图6所示的是采用压电薄膜的方式扭转梁声传感器60，在扭转臂上制作一层压电薄膜62，通过对该压电薄膜62施加电压，改变薄膜的力学特性，从而改变扭转梁的谐振频率。同样的这个压电薄膜62可以用于检测转板61的偏移量来得到声场强度，省去复杂的激光干涉仪。

图7是采用静电场调节扭转梁声传感器70谐振频率的原理示意图。在声传感器转板71的上方有一个静电板72，通过在转板71和静电板72之间施加直流电压来产生静电吸力，对转板71的运动带来影响，从而引起其谐振频率的改变。静电板72上面开了一些槽，主要是减少空气阻力对转板71的转动带来过多阻尼，影响到转板71的Q值。

图8所示的是另一种调节扭转梁声传感器80谐振频率的方法，在扭转梁声传感器80沿扭转臂83方向通过应力驱动器82对扭转臂83施加应力，从而改变扭转梁声传感器80的谐振频率。应力驱动器82可以是PZT器件组成，能够产生很大应力，但位移量很小。图9是这种通过应力来调节扭转梁声传感器80谐振频率的仿真图，可以看出谐振频率随应力大小改变，并成正比关系。

图10所示的是采用栅形扭转臂102的设计，通过在栅形扭转臂102两端施加拉力来改变其长度,以实现转板101谐振频率的改变。图11所示的是采用曲形扭转臂112的设计，在转板111转动时，曲形扭转臂112中同时存在扭转和弯曲变形。可以通过施加外力的方法来改变曲形扭转臂112的形状和力学参数，从而实现谐振频率的改变。

综上所述，一种共振光声光谱检测方法，概括起来是：

a．检测光声池14的谐振频率；

b．调节激励光18的调制频率，使其与光声池14的谐振频率相同；

c．调节声传感器的谐振频率，使其与光声池14的谐振频率相同。

其中可调谐声传感器15的调节方式包括压电薄膜施加应力、静电场施加施加吸引力、以及对扭转臂进行应力加载的方法。

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 (9)

1.一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述系统包括：

光源（10），所述光源（10）可由被测物质的特征谱线所吸收，并产生光声信号；

选频调制装置（11），所述选频调制装置（11）用于选择性通过处于所述被测物质特征谱线附近的波长，并进行周期性调制；

谐振式光声池（14），所述谐振式光声池（14）用于容纳所述被测物质，并在所述光源（10）的激励下产生光声信号；

可调谐声传感器（15），用于探测所述光声池（14）中的光声信号；

测振系统（17），所述测振系统（17）用于检测所述光声池（14）的谐振频率；

共振调控系统（12），所述共振调控系统（12）用于根据所述测振系统（17）检测到的所述光声池（14）谐振频率，对所述光源（10）的调制频率和所述可调谐声传感器（15）的谐振频率进行调控，使得所述光源（10）的调制频率和所述可调谐声传感器（15）的谐振频率与述光声池（14）的谐振频率相同；

数据分析系统（16），所述数据分析系统（16）用于采集所述可调谐声传感器（15）检测到的光声信号，并进行分析分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为悬臂梁（41）结构，所述悬臂梁（41）表面覆盖有压电薄膜（42），所述压电薄膜（42）在施加电场时可以改变所述悬臂梁（41）的谐振频率。

3.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为悬臂梁（51）结构，所述悬臂梁（51）上方设有静电板（52），所述静电板（52）在施加电场时可以改变所述悬臂梁（51）的谐振频率。

4.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为扭转梁（61）结构，所述扭转梁（61）的扭转臂（62）的表面覆盖有压电薄膜（42），所述压电薄膜（42）在施加电场时可以改变所述扭转梁（61）的谐振频率。

5.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为扭转梁（71）结构，所述扭转梁（71）上方设有静电板（72），所述静电板（72）在施加电场时可以改变所述扭转梁（71）的谐振频率。

6.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为扭转梁（81）结构，通过在所述扭转梁（81）的扭转臂（83）方向上施加应力，改变所述扭转梁（81）的谐振频率。

7.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为扭转梁（101）结构，所述扭转梁（101）的扭转臂（102）为栅形结构，在所述扭转臂（102）方向上施加拉力，改变所述扭转梁（101）的谐振频率。

8.根据权利要求1所述的一种共振光声光谱检测系统，其特征为，所述可调谐声传感器（15）为扭转梁（111）结构，所述扭转梁（111）的扭转臂（112）为曲形结构，在所述扭转臂（112）方向上施加拉力，改变所述扭转梁（111）的谐振频率。

9.一种共振光声光谱检测方法，其特征为，所述方法包括：

采用测振系统（17）检测光声池（14）的谐振频率；

调节激励光（18）的调制频率，使其与所述光声池（14）的谐振频率相同；

调节可调谐声传感器（15）的谐振频率，使其与所述光声池（14）的谐振频率相同。

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