CN112147076A - 一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统 - Google Patents

一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，包括光源模块、光声谐振腔、信号处理模块，光源模块用于产生入射光；光声谐振腔用于使待测痕量气体吸收入射光，以产生光声信号并放大光声信号，将放大的光声信号转化为电信号，其中，光声谐振腔包括石英音叉，用于与光声信号发生共振，通过压电效应产生电信号；信号处理模块用于对电信号进行放大、互相关处理、分析和匹配。本发明的检测系统，石英音叉和光声谐振腔一体化的结构，使得装置结构小巧，测量方便快速，克服了传统石英增强光声光谱装置安装效率低下的问题，比传统的微音器检测光声信号的频响范围更窄，增强了抗噪能力。

Description

一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统
技术领域
本发明属于痕量气体光声光谱检测技术领域，具体涉及一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统。
背景技术
生物医学领域的病变诊断是光声光谱痕量气体检测技术的主要应用方向之一。人类呼出气体的许多组分富含病变的标志信息，可以作为疾病的生物标记。例如呼出气体中的氨气与人体血液中的血尿素氮存在线性关系，可以通过检测呼出气的氨气浓度来判断肾脏是否发生病变。随着人类社会经济和生产活动的迅速发展，大量的废气被排入大气，严重危害了农业生产的发展和人民的生命安全。对变压器油中溶解气体的分析是监测变压器运行情况的重要途径。通过对变压器油中溶解的痕量气体进行检测，能够为分析变压器故障原因，保持电网供电安全提供有效手段。
光声光谱(PhotoAcoustic Spectroscopy，简称PAS)技术是一种基于光声效应的光谱检测技术，其具有检测过程快速准确、检测灵敏度高、选择性好和样品需求量少等优点。利用光声光谱技术对痕量气体浓度进行实时监测，对于促进生态农业的有效发展，人类生产生活的有序进行和保障人民的生命健康具有重要意义。然而传统的光声光谱检测技术是将光声效应产生的声信号在光声谐振腔中共振放大，用电容式或电子式的微音器探测光声信号，由于微音器的响应频率范围宽，极易受到环境杂散噪声的影响，使得传统的光声光谱技术在气体检测领域具有一定的局限性。而石英增强型光声光谱技术一般由石英音叉和微谐振管组成，通过将激光光束穿过充斥被测气体的石英音叉的两股叉之间，使得产生的光声信号在微振管间共振从而提高石英音叉接收到的信号强度。石英增强型光声光谱技术具有响应频率范围窄、抗噪能力强、品质因数和检测灵敏度高的优点。
但是，存在激光准直困难，组装效率低下的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统。
本发明的一个实施例提供了一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，该吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统包括：
包括光源模块、光声谐振腔、信号处理模块，其中，
所述光源模块，用于产生入射光；
所述光声谐振腔，连接所述光源模块，用于使待测痕量气体吸收所述入射光，以产生光声信号并放大所述光声信号，将放大的光声信号转化为电信号，其中，所述光声谐振腔包括石英音叉，用于与所述放大的光声信号发生共振，通过压电效应产生电信号；
所述信号处理模块，连接所述石英音叉，用于对所述电信号进行放大、互相关、分析及匹配处理以完成对所述待测痕量气体的检测。
在本发明的一个实施例中，所述光声谐振腔为T型光声谐振腔。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括激光器、激光控制器、函数发生器和光纤，其中，
所述激光器，用于产生激光；
所述函数发生器，用于输出方波电压信号；
所述激光控制器，连接所述激光器和所述函数发生器，用于根据所述方波电压信号控制激光的波长并对激光进行周期性的强度调制以产生所述入射光；
所述光纤，连接所述激光控制器，用于将所述入射光输入至所述光声谐振腔。
在本发明的一个实施例中，所述光声谐振腔包括吸收腔、共振腔、进气口、出气口和石英音叉，其中，
所述吸收腔，连接所述光纤，用于吸收所述入射光并产生光声信号；
所述共振腔，垂直设置于所述吸收腔的正上方，与所述吸收腔形成T形结构，还连接所述石英音叉，用于对所述光声信号进行谐振放大；
所述进气口、所述出气口，分别设置于所述共振腔两侧的所述吸收腔表面，用于将所述待测痕量气体充入或排出所述吸收腔。
在本发明的一个实施例中，所述吸收腔表面镀有高反射膜，所述入射光通过所述高反射膜在吸收腔表面多次反射。
在本发明的一个实施例中，所述共振腔的本征频率与所述石英音叉的共振频率一致。
在本发明的一个实施例中，所述吸收腔和所述共振腔均为圆柱体结构。
在本发明的一个实施例中，所述吸收腔的半径为0.1～10mm，长度为1～50mm。
在本发明的一个实施例中，所述共振腔的半径为0.1～10mm，长度为1～10mm。
在本发明的一个实施例中，所述信号处理模块包括前置放大器、锁相放大器和信息处理单元，其中，
所述前置放大器，连接所述石英音叉，用于对所述电信号进行放大处理；
所述锁相放大器，连接所述函数发生器和所述前置放大器，对放大后的电信号进行互相关处理。
所述信息处理单元，连接所述锁相放大器，用于对互相关处理后的电信号进行分析及匹配处理，以完成对所述待测痕量气体的检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，用石英音叉代替传统的微音器检测光声信号，频响范围更窄，增强了抗噪能力，且石英音叉和光声谐振腔一体化的结构，使得装置结构小巧，样品需求量小，测量方便快速，克服了传统石英增强光声光谱装置安装效率低下的问题。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统中吸收腔表面多次反射的光路示意图。
附图图标说明：
1-光源模块；2-光声谐振腔；3-信号处理模块；11-激光器；12-激光控制器；13-函数发生器；14-光纤；21-吸收腔；22-共振腔；23-进气口；24-出气口；25-石英音叉；31-前置放大器；32-锁相放大器；33-信息处理单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1、图2，图1为本发明实施例提供的一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统的结构示意图。本发明实施例提供了一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，该吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统包括：
包括光源模块1、光声谐振腔2、信号处理模块3，其中：
光源模块1，用于产生强度周期性调制的入射光；
光声谐振腔2，连接光源模块1，用于使待测痕量气体吸收入射光，以产生光声信号并放大光声信号，将放大的光声信号转化为电信号，其中，光声谐振腔2包括石英音叉25，用于与放大的光声信号发生共振，通过压电效应产生电信号；
信号处理模块3，连接石英音叉25，用于对电信号进行放大、互相关、分析及匹配处理以完成对待测痕量气体的检测。
优选地，光声谐振腔2为T型光声谐振腔。
进一步地，请再参见图2，本实施例光源模块1包括激光器11、激光控制器12、函数发生器13和光纤14。
具体而言，本实施例光源模块1中：激光器11，用于产生激光；函数发生器13，用于输出方波电压信号，作为参考信号，辅助激光控制器12控制激光波长和进行周期性的强度调制；激光控制器12，连接激光器11和函数发生器13，用于根据方波电压信号控制激光的波长并对激光进行周期性的强度调制以产生入射光；光纤14，连接激光控制器12，用于将入射光输入至光声谐振腔2。
进一步地，请再参见图2，本实施例光声谐振腔2还包括吸收腔21、共振腔22、进气口23、出气口24。
具体而言，本实施例光声谐振腔2中：吸收腔21，连接光纤14，位于光声谐振腔2整体结构的下部，用于吸收入射光并产生光声信号；共振腔22，垂直设置于吸收腔21的正上方，与吸收腔21形成T形结构，用于对光声信号进行谐振放大；进气口23、出气口24，分别设置于共振腔22两侧的吸收腔21表面，用于将待测痕量气体充入或排出吸收腔21；石英音叉25，连接共振腔22，用于与共振腔22谐振放大的光声信号发生共振，通过压电效应产生电信号。其中，共振腔22的本征频率与石英音叉25的共振频率一致；吸收腔21和共振腔22均为圆柱体结构。
本实施例光声谐振腔2包括吸收腔21、共振腔22，吸收腔21、共振腔22为两个独立的腔体，改变共振腔22和吸收腔21中任何一个腔体的尺寸都会改变共振腔22的本征频率，即本实施例多了一个调节维度，更容易保持共振腔22的本征频率与石英音叉25的共振频率一致；将石英音叉25固定于共振腔22上部，通过共振腔22谐振放大后的光声信号激发石英音叉25振动再次放大光声信号，在提高检测灵敏度的同时克服了传统石英增强光声光谱技术激光准直困难，组装效率低下的问题；本实施例通过使用T型的光声谐振腔2，将石英音叉25与吸收腔21分离，防止激光光束在吸收腔21内多次反射时照射到石英音叉25产生噪声，增强了系统的稳定性和准确度。
优选地，吸收腔21的半径为0.1～10mm，长度为1～50mm，共振腔22的半径为0.1～10mm，长度为1～10mm。
进一步地，为了增加待测痕量气体对光能的吸收，本实施例吸收腔21表面镀有高反射膜，入射光通过高反射膜在吸收腔21表面多次反射，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统中吸收腔表面多次反射的光路示意图。本实施例高反射膜为反射率达到99.5％以上的反射膜。
本实施例在光声谐振腔2的吸收腔21表面均匀地镀上高反射膜，使得入射光能在吸收腔21表面多次反射，增加了光程从而增加了吸收腔21腔内气体对光能的吸收，进一步提高了检测灵敏度。
进一步地，请再参见图2，本实施例信号处理模块3包括前置放大器31、锁相放大器32和信息处理单元33。
具体而言，本实施例信号处理模块3中：前置放大器31，连接石英音叉25，用于对电信号进行放大处理，从而提高信噪比并实现阻抗转换和匹配；锁相放大器32，连接函数发生器13和前置放大器31，对前置放大器31放大后的电信号进行互相关处理，从而滤除放大后的电信号中与调制频率不同的噪声信号；信息处理单元33，连接锁相放大器32，用于对互相关处理后的电信号进行分析及匹配处理，以完成对待测痕量气体的检测。
基于本实施例提供的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，本实施例声光谱痕量气体检测的过程为：
通过出气口24将光声谐振腔2抽真空处理，清除腔体内残留的干扰气体。随后，将待测痕量气体通过进气口23充满光声谐振腔2。激光器控制器12接收来自函数发生器13的方波电压信号，控制激光器11输出波长对应于待测痕量气体吸收峰的激光，激光的调制频率同光声谐振腔2的本征频率与石英音叉25的共振频率一致。调制后的激光经光纤14射入吸收腔21，待测痕量气体吸收强度周期性调制的激光并发生弛豫，产生光声信号，光声信号在共振腔22内谐振放大，激发位于共振腔22顶端波腹处的石英音叉25发生谐振，进一步放大光声信号并通过压电效应产生电信号。电信号经前置放大器31放大处理后传入锁相放大器32，锁相放大器32将前置放大器31传入的放大电信号和函数发生器13传入的参考方波电压信号互相关，滤除与光声信号频率不同的噪声，信号处理单元33对锁相放大器32互相关处理后的电信号进行分析及匹配处理，以完成对待测痕量气体的检测。
综上所述，本实施例提出的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，石英音叉25与光声谐振腔2一体化的结构，石英音叉25和光声谐振腔2一体化的结构，使得装置结构小巧，样品需求量小，测量方便快速，解决了传统石英增强光声光谱技术激光准直困难，组装效率低下的问题；而且将石英音叉25固定于光声谐振腔2之上，利用光声谐振腔2和石英音叉25的双重放大，构成声学双谐振，从而从光学和声学两个层面提高系统的检测灵敏度，且光声谐振腔2的T形结构，将光源与石英音叉25分离，防止入射激光在吸收腔21内多次反射时照射到石英音叉25产生噪声，增强了系统的准确度和可靠性；同时，通过在光声谐振腔2的吸收腔21表面镀上高反膜，实现了入射激光在腔内的多次反射，增加了待测痕量气体对光能的吸收，再次提高了检测灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，包括光源模块(1)、光声谐振腔(2)、信号处理模块(3)，其中，
所述光源模块(1)，用于产生入射光；
所述光声谐振腔(2)，连接所述光源模块(1)，用于使待测痕量气体吸收所述入射光，以产生光声信号并放大所述光声信号，将放大的光声信号转化为电信号，其中，所述光声谐振腔(2)包括石英音叉(25)，用于与所述放大的光声信号发生共振，通过压电效应产生电信号；
所述信号处理模块(3)，连接所述石英音叉(25)，用于对所述电信号进行放大、互相关、分析及匹配处理以完成对所述待测痕量气体的检测。
2.根据权利要求1所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述光声谐振腔(2)为T型光声谐振腔。
3.根据权利要求1所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括激光器(11)、激光控制器(12)、函数发生器(13)和光纤(14)，其中，
所述激光器(11)，用于产生激光；
所述函数发生器(13)，用于输出方波电压信号；
所述激光控制器(12)，连接所述激光器(11)和所述函数发生器(13)，用于根据所述方波电压信号控制激光的波长并对激光进行周期性的强度调制以产生所述入射光；
所述光纤(14)，连接所述激光控制器(12)，用于将所述入射光输入至所述光声谐振腔(2)。
4.根据权利要求3所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述光声谐振腔(2)还包括吸收腔(21)、共振腔(22)、进气口(23)、出气口(24)，其中，
所述吸收腔(21)，连接所述光纤(14)，用于吸收所述入射光并产生光声信号；
所述共振腔(22)，垂直设置于所述吸收腔(21)的正上方，与所述吸收腔(21)形成T形结构，还连接所述石英音叉(25)，用于对所述光声信号进行谐振放大；
所述进气口(23)、所述出气口(24)，分别设置于所述共振腔(22)两侧的所述吸收腔(21)表面，用于将所述待测痕量气体充入或排出所述吸收腔(21)。
5.根据权利要求4所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述吸收腔(21)表面镀有高反射膜，所述入射光通过所述高反射膜在吸收腔(21)表面多次反射。
6.根据权利要求书4所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述共振腔(22)的本征频率与所述石英音叉(25)的共振频率一致。
7.根据权利要求书4所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述吸收腔(21)和所述共振腔(22)均为圆柱体结构。
8.根据权利要求书7所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述吸收腔(21)的半径为0.1～10mm，长度为1～50mm。
9.根据权利要求书7所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述共振腔(22)的半径为0.1～10mm，长度为1～10mm。
10.根据权利要求书4所述的吸收光程增强型双谐振光声光谱痕量气体检测系统，其特征在于，所述信号处理模块(3)包括前置放大器(31)、锁相放大器(32)和信息处理单元(33)，其中，
所述前置放大器(31)，连接所述石英音叉(25)，用于对所述电信号进行放大处理；
所述锁相放大器(32)，连接所述函数发生器(13)和所述前置放大器(31)，对放大后的电信号进行互相关处理；
所述信息处理单元(33)，连接所述锁相放大器(32)，用于对互相关处理后的电信号进行分析及匹配处理，以完成对所述待测痕量气体的检测。
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