CN112254799B - 一种抗振动差分式干涉声敏检测装置 - Google Patents

一种抗振动差分式干涉声敏检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，包括半导体激光光源、准直透镜、图像传感器、分束器、图像传感器、压力敏感膜片、窄带滤波片。压力敏感膜片上有两个长、宽、高完全一致的两个悬臂梁构成。本发明利用特性完全一致的悬臂梁，结合对称光路结构，建立光程差相同的干涉路径，相互抵消外界振动引起的相位差，差分输出后仅保留膜片表面的动态压力差信号，实现抗交叉的高灵敏声压检测。本声敏检测装置具有抗振动、结构简单、高灵敏等优点，适用于光声光谱气体、液体检测应用，可以用于光谱分析、仪器分析等领域动态声压、热力波的检测。

Description

一种抗振动差分式干涉声敏检测装置
技术领域
本发明涉及一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，尤其适用于光声光谱测量技术中用于气体介质与液体介质中物质浓度的检测，属于声敏检测传感器技术领域。
背景技术
基于悬臂梁的干涉式位移传感器由于具有很高的灵敏度，被广泛应用于气体检测领域。干涉仪检测的是悬臂梁的位移，而引起悬臂梁变形，除了待测气体吸收的能量引起的压力波变化外，还会受到外界振动噪声的影响，使得传感器的精度降低，环境适应性变差，无法满足恶劣条件下的使用，如颠簸、振动等。在此环境中需要采用合适的减振措施才能够避免外界振动的影响，会额外增加系统的尺寸与重量。
针对干涉位移检测的抗振动问题，采用双干涉仪差分来抵消外界振动的影响，而由于气体检测中环境的压力不同，会使得双干涉的静态偏差不一致，差分后此部分会叠加到残差中，增大了测量的误差。双干涉检测方案中两个干涉仪的光程差不一致时调节起来会比较困难，加大了装配的难度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一抗振动差分式干涉声敏检测装置，通过采用对称光路结构与同尺寸的悬臂梁构成光程差相同的静态结构；通过微板穿孔结构的设计构成亥姆霍兹谐振腔，满足了高灵敏度、抗干扰的光谱分析装置的实时在线分析需求。
本发明的技术解决方案是：
一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，包括：半导体激光光源、准直透镜、第一图像传感器、分束器、第二图像传感器、压力敏感膜片以及窄带滤波片；压力敏感膜片上有第一悬臂梁和第二悬臂梁；
半导体激光光源发出的相干光束，经过准直透镜后平行入射到分束器后，平行光束分为四束平行光经窄带滤波片入射到压力敏感膜片上，光束IV入射到第一悬臂梁上，光束III入射到膜片固定端区域A，光束II入射到膜片固定端区域B，光束I入射到第二悬臂梁上，光束I与光束II经反射后会聚在第二图像传感器上形成干涉条纹，光束III与光束IV经反射后会聚在第一图像传感器上形成干涉条纹；对第一图像传感器与第二图像传感器的信号进行差分运算，即可获得压力敏感膜片上感受的声压信号。
进一步的，所述压力敏感膜片上的第一悬臂梁和第二悬臂梁尺寸相同，且对称分布；
如图1所示，除去第一悬臂梁和第二悬臂梁以外的区域均为压力敏感膜片的固定框架，压力敏感膜片的固定框架与第一悬臂梁的间隙d作为均压孔的作用，阻止声压穿过第一悬臂梁到达另外一侧；压力敏感膜片的固定框架与第二悬臂梁的间隙D远大于d，确保声压能穿过第二悬臂梁到达另外一侧。
进一步的，膜片固定端区域A的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第一悬臂梁自由端的区域；膜片固定端区域B的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第二悬臂梁自由端区域；区域A与区域B无重叠，且区域A与区域B的面积之和小于第一悬臂梁自由端与第二悬臂梁自由端中间的固定部分。
进一步的，第一悬臂梁为光声信号拾取悬臂梁，静压能够通过，而声压不能穿透；第二悬臂梁为振动差分抑制悬臂梁，静压与声压均能通过，与光声信号拾取悬臂梁形成一对振动信号差分悬臂梁。
进一步的，还包括气密垫片，将光声信号拾取悬臂梁与振动差分抑制悬臂梁的气体腔室隔开，确保两个悬臂梁气体不连通。
进一步的，d与D的具体计算方法如下：
声音在空气中传播的声速为c0，密度为ρ0，定压比热为Cp，γ为定压比热与定容比热之比，γ＝Cp/Cv，两个悬臂梁尺寸相同，悬臂梁的宽度为b，悬臂梁的厚度为l，悬臂梁微孔的周长为D0，微压敏感膜片背部腔体积为V，运动黏性系数为μ；声质量为Ma，S是微孔的横截面积，ω是工作角频率，K是气体导热率，i是虚部；
声质量Ma，
Figure BDA0002649155070000031
声阻Ra，
Figure BDA0002649155070000032
声顺Ca，
Figure BDA0002649155070000033
第一悬臂梁的间隙d，其S＝d×b，周长D0＝2(d+b)，满足等式
Figure BDA0002649155070000034
第二悬臂梁的间隙D，其S＝D×b，周长D0＝2(D+b)，满足等式
Figure BDA0002649155070000035
进一步的，压力敏感膜片为MEMS工艺制作的双悬臂梁硅片。
进一步的，分束器有四个连续反射面，分别为P、Q、M、N；P、Q面构成一个菲涅尔双面镜，M、N面构成一个菲涅尔双面镜，光轴中心对称面为R；
半导体激光器发出的光经过准直透镜后平行入射到分束器，经准直透镜后的光轴与分束器的中心面R共面，光斑直径覆盖分束器的四个连续反射面P、Q、M、N。
进一步的，半导体激光光源发出的光波长为λ、发散角α，发光位置记为S0；S0距离分束器光斑中心的光程记为a，光斑束腰直接为Φ；光束在分束器的中心位置距离悬臂梁的距离记为l，光束与分束器的入射角为β，分束器中单个菲涅尔双面镜夹角为180-θ、双面镜沿光轴边长为lm；S1与S2为S0点发出的光源在菲涅尔双面镜的虚像，其距离为d1，则d1＝2asinθ；
单个菲涅尔双面镜夹角是指P与Q面夹角或M与N面夹角；
光程a＞2cotβ·lm·cosα，干涉条纹间距为
Figure BDA0002649155070000036
干涉条纹的数量为
Figure BDA0002649155070000037
干涉条纹数量n≥9。
进一步的，第一图像传感器与第二图像传感器位于第一悬臂梁和第二悬臂梁的对称面两侧；第一图像传感器和第二图像传感器采用线阵图像传感器或面阵图像传感器，图像传感器的像素大小小于Δd’的五分之一：
Figure BDA0002649155070000041
其中两个悬臂梁距离各自对应的图像传感器的距离相同，均为L。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用了差分式干涉微位移检测方式，由于位移检测受振动敏感，利用等光程差的对称悬臂梁与干涉结构解决了振动冲击对悬臂梁的变形影响，采用差分式相位差解算，实现了干涉位移检测的抗振动影响。
(2)本发明采用对称式四反射镜，实现了一束光分为等光程差的双侧干涉条纹，构建了对称等光程的双侧悬臂梁位移干涉图像。
(3)本发明采用了微孔穿板的模型设计形成差分式脉动压力检测，利用亥姆霍兹谐振腔原理，两个悬臂梁振动变形位移差分后能够保留有效的动态压力值数据。
(4)本发明利用特性完全一致的悬臂梁，结合对称光路结构，建立光程差相同的干涉路径，相互抵消外界振动引起的相位差，差分输出后仅保留膜片表面的动态压力差信号，实现抗交叉的高灵敏声压检测。本声敏检测装置具有抗振动、结构简单、高灵敏等优点，适用于光声光谱气体、液体检测应用，可以用于光谱分析、仪器分析等领域动态声压、热力波的检测。
附图说明
图1为本发明的内部构造示意图；
图2为配置双悬臂梁的压力敏感膜片俯视图；
图3为单个悬臂梁声电等效模型示意图；
图4为四反射面的分束器外形图；
图5为光源到悬臂梁的等效光路图；
图6为压力敏感膜片仰视图；
图7为实施例的混合样本响应光谱以及自适应背景校正后的响应光谱；
具体实施方式
本发明提出了一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，主要包括如下三方面主要创新：
第一方面，本发明提供了一种抗振动差分式干涉声敏检测装置总结结构
半导体激光光源1发出的相干光束，经过准直透镜2后平行入射到分束器3后，平行光束分为四束平行光经窄带滤波片7入射到压力敏感膜片6上，光束IV入射到悬臂梁8，光束III入射膜片固定端区域A，光束II入射到膜片固定端区域B，光束I入射到悬臂梁9的末端，光束I与光束II经反射后会聚在图像传感器5上形成干涉条纹，光束III与光束IV经反射后会聚在图像传感器3上形成干涉条纹。通过后续接口电路与数据处理对图像传感器3与图像传感器5的信号进行差分运算，即可获得压力敏感膜片上感受的声压信号。
第二方面，本发明提出了一种压力敏感膜片
压力敏感膜片上面有两个位于中心两侧分布的尺寸相同的悬臂梁8与悬臂梁9；压力敏感膜片与悬臂梁8的间隙d作为均压孔的作用，阻止声压穿过悬臂梁到达另外一侧；压力敏感膜片与悬臂梁9的间隙D应远大于d，确保声压能过穿过悬臂梁到达另外一侧；d与D的尺寸参照为亥姆霍兹谐振腔微孔穿板计算，计算声质量为Ma，声阻Ra，远大于声顺Ca，满足等式；悬臂梁8与悬臂梁9的背面气体不连通。
第三方面，本发明提出了一种分束器
将光源准直后的光束经分束器分为四束光线分别入射到压力敏感膜片的不同区域，光束I入射点位于悬臂梁9的末端附近，光束II的入射点位于压力敏感膜片固定框架区域B附近，光束III的入射点位于压力敏感膜片固定框架区域A附近，光束IV的入射点位于悬臂梁8的末端附近。
具体的，如图1所示，本发明提出的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，包括半导体激光光源1、准直透镜2、第一图像传感器3、分束器4、第二图像传感器5、压力敏感膜片6以及窄带滤波片7；压力敏感膜片6上有第一悬臂梁8和第二悬臂梁9；
半导体激光光源1发出的相干光束，经过准直透镜2后平行入射到分束器4后，平行光束分为四束平行光经窄带滤波片7入射到压力敏感膜片6上，光束IV入射到第一悬臂梁8上，光束III入射到膜片固定端区域A，光束II入射到膜片固定端区域B，光束I入射到第二悬臂梁9上，光束I与光束II经反射后会聚在第二图像传感器5上形成干涉条纹，光束III与光束IV经反射后会聚在第一图像传感器3上形成干涉条纹；对第一图像传感器3与第二图像传感器5的信号进行差分运算，即可获得压力敏感膜片上感受的声压信号。
如图2所示为压力敏感膜片6的俯视图，为MEMS工艺制作的双悬臂梁硅片，悬臂梁的尺寸中心对称。压力敏感膜片6上的第一悬臂梁8和第二悬臂梁9尺寸相同，且对称分布；压力敏感膜片的固定框架与第一悬臂梁8的间隙d作为均压孔的作用，阻止声压穿过第一悬臂梁8到达另外一侧；压力敏感膜片的固定框架与第二悬臂梁9的间隙D，确保声压能穿过第二悬臂梁9到达另外一侧。
两个悬臂梁的差异为悬臂梁与固定边框的间隙d与D不同，d<<D，标记间隙为d的为尺寸光声信号拾取悬臂梁，静压能够通过，而声压不能穿透；标记间隙为D的悬臂梁为振动差分抑制悬臂梁，静压与声压均能通过，与光声信号拾取悬臂梁形成一对振动信号差分悬臂梁。如图6所示，为压力敏感膜片6的仰视图，还包括气密垫片，区域O为气密垫片，将光声信号拾取悬臂梁与振动差分抑制悬臂梁的气体腔室隔开，令两个悬臂梁气体不连通，确保流体介质不能形成对流。
膜片固定端区域A的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第一悬臂梁8自由端的区域。
膜片固定端区域B的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第二悬臂梁9自由端区域；区域A与区域B无重叠，且区域A与区域B的面积之和小于第一悬臂梁8自由端与第二悬臂梁9自由端中间的固定部分。
如图3所示为间隙为d与D的声电等效模型图，用于不同悬臂梁尺寸下其间隙的最小D或最大d值，间隙等效为微孔穿孔模型，其声质量为Ma，声阻Ra，声顺Ca，P为平均声压，Q为体积流速。
d与D的具体计算方法如下：
声音在空气中传播的声速为c0，密度为ρ0，定压比热为Cp，γ为定压比热与定容比热之比，γ＝Cp/Cv，两个悬臂梁尺寸相同，悬臂梁的宽度为b，悬臂梁的厚度为l，悬臂梁微孔的周长为D0，微压敏感膜片背部腔体积为V，运动黏性系数为μ；S是微孔的横截面积，ω是工作角频率，K是气体导热率，i是虚部；
声质量Ma，
Figure BDA0002649155070000071
声阻Ra，
Figure BDA0002649155070000072
声顺Ca，
Figure BDA0002649155070000073
第一悬臂梁8的间隙d，其S＝d×b，周长D0＝2(d+b)，满足等式
Figure BDA0002649155070000074
第二悬臂梁9的间隙D，其S＝D×b，周长D0＝2(D+b)，满足等式
Figure BDA0002649155070000075
如图4所示，为分束器的外形结构图，分束器4有四个连续反射面，分别为P、Q、M、N；其实质为两个菲涅尔双面镜，P、Q构成一个菲涅尔双面镜，M、N构成另外一个菲涅尔双面镜，反射面为中心对称(图中虚线)，即R为光轴中心对称面；
半导体激光器1发出的光经过准直透镜2后平行入射到分束器4，经准直透镜2后的光轴与分束器4的中心面R共面，光斑直径覆盖分束器4的四个连续反射面P、Q、M、N。
如图5所示，为半导体激光光源发出的光入射到分束器中的一路菲涅尔双面镜M、N上，S0在反射面M与N的虚像点分别为S1、S2，M与N的交线位置为A，S1与S2连线中线距离悬臂梁的距离为a+l。
半导体激光光源1发出的光波长为λ、发散角α，发光位置记为S0；S0距离分束器4光斑中心的光程记为a，光斑束腰直接为Φ；光束在分束器4的中心位置距离悬臂梁的距离记为l，光束与分束器的入射角为β，分束器中单个菲涅尔双面镜夹角为180-θ、双面镜沿光轴边长为lm；S1与S2为S0点发出的光源在菲涅尔双面镜的虚像，其距离为d1，则d1＝2asinθ；
单个菲涅尔双面镜夹角是指P与Q面夹角或M与N面夹角；
光程a＞2cotβ·lm·cosα，干涉条纹间距为
Figure BDA0002649155070000081
干涉条纹的数量为
Figure BDA0002649155070000082
干涉条纹数量n≥9。
第一图像传感器3与第二图像传感器5位于第一悬臂梁8和第二悬臂梁9的对称面两侧；第一图像传感器3和第二图像传感器5采用线阵图像传感器或面阵图像传感器，图像传感器的像素大小小于Δd’的五分之一：
Figure BDA0002649155070000083
其中两个悬臂梁距离各自对应的图像传感器的距离相同，均为L。
实施例：
如图7所示，气体测量装置包括光源、准直模块、干涉声敏检测装置、光声样品池、光源驱动与控制、信号采集与数据处理、气体采样控制以及供电模块；光源可以是连续光源经过傅里叶变换后的干涉光源，也可以是外腔式量子级联激光光源，发光二极管(LED)，光源的调制频率采用的是33Hz。
本实施例采用的是1.654um(甲烷特征吸收波长)的分布反馈式激光光源(日本NTTDFB激光器)，光声样品池，气体交换控制采用的是非谐振式(芬兰PA201模块)，数据采集处理模块是基于线阵CMOS图像传感器(滨松S9227-3)的DSP模块进行相位解调与数据处理，图像传感器的时钟频率为5MHz，信号采用一次谐波锁相检测算法，光源驱动与控制采用的是ILX3724-C。
干涉声敏检测装置的半导体激光光源采用的是Thorlabs的L635P003
，恒流驱动工作模式电流为20mA；准直透镜选用的是355230-B，声压敏感膜片与准直透镜输出的光轴的距离为25mm；图像传感器3与图像传感器5采用的是滨松光子的S9227-3；分束器4之中，P、Q夹角为179°，M、N夹角为179°，分束器反射面P与光轴夹角为48°，Q与M的夹角为172°，边长lm为3mm，与悬臂梁的距离为45mm；声压敏感膜片6的悬臂梁厚度为10um，长度为5mm，宽度为1mm，基片为厚度500um的SOI硅片，悬臂梁8周边的间隙d为4um，悬臂梁9周边的间隙D为1mm；干涉声敏检测装置背面的橡胶垫厚度为2mm，材料为橡胶。
本实施例利用特性完全一致的悬臂梁，结合对称光路结构，建立光程差相同的干涉路径，相互抵消外界振动引起的相位差，差分输出后仅保留膜片表面的动态压力差信号，实现抗交叉的高灵敏声压检测。本实施例中声敏检测装置具有抗振动、结构简单、高灵敏等优点，适用于光声光谱气体、液体检测应用，可以用于光谱分析、仪器分析等领域动态声压、热力波的检测。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于包括：半导体激光光源(1)、准直透镜(2)、第一图像传感器(3)、分束器(4)、第二图像传感器(5)、压力敏感膜片(6)以及窄带滤波片(7)；压力敏感膜片(6)上有第一悬臂梁(8)和第二悬臂梁(9)；
半导体激光光源(1)发出的相干光束，经过准直透镜(2)后平行入射到分束器(4)后，平行光束分为四束平行光经窄带滤波片(7)入射到压力敏感膜片(6)上，光束IV入射到第一悬臂梁(8)上，光束III入射到膜片固定端区域A，光束II入射到膜片固定端区域B，光束I入射到第二悬臂梁(9)上，光束I与光束II经反射后会聚在第二图像传感器(5)上形成干涉条纹，光束III与光束IV经反射后会聚在第一图像传感器(3)上形成干涉条纹；对第一图像传感器(3)与第二图像传感器(5)的信号进行差分运算，即可获得压力敏感膜片上感受的声压信号；
所述压力敏感膜片(6)上的第一悬臂梁(8)和第二悬臂梁(9)尺寸相同，且对称分布；
压力敏感膜片的固定框架与第一悬臂梁(8)的间隙d作为均压孔的作用，阻止声压穿过第一悬臂梁(8)到达另外一侧；压力敏感膜片的固定框架与第二悬臂梁(9)的间隙D远大于d，确保声压能穿过第二悬臂梁(9)到达另外一侧。
2.根据权利要求1所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：膜片固定端区域A的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第一悬臂梁(8)自由端的区域；膜片固定端区域B的定义为：压力敏感膜片固定框架靠近第二悬臂梁(9)自由端区域；区域A与区域B无重叠，且区域A与区域B的面积之和小于第一悬臂梁(8)自由端与第二悬臂梁(9)自由端中间的固定部分。
3.根据权利要求1所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：第一悬臂梁(8)为光声信号拾取悬臂梁，静压能够通过，而声压不能穿透；第二悬臂梁(9)为振动差分抑制悬臂梁，静压与声压均能通过，与光声信号拾取悬臂梁形成一对振动信号差分悬臂梁。
4.根据权利要求3所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：还包括气密垫片，将光声信号拾取悬臂梁与振动差分抑制悬臂梁的气体腔室隔开，确保两个悬臂梁气体不连通。
5.根据权利要求3所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：d与D的具体计算方法如下：
声音在空气中传播的声速为c0，密度为ρ0，定压比热为Cp，γ为定压比热与定容比热之比，γ＝Cp/Cv，两个悬臂梁尺寸相同，悬臂梁的宽度为b，悬臂梁的厚度为l，悬臂梁微孔的周长为D0，微压敏感膜片背部腔体积为V，运动黏性系数为μ；S是微孔的横截面积，ω是工作角频率，K是气体导热率，i是虚部；
声质量Ma，
Figure FDA0003788921950000021
声阻Ra，
Figure FDA0003788921950000022
声顺Ca，
Figure FDA0003788921950000023
第一悬臂梁(8)的间隙d，其S＝d×b，周长D0＝2(d+b)，满足等式
Figure FDA0003788921950000024
第二悬臂梁(9)的间隙D，其S＝D×b，周长D0＝2(D+b)，满足等式
Figure FDA0003788921950000025
6.根据权利要求1所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：压力敏感膜片(6)为MEMS工艺制作的双悬臂梁硅片。
7.根据权利要求1所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：分束器(4)有四个连续反射面，分别为P、Q、M、N；P、Q面构成一个菲涅尔双面镜，M、N面构成一个菲涅尔双面镜，光轴中心对称面为R；
半导体激光器(1)发出的光经过准直透镜(2)后平行入射到分束器(4)，经准直透镜(2)后的光轴与分束器(4)的中心面R共面，光斑直径覆盖分束器(4)的四个连续反射面P、Q、M、N。
8.根据权利要求7所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：
半导体激光光源(1)发出的光波长为λ、发散角α，发光位置记为S0；S0距离分束器(4)光斑中心的光程记为a，光斑束腰直接为Φ；光束在分束器(4)的中心位置距离悬臂梁的距离记为l，光束与分束器的入射角为β，分束器中单个菲涅尔双面镜夹角为180-θ、双面镜沿光轴边长为lm；S1与S2为S0点发出的光源在菲涅尔双面镜的虚像，其距离为d1，则d1＝2asinθ；
单个菲涅尔双面镜夹角是指P与Q面夹角或M与N面夹角；
光程a>2cotβ·lm·cosα，干涉条纹间距为
Figure FDA0003788921950000031
干涉条纹的数量为
Figure FDA0003788921950000032
干涉条纹数量n≥9。
9.根据权利要求8所述的一种抗振动差分式干涉声敏检测装置，其特征在于：第一图像传感器(3)与第二图像传感器(5)位于第一悬臂梁(8)和第二悬臂梁(9)的对称面两侧；第一图像传感器(3)和第二图像传感器(5)采用线阵图像传感器或面阵图像传感器，图像传感器的像素大小小于Δd’的五分之一：
Figure FDA0003788921950000033
其中两个悬臂梁距离各自对应的图像传感器的距离相同，均为L。
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