CN113189012A - 一种增强型光声传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型光声传感装置及方法，该装置设计的多通池由两个相同的球面反射镜组成，激励光束沿球面反射镜的边缘入射至多通池内，使激励光束被折叠多次，并且其轨迹在石英音叉的两侧呈现扇形分布，且汇聚于石英音叉振臂最佳响应区域，产生多个点声源，解决光束空间分布与音叉振臂响应位置失配问题，提高系统对光声信号的探测性能，从而避开内腔石英增强光声传感装置的模式锁定需求。该装置设计的锥型声腔为两个相同的圆台状声腔，且沿多通池光轴对称设置在石英音叉的两侧，可与呈现扇形分布的激励光束轨迹相匹配，对沿着光束轨迹产生的声能累积和收集，促进声腔和石英音叉之间的声能转移效率，解决石英增强光声光谱技术中声腔添加难题。

Description

一种增强型光声传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光声光谱测量技术，具体涉及一种增强型光声传感装置及方法。

背景技术

痕量气体检测技术作为一种核心技术，在污染监控、航天医疗、石油化工及工业过程控制等各个领域都有非常重要的应用。光声光谱气体传感技术是痕量气体检测技术的一种，以选择性好、灵敏度高等特点，成为长期以来人们从原理到应用不断进行研究的热点。其中石英增强光声光谱传感系统通常使用高Q因子、低成本的石英音叉作为声探测器，因此具有成本效益高、灵敏度高和占用空间小的特点，并且这些特点正是当今气体传感器发展的主流趋势。

在石英增强光声光谱中，一束激光从充满目标气体的音叉两振臂间通过时，被激光激发到高能态的气体分子通过碰撞退激发过程，在两振臂间形成一个点声源，并产生微弱声波，声波推动音叉两振臂共振，而共振产生的形变通过音叉的压电效应被转化成与被测气体浓度成正比的可测电信号。因此，石英音叉可以被视为一个声四极结构，使其免疫外部环境声音。相比于其它光学传感技术，石英增强光声光谱的一个非常显著的优点是探测灵敏度与激发光功率成正比。由于光学谐振腔有共振增强作用，可以将腔内激光功率提高几百甚至上千倍。把石英增强光声传感器放入光学腔中，以光学腔内的激光光场作为激发光源，利用光声光谱探测灵敏度与光源功率成正比特性，可以进一步提高石英增强光声光谱的探测灵敏度。意大利巴里理工大学Spagnolo教授在2014年首次进行了内腔石英增强光声光谱实验，把石英增强光声光谱的最小探测吸收提升到10^-8cm^-1(3.2×10^-10cm^-1W/√Hz)，实现了对CO₂气体0.3ppb的探测灵敏度[7]，获得了很好的效果。实际上，这个圆柱对称的声波不仅是在石英音叉振臂间隙之间产生的，也会沿着激光传输路径产生。然而在传统石英增强光声光谱传感系统中，使用的石英音叉厚度通常只有0.4mm，这导致只有在石英音叉厚度范围内的声源发出的声波才能被有效地采集到。如果能采集到更多的沿着光束路径产生的声波，则石英增强光声光谱信号将得到显著的改善。

然而为了使波长调制的激光光束能够持续进入光学腔内，必须实现激光波长和光学腔模式互锁。通常的频率锁定是通过控制一个腔镜后的压电陶瓷改变腔镜长度，从而控制腔模快速跟随激光调制波长的变化。但是压电陶瓷的带宽极限在几kHz左右，而为了产生与音叉式石英晶振共振频率相应的声波，激光的调制频率被设置在十几kHz，压电陶瓷根本无法使腔模跟随激光波长变动。到目前为止，所有的内腔石英增强光声光谱实验中，都没有实现真正的频率锁定，腔模像一个光学斩波器，对光束进行了斩断，在腔内形成了强度调制，而不是波长调制。激光的强度噪声，恶化了探测灵敏度。

事实上，在光与气体相互作用的光束传输路径上，会沿光束向外产生柱状对称声波，由于音叉的振臂厚度受设计、工艺限制通常<0.4mm。因此仅仅与音叉厚度相同长度区域内的声源被有效利用，这也是处理音叉间声源为点声源的原因。而内腔石英增强光声光谱是让光束在高精细度的光学腔内路径重叠形成干涉，极大提升音叉间点声源的发射强度，以达到信号增强的目的。如果换种思路，让光束反复通过石英音叉振臂，而路径不重叠，不采用腔与激光束之间的模式匹配，就能避开光学腔的模式锁定需求，解决当前基于内腔石英增强光声传感的难题。在这种情况下，由于光束之间没有形成干涉，光束的功率并没有提高，但每个光束都会在石英音叉振臂间产生一个点声源，所有点声源共同推动石英音叉振臂振动，达到信号增强效果，我们称之为内腔多声源激发型石英增强光声光谱。然而，实现这种方案的关键科学问题在于，首先是如何利用两个反射镜在两镜片间实现光束的精准控制，以使反射光束每次都准确地从音叉两振臂间不同位置通过，从而在其缝隙间产生多个声源；其次是如何解决光束分布与音叉探测敏感区域不匹配问题。石英音叉振臂不同位置对声波的探测灵敏度并不相同，敏感区只保持在一定的区间内，较分散的光束不利于整体探测灵敏度的提升；另外分散的光束还导致无法在音叉两端添加传统的柱状微型声腔，失去了通过声腔对声音积累的方式提升探测灵敏度的途径。如果能够很好解决以上几个关键性问题，不仅会进一步提升光声传感的探测灵敏度，而且能够巧妙避开内腔石英增强光声光谱的模式锁定需求，使之成为一种真正实用的技术。

发明内容

针对现有技术中不足，本发明的目的在于提供一种增强型的光声传感的装置及方法，本发明基于两个反射镜设计多通池，该多通池可使使激励光束被折叠多次形成多个折叠光束，被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉的两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂最佳响应区域，解决光束空间分布与音叉振臂响应位置失配问题，实现对音叉振臂长度最佳响应区域内声场的高效探测，提高系统对光声信号的探测性能，从而能够巧妙避开内腔石英增强光声光谱的模式锁定需求。进一步，本发明的系统还引入锥型声腔，该锥型声腔为两个完全相同的圆台形声腔，沿多通池的光轴对称设置在石英音叉的两侧，与被多通池折叠的激励光束轨迹相匹配，并使被折叠多次的激励光束无接触通过锥型声腔，利于声能的积累和收集，促进声腔和石英音叉之间的声能转移效率，解决石英增强光声光谱技术中声腔添加难题。

通过发展增强型光声传感装置及方法，不仅为光谱分析提供一种新的探测手段，而且为基于内腔石英增强光声光谱技术传感装置的实用化、免锁定、超高灵敏气体分析系统的实现开辟一条新的途径。这些研究对于促进激光光谱技术的发展应用，具有非常重要的现实意义。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种增强型光声传感装置，包括光源模块、多通池、锥型声腔、光声信号探测及数据处理模块，所述光源模块包括激励光源、激光控制电路板和匹配透镜，所述多通池包括球面反射镜Ⅰ、球面反射镜Ⅱ和笼式结构，所述笼式结构包括两个相互平行的笼板和多个笼杆，所述球面反射镜Ⅰ、球面反射镜Ⅱ分别固定在两个笼板上，且两个笼板可沿多个笼杆滑动以调整球面反射镜Ⅰ与球面反射镜Ⅱ的间距，所述球面反射镜Ⅱ和球面反射镜Ⅰ的镜面中心构成的轴线为多通池的光轴；所述光声信号探测及数据处理模块包括石英音叉、跨阻抗前置放大器、锁相放大器和计算机；所述石英音叉设置在多通池的光轴中心位置；所述激励光源输出的光束经过匹配透镜后沿球面反射镜Ⅱ或球面反射镜Ⅰ的边缘入射至多通池内，被球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ多次反射后，使激励光束被折叠多次形成多个折叠光束，被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉的两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ上产生单线分布的光斑图案；所述锥型声腔为两个完全相同的圆台状声腔且与呈现扇形分布的激励光束的轨迹相匹配，沿多通池的光轴对称设置在石英音叉的两侧，并且使被折叠多次的激励光束无接触通过锥型声腔；所述激光控制电路板分别与激励光源和锁相放大器连接；所述计算机与激光控制电路板和锁相放大器通过同轴电缆连接；所述计算机通过控制激光控制电路板去驱动激励光源的驱动电流和温度，对激励光源输出的波数进行扫描和调制；所述跨阻抗前置放大器的两个信号端分别与石英音叉两个引脚相连，将石英音叉产生的压电信号转为电信号并进行放大；所述锁相放大器与激光控制电路板连接；所述锁相放大器的信号输入端与跨阻抗前置放大器的信号输出端相连；所述的计算机与锁相放大器的输出端将电信号解调后传输给计算机。

进一步地，所述球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ为完全相同的凹面反射镜。。

再进一步地，所述石英音叉振臂间隙尺寸大于激励光束的直径，以保证由多通池产生的多个折叠光束完全通过所述的石英音叉振臂间隙。

再进一步地，所述多通池产生的被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ上产生单线分布的光斑图案；具体是通过如下方法实现的：

首先确定入射激励光束的位置和角度均在z轴和y轴上有分量，所述z轴为多通池光轴，石英音叉的对称轴与多通池的光轴垂直，设此对称轴为y轴；确定球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ的焦距f，调整两个球面反射镜的镜面间距d，使4f/d≈1，而后通过调整入射的激励光束的入射角度和位置，在y-z平面上使被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ上产生单线分布的光斑图案。

再进一步地，所述通过调整入射的激励光束的入射角度和位置，在y-z平面上使被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂间隙内，当被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉振臂间隙内汇聚处的高度D≤│L1-L2│时，被折叠多次的激励光束轨迹汇聚于石英音叉振臂间隙内的最佳响应区间，其中L1和L2分别为石英音叉振臂间隙最佳响应区间的两个端点位置到石英音叉顶端的距离。

再进一步地，所述的锥型声腔是两个完全相同圆台状声腔，为使呈扇形分布的激励光束轨迹与圆台状声腔相匹配，且无接触通过，圆台状声腔的上底面和下低面的半径需同时满足如下关系：

R-r＝│y₀│-D/2,(R-r)/(d²+R²+r²-2Rr)≥│sin(y₀’)│,r>D/2,R>│y₀│,

其中，r和R分别为圆台状声腔的上底面和下底面的半径，入射的激励光束在y-z平面上的入射位置和入射角度为(y₀,y₀’)，D为被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉振臂间隙内汇聚处的高度。

本发明的核心技术是一种增强型光声传感装置及方法，是采用一个多通池和一个石英音叉以及一对圆台形声腔组成的。这种技术不仅可以避免基于内腔石英增强光声光谱的传感装置对复杂的模式锁定需求，而且可以大大提高光声传感对气体检测的灵敏度。该多通池由两个球面反射镜(球面反射镜Ⅰ、球面反射镜Ⅱ)组成，所述多通池使激励光束被多次折叠，被折叠多次的激励光束必须在石英音叉的中心对称平面上传输，因此在两个球面反射镜镜面上的光斑需成单线排列，产生单线分布的光斑图案；而且折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉两侧呈现扇形分布，汇聚于石英音叉振臂间隙最佳响应区间，沿着石英音叉对称轴产生多个声源，增强光声信号，这样能够解决激励光束空间分布与音叉振臂响应位置失配问题，而且该石英音叉振臂间隙尺寸较大，利于激励光束多次通过石英音叉的振臂间隙。所述锥型声腔是两个完全相同的圆台状声腔，沿多通池的光轴对称设置在石英音叉的两侧，能够与呈现扇形分布的激励光束轨迹相匹配，能够对沿着光束轨迹产生声能进行有效累积和收集，促进与石英音叉之间的声能转移，增强音叉对声能的感应效率，解决光声传感装置中声腔添加难题。

利用本发明的光声传感装置进行气体浓度检测的方法，包括以下步骤：

F1、首先通过调整球面反射镜Ⅰ和球面反射镜Ⅱ的焦距f，镜面间距d，确保4f/d≈1，而后调整入射激励光束的入射位置和角度(y₀,y₀’)，以保证在y-z平面上被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉振臂间隙内的最佳响应区间；

F2、激励光源输出的对应目标气体的吸收线由计算机生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制，激励光源的调制频率为石英音叉的共振频率f₀的一半，从而使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波信号，声波周期性膨胀、收缩，导致音叉振臂被感应，从而产生压电信号；

F3、跨阻抗前置放大器对石英音叉产生的压电信号进行放大并转变为电信号传输到锁相放大器；

F4、锁相放大器以激励光源调制频率的二倍频率对所述电信号进行解调，获得目标气体的2f光谱；

F5、所述的2f光谱的信号峰值与目标气体的浓度成正比，在计算机上通过数学计算获得目标气体的浓度。

所述激光控制电路板、锁相放大器均为现有产品，有多种型号可供选择使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明首次有机地把光学多通池和石英增强光声光谱技术结合为一体，利用像差原理实现多通池内的激励光束反复通过石英音叉振臂间隙且汇聚在石英音叉振臂间隙内最佳响应区域，同时产生多个点声源，因此发展出一种全新的增强型光声传感技术。这种技术不仅可以避免内腔石英增强光声光谱的气体传感装置对复杂的模式锁定需求，而且可以大大提高光声传感装置对气体的探测灵敏度。

2、本发明在声腔设计思路上摈弃了声腔传统设计方案，根据激励光束特征从声腔几何构型上进行创新，根据光束在空间分布的轨迹进行匹配，发展锥型声腔，促进声腔与石英音叉之间的能量转移，进一步促进光声传感系统的探测性能。

3、本发明可根据探测目标气体的种类而选择与之对应的目标气体吸收线作为激励光源，实现多种气体探测；并且无需考虑LED光源、量子级联激光器等光源光束光斑大小，由于本发明的多通池采用双球面镜结构可将激励光束进行会聚，使得激励光束在多通池的内部反射多次不会发散，在多通池光轴中心位置处对应的光束直径小于石英音叉的振臂间隙，保证反射多次的激励光束不会与石英音叉振臂触碰，有效避免光热噪声。因此这种增强型光声传感装置具有极强的普适性，完全可用于医疗诊断、环境监测、工业生产控制等领域的气体监测。

附图说明

图1是本发明所述多通池在球面反射镜上产生的光斑图案分布图。

图2是使用光学仿真软件Tracepro对所述多通池模型的仿真。

图3是本发明所述多通池模型在y-z平面的示意图。

图4是本发明增强型光声传感的装置结构示意图。

图5是本发明多通池中笼式结构的示意图。

图6是本发明所述的石英音叉的最佳响应区间示意图。

图7是本发明中石英音叉振臂位置对折叠多次的激励光束的响应关系。

图8是本发明所述的增强型光声传感装置对大气环境中水蒸气探测的2f光谱信号。

图9是传统的石英增强光声光谱传感系统对大气环境中水蒸气探测的2f光谱信号。

图中，1-球面反射镜Ⅰ、2-球面反射镜Ⅱ、3-石英音叉、4-锥型声腔、5-匹配透镜、6-激励光源、7-激光控制电路板、8-跨阻抗前置放大器、9-锁相放大器、10-计算机、11-笼板、12-笼杆。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

如图1所示，本发明的多通池的光斑图案是采用球差理论所设计的，该多通池是由两个完全相同的凹面反射镜(球面反射镜Ⅰ1、球面反射镜Ⅱ2)组成。所述多通池的设计应遵循以下规则：1)球面反射镜焦距f和镜面间距d满足关系：4f/d≈1；2)所述的多通池产生的激励光束轨迹在石英音叉3两侧呈现扇形分布，并在石英音叉3振臂间隙内的响应最佳区间汇聚，这样能够解决激励光束空间分布与石英音叉3振臂响应位置失配问题；3)由于石英音叉3的振臂长度有限，多通池的球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2的镜面上所有光斑应该集中在很短线段上；4)需增加更多的激励光束的反射次数，从而增加在石英音叉3振臂间隙内的声源数量；5)允许光斑重叠，由于光斑重叠可增加声源的辐射强度。为了得到最优的多通池模型参数，本实施例设计的多通池尺寸如下：

首先确定入射激励光束的入射位置和角度均在z轴和y轴上有分量，所述z轴为多通池光轴，石英音叉3的对称轴与多通池的光轴垂直，设此对称轴为y轴；确定球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2的焦距f，调整两个球面反射镜的镜面间距d，使4f/d≈1，而后通过调整入射的激励光束的入射角度和位置，在y-z平面上使被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉3两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉3振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2上产生单线分布的光斑图案，如图1和2所示，当被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉3振臂间隙内汇聚处的高度D≤│L1-L2│时，被折叠多次的激励光束轨迹汇聚于石英音叉3振臂间隙内的最佳响应区间，如图3所示。由于石英增强光声光谱的信噪比在很大程度上取决于声腔和激光聚焦点在石英音叉轴的位置，并且对于单声源的石英增强光声传感装置中使用声腔，使得石英音叉振臂对声能最大响应存在一个位置区间，这个区间就是石英音叉振臂的最佳响应区间，对于本传感装置使用的石英音叉3(QTF)振臂最佳响应区域长度│L1-L2│大约为1.2mm，其中L1和L2分别为石英音叉3振臂间隙最佳响应区间的两个端点位置到石英音叉3顶端的距离，如图6所示。因此在寻找最佳的多通池模型的参数时，将球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2的尺寸和焦距分别设为25.4mm和25mm。入射激励光束直径设为0.6mm。当两个球面镜的镜面间距为100.1mm时，在y-z平面上初始激励光束入射位置和入射角度为(13.45mm，-15.4°)，此时符合设计方案的多通池被获得。利用TracePro对所设计的多通池进行模拟仿真和验证。通过将这些决定多通池产生所述的光斑图案和光线轨迹的参数输入到光学仿真软件TracePro中，理论设计的最佳多通池模型被重现，如图2和3所示。虽然光斑重叠通常会导致可调谐激光吸收光谱传感系统的标准具噪声，但在此光声传感系统中，这种噪声并不会对其产生影响，由于石英增强光声光谱作为一种零背景噪声技术并不能拾取标准具噪声，它检测的是声信号而不是光强信号。正如图2和3所示的多通池仿真模型可以提供58次光束传输次数，这意味着设计的多通池可在石英音叉3的振臂间隙内提供58个点声源，并且58个光束在石英音叉3的最佳响应区域聚集。

如图4所示，一种增强型光声传感的装置包括光源模块、多通池、锥型声腔4、光声信号探测及数据处理模块，所述光源模块包括激励光源6、激光控制电路板7和匹配透镜5，所述多通池包括球面反射镜Ⅰ1、球面反射镜Ⅱ2和笼式结构，所述笼式结构包括两个相互平行的笼板11和多个笼杆12，如图5所示，所述球面反射镜Ⅰ1、球面反射镜Ⅱ2分别固定在两个笼板11上，且两个笼板可沿多个笼杆12滑动以调整球面反射镜Ⅰ1与球面反射镜Ⅱ2的间距，所述球面反射镜Ⅱ2的镜面中心和球面反射镜Ⅰ1的镜面中心构成的轴线为多通池的光轴；所述光声信号探测及数据处理模块包括石英音叉3、跨阻抗前置放大器8、锁相放大器9和计算机10；所述石英音叉3设置在多通池的光轴中心位置；所述激励光源输出的光束经过匹配透镜5后沿球面反射镜Ⅱ2或球面反射镜Ⅰ1的边缘入射至多通池内，被球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2多次反射后，使激励光束被折叠多次形成多个折叠光束，被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉的两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉3振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2上产生单线分布的光斑图案；所述锥型声腔4为两个完全相同的圆台状声腔4，沿多通池的光轴对称设置在石英音叉4的两侧，与呈扇形分布的激励光束轨迹相匹配，并且使被折叠多次的激励光束无接触通过锥型声腔4；所述激光控制电路板7分别与激励光源6和锁相放大器9连接；所述计算机10与激光控制电路板7和锁相放大器9通过同轴电缆连接；所述计算机10通过控制激光控制电路板7去驱动激励光源6的驱动电流和温度，对激励光源输出的波数进行扫描和调制；所述跨阻抗前置放大器8的两个信号端分别与石英音叉3两个引脚相连，将石英音叉3产生的压电信号转为电信号并进行放大；所述锁相放大器9与激光控制电路板7连接；所述锁相放大器9的信号输入端与跨阻抗前置放大器8的信号输出端相连；所述的计算机10与锁相放大器9的输出端将电信号解调后传输给计算机10。

其中，激励光源6是波长为1.395μm的分布反馈(DFB)激光器，其输出功率是16mW。通过计算机10上的程序对激光器控制电路板7进行有效地控制，实现对激光器的驱动电流和温度进行调控，为激光器的稳定运行提供保障；激励光源6输出的对应目标气体吸收线由计算机10生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制；激励光源6的调制频率被设为石英音叉3的共振频率f₀的一半，使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波。

其中，多通池为上述经过验证的具有最优单线光斑图案和光线轨迹的多通池，球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2的直径为25.4mm，焦距为25mm，球面反射镜Ⅰ1和球面反射镜Ⅱ2分别通过顶丝被固定在两个笼板11上，沿着笼杆12滑动笼板11，使得镜面间距固定在100.1mm，通过三维线性位移台和角度位移台对激励光源6输出的激励光束的位置和角度进行调整，使得入射的激励光束的入射位置距离球面反射镜Ⅱ2镜面中心为13.45mm，入射角度为-15.4°，入射激励光束经过匹配透镜5匹配后，将激励光束的焦点聚焦在所述多通池的中心，此时可获得设计的多通池。本实施例设计的多通池可以提供58次光束传输次数，多通池产生的所有光束在石英音叉3所在平面的投影面积～0.8mm²。

其中，所述石英音叉3的振臂长度和间距分别为10mm和800μm。振臂间隙大于激励光束在石英音叉3振臂所在平面的光斑直径，这样的振臂间距和振臂长度可确保所述的多通池中的所有光线轨迹都落在石英音叉3的振臂间隙内并且与其无接触，因此不会产生光热噪声。

其中，设计的锥型声腔4是由两个完全相同的圆台状声腔4组成，用于增加声能在石英音叉3与锥型声腔4之间的转移，提高系统的探测性能。针对传统的声腔无法适用于该系统，故设计了两个完全相同的圆台状声腔4，并沿多通池的光轴对称设置在石英音叉3的两侧，与呈现扇形分布的激励光束轨迹相匹配，并且使被折叠多次的激励光束无接触通过锥型声腔4，这样的声腔可以高效地收集沿着光学路径产生的声波，促进石英音叉3对声波的响应能力，提高系统的探测性能。所述的锥型声腔4中的圆台状声腔4的上底面半径和下底面的半径分别为1.6mm和14mm，高度为50mm,并且沿多通池的光轴对称放置在石英音叉3两侧，与石英音叉3和所述的多通池的耦合位置的示意图如图4所示，这样的结构设计能够减少声能的泄露。获得与上述多通池匹配的声腔的具体设计步骤如下：

所述的锥型声腔4是两个完全相同圆台状声腔，为使呈扇形分布的激励光束轨迹与圆台状声腔相匹配，且无接触通过，圆台状声腔的上底面和下底面的半径需同时满足如下关系：

R-r＝│y₀│-D/2；(R-r)/(d²+R²+r²-2Rr)≥│sin(y₀’)│；r>D/2；R>│y₀│；

其中，r和R分别为圆台状声腔的上底面和下底面的半径，入射的激励光束在y-z平面上的入射位置和入射角度为(y₀,y₀’)，D为被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉3振臂间隙内汇聚处的高度。

所述石英音叉3设置在多通池的光轴中心位置，正如图4所示，多通池使得被多次折叠的激励光束在石英音叉3所在的x-y平面上的光斑的投影面积很小，所有光束能够完全通过锥型声腔4并且聚集在石英音叉3最佳感应区间，解决光束在空间分布与石英音叉振臂的最佳响应区域无法匹配的难题。所述的跨阻抗前置放大器8的两个信号端分别与石英音叉3两个引脚相连，将声信号转为电信号输出后再进行放大。所述锁相放大器9的信号输入端与跨阻抗前置放大器8的信号输出端相连。锁相放大器9相对于同步信号以2f模式解调信号，2f光谱的解调信号被传送到计算机10进行分析和显示。由于目标气体的浓度与其2f光谱的信号峰值成正比，因此可通过数学计算获得目标气体的浓度。

下面通过在常压和室温下检测固定浓度的水蒸气，优化了增强型光声传感装置的性能。选定的H₂O目标吸收线位于7181cm^-1。由于石英增强光声光谱的信噪比在很大程度上取决于声腔和激光聚焦点在石英音叉轴的位置，为此对该增强型光声传感装置中多通池、锥型声腔和石英音叉的耦合深度进行实验验证，如图7所示。通过使用三维线性位移台将多通池的质心沿着石英音叉3对称轴顶部(a点)移动到底部(b点)，此时将多通池的光轴中心作为多通池的质心，该增强型光声传感装置的信号幅值与多通池垂直移动距离的函数关系被绘制在图7中。当多通池的移动距离约为1.1mm时，本发明提出的增强型光声传感装置的信号幅值可达到最大。并且在该信号强度最大的情况下，对增强型光声传感装置的性能进行了评估，通过使用所述的激励光源6对大气中8500ppm的水蒸气的2f信号进行测试，其结果如图8所示，2f信号峰值为12.02mV。

为了与传统石英增强光声光谱传感系统进行比较，将所述多通池和锥型声腔从增强型光声传感装置中移除，使激励光束单次经过石英音叉3的振臂间隙。在相同条件下，将单个激励光束沿石英音叉3对称轴从顶部(a点)扫描到底部(b点)，在激励光束距离a点约～1.0mm处，2f信号最高幅值达到112.5μV，如图9所示。因此，相对于传统石英增强光声传感装置，增强型光声传感装置的信号强度被提高～106倍，极大地促进了基于石英增强光声光谱技术的光声传感系统的性能。

本发明通过将石英音叉3振臂间隙内的激励光束进行折叠，从而在音叉振臂3间激励更多的点声源，并且这些点声源聚集在石英音叉3的最佳响应区间，这使得石英音叉3振臂间隙内声感区测声效率低的问题得到有效解决；为了进一步提高石英音叉3的测声效率，设计并使用锥型声腔4，有效促进石英音叉3与锥型声腔4之间的声能转移。结果表明，在石英音叉4振臂间隙内每增加一次光束传输，则石英音叉3对声波的感应就越加强烈，也就意味着对气体浓度的检测能力越强。通过使用普通球面镜设计多通池使得经过石英音叉3振臂的激励光束被多次折叠的成本较低。并且该系统完全不需要考虑传统内腔石英增强光声光谱传感装置的模式匹配和锁频等要求，这种紧凑型或便携式的高灵敏增强型光声传感装置及方法在防护及大气检测和工业控制过程以及医疗诊断方面具有许多用途。

Claims (7)

1.一种增强型光声传感装置，其特征在于：包括光源模块、多通池、锥型声腔(4)、光声信号探测及数据处理模块，所述光源模块包括激励光源(6)、激光控制电路板(7)和匹配透镜(5)，所述多通池包括球面反射镜Ⅰ(1)、球面反射镜Ⅱ(2)和笼式结构，所述笼式结构包括两个相互平行的笼板(11)和多个笼杆(12)，所述球面反射镜Ⅰ(1)、球面反射镜Ⅱ(2)分别固定在两个笼板(11)上，且两个笼板(11)可沿多个笼杆(12)滑动以调整球面反射镜Ⅰ(1)与球面反射镜Ⅱ(2)的间距，所述球面反射镜Ⅱ(2)和球面反射镜Ⅰ(1)的镜面中心构成的轴线为多通池的光轴；所述光声信号探测及数据处理模块包括石英音叉(3)、跨阻抗前置放大器(8)、锁相放大器(9)和计算机(10)；所述石英音叉(3)设置在多通池的光轴中心位置；所述激励光源(6)输出的光束经过匹配透镜(5)后沿球面反射镜Ⅱ(2)或球面反射镜Ⅰ(1)的边缘入射至多通池内，被球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)多次反射后，使激励光束被折叠多次形成多个折叠光束，被折叠多次的激励光束的轨迹在石英音叉(3)的两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)上产生单线分布的光斑图案；所述锥型声腔(4)为两个完全相同的圆台状声腔且与呈现扇形分布的激励光束的轨迹相匹配，沿多通池的光轴对称设置在石英音叉(3)的两侧，并且使被折叠多次的的激励光束无接触通过锥型声腔(4)；所述激光控制电路板(7)分别与激励光源(6)和锁相放大器(9)连接；所述计算机(10)与激光控制电路板(7)和锁相放大器(9)通过同轴电缆连接；所述计算机(10)通过控制激光控制电路板(7)去驱动激励光源(6)的驱动电流和温度，对激励光源(6)输出的波数进行扫描和调制；所述跨阻抗前置放大器(8)的两个信号端分别与石英音叉(3)两个引脚相连，将石英音叉(3)产生的压电信号转为电信号并进行放大；所述锁相放大器(9)与激光控制电路板(7)连接；所述锁相放大器(9)的信号输入端与跨阻抗前置放大器(8)的信号输出端相连；所述的计算机(10)与锁相放大器(9)的输出端将电信号解调后传输给计算机(10)。

2.根据权利要求1所述的一种增强型光声传感装置，其特征在于：所述球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)为完全相同的凹面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种增强型光声传感装置，其特征在于：所述石英音叉(3)振臂间隙尺寸大于激励光束的直径，以保证由多通池产生的多个折叠光束完全通过所述的石英音叉(3)振臂间隙。

4.根据权利要求1所述的一种增强型光声传感装置，其特征在于：所述多通池产生的被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)上产生单线分布的光斑图案；具体是通过如下方法实现的：

首先确定入射激励光束的位置和角度均在z轴和y轴上有分量，所述z轴为多通池光轴，石英音叉(3)的对称轴与多通池的光轴垂直，设此对称轴为y轴；确定球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)的焦距f，调整两个球面反射镜的镜面间距d，使4f/d≈1，而后通过调整入射的激励光束的入射角度和位置，在y-z平面上使被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内，同时在球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)上产生单线分布的光斑图案。

5.根据权利要求4所述的一种光声传感装置，其特征在于：所述通过调整入射的激励光束的入射角度和位置，在y-z平面上使被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内，当被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)振臂间隙内汇聚处的高度D≤│L1-L2│时，被折叠多次的激励光束轨迹汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内的最佳响应区间，其中L1和L2分别为石英音叉(3)振臂间隙最佳响应区间的两个端点位置到石英音叉(3)顶端的距离。

6.根据权利要求5所述的一种光声传感装置，其特征在于：所述锥型声腔(4)是两个完全相同圆台状声腔(4)，为了让所述多通池折叠多次的激励光束无接触通过圆台状声腔(4)，圆台状声腔(4)的上底面和下底面的半径需同时满足如下关系：

R-r＝│y₀│-D/2；(R-r)/(d²+R²+r²-2Rr)≥│sin(y₀’)│；r>D/2；R>│y₀│；

其中，r和R分别为圆台状声腔(4)的上底面和下底面的半径，入射的激励光束在y-z平面上的入射位置和入射角度为(y₀,y₀’)，D为被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)振臂间隙内汇聚处的高度。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的增强型光声传感装置进行气体浓度检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

F1、首先通过调整球面反射镜Ⅰ(1)和球面反射镜Ⅱ(2)的焦距f，镜面间距d，确保4f/d≈1，而后调整入射激励光束的入射位置和角度(y₀,y₀’)，以保证在y-z平面上被折叠多次的激励光束轨迹在石英音叉(3)两侧呈现扇形分布，并汇聚于石英音叉(3)振臂间隙内的最佳响应区间；

F2、激励光源(6)输出的对应目标气体的吸收线由计算机(10)生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制，激励光源(6)的调制频率为石英音叉(3)的共振频率f₀的一半，从而使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波信号，声波周期性膨胀、收缩，导致音叉振臂被感应，从而产生压电信号；

F3、跨阻抗前置放大器(8)对石英音叉(3)产生的压电信号进行放大并转变为电信号传输到锁相放大器；

F4、锁相放大器(9)以激励光源(6)调制频率的二倍频率对所述电信号进行解调，获得目标气体的2f光谱；

F5、所述的2f光谱的信号峰值与目标气体的浓度成正比，在计算机(10)上通过数学计算获得目标气体的浓度。

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