CN113295620A - 光纤耦合的全固态增强光声光谱气体光声探测模块及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光声探测模块,包括：电学模组和光学模组，其中，电学模组具有电学模腔，光学模组一体化地构建光路和声路和容纳声波换能器，其中声波换能器配置在光路和声路的交汇处。本发明还涉及一种基于光声探测模块的气体探测方法，包括：触发激光器在光声探测模块的谐振腔中产生光路，以音叉式的声波换能器的固有频率调制激光器的工作电流；在所述声波换能器的音叉中的目标气体在激光激发时，采集所述声波换能器的引脚之间的电信号；根据预先标定的光声信号计数值与目标气体浓度的线性关系，计算所对应的目标气体浓度值。本发明的光声探测模块具有体积紧凑、易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。本发明的探测方法的探测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，其一般涉及气体光声探测模块及其方法。本发明尤其涉及一种光纤耦合的全固态中红外石英增强光声光谱(QEPAS)光声探测模块、测试方法及采用该模块的气体探测装置。
背景技术
激光光谱技术由于具有灵敏度高、响应速度快、检测范围广等优点，在痕量气体检测方面成为研究热点，并被广泛应用于航空航天、军事国防、医疗诊断等领域。随着激光技术的高速发展，可调谐二极管激光吸收光谱技术、腔增强吸收光谱技术、腔衰荡光谱技术、以及光声光谱技术、石英增强光声光谱技术逐渐成为目前比较主流的痕量气体光谱检测技术。
在众多光谱技术中，光声光谱以其灵敏度高、零背景、探测灵敏度与激发光功率成正比等特点，受到重点关注。光声光谱的技术原理是将光能的吸收转换为声能并进行测量。激光照射在气体分子上，由于光声效应而产生声波，用声波探测元器件对声波进行探测，并转换为电信号，进而进行处理与计算，便可反演气体的浓度信息。
2002年美国莱斯大学的Frank K Tittel教授等提出石英增强光声光谱技术(QEPAS)，采用石英钟表中的音叉式石英晶振(QTF)作为声波换能器，替代传统光声光谱技术中的麦克风，实现了对微弱光声信号的高灵敏探测。商用标准QTF的谐振频率通常为32768Hz，且其具有带宽窄、环境噪声免疫、品质因子(Q)高等特点。QEPAS技术以其抗噪声能力强、灵敏度高、成本低、体积小、以及动态范围广等特点成为近年来的研究热点。
研究人员通过声学谐振腔和QTF的共振耦合增强作用来不断提高光声信号的强度，进而提高探测灵敏度。在QTF的两侧，垂直叉指平面，各装配一个不锈钢毛细管，构成一组一维声学谐振腔，称为共轴(on-beam)QEPAS配置。
2010年，山西大学激光光谱研究所的董磊教授在传统共轴QEPAS配置的方案中，在不同压力条件下，详细优化了声学谐振腔的尺寸，有效地将探测信噪比提高了约30倍，在探测C2H2气体时得到的归一化等效噪声吸收系数为3.3×10-9cm-1W/Hz1/2。2016年，山西大学激光光谱研究所团队提出单管在轴的QEPAS配置(SO-QEPAS)，检测灵敏度比传统的QEPAS高出两个数量级。中国科学院安徽光学精密机械研究所的刘琨教授在2009年提出了离轴型QEPAS配置(OB-QEPAS)，在声学谐振腔中部开一个侧孔，QTF配置在声学谐振腔侧孔处收集光声信号。离轴型QEPAS配置的优点是激发光不再通过QTF的振臂间隙(～300μm)，降低了QEPAS技术对光源光束质量的要求。为了进一步提高灵敏度，2019年吉林大学电子科学与工程学院的郑传涛教授团队将两根中间带有侧孔的声学谐振腔配置在QTF的两侧，形成双管离轴型QEPAS配置(E-OB-QEPAS)，该配置将QEPAS的探测灵敏度提高了约40倍。2020年，山东大学激光技术与应用重点实验室团队在QTF两侧水平布置两个双管离轴型的微型声学谐振腔，通过直角棱镜构造出四管离轴型QEPAS配置(Four-off-beam-QEPAS)，探测水蒸气获得278ppb的最小探测极限。2017年香港中文大学任伟副教授团队提出基于光纤倏逝波的on-beam QEPAS配置，探测CO气体时，在210s的积分时间下获得20ppm的最小探测极限。
在这些研究工作中，通过声学谐振腔与QTF的耦合共振有效提高了QEPAS技术的探测灵敏度，但是相比于没有配备声学谐振腔的传统QEPAS配置，这些结构都相对复杂，增加了系统的不确定度。
发明内容
本发明主要提供一种全固态QEPAS声学探测模块(Acoustic Detection Module,ADM)，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。该模块基于一维声学谐振腔理论，采用光机电一体化的结构设计，将声学谐振腔和光声池集成一体，大大提高了光声耦合作用强度和系统稳定度。同时将光纤模块和前置放大模块嵌入到ADM，使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。
本发明还基于上述设计的光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块，结合中红外分布反馈式(DFB)激光器，提供了一套高灵敏便携式的气体(例如二氧化碳)浓度探测装置，可以实现气体浓度的实时测量。
本发明的技术方案一方面为一种用于气体的光声探测模块，包括：电学模组，所述电学模组具有电学模腔；以及光学模组，所述光学模组与所述电学模组能拆卸地固定连接，其中，在所述光学模组中一体成形有：用于容纳音叉式的声波换能器的微型气室，所述微型气室连通到所述电学模腔；柱孔形的光声谐振腔，所述光声谐振腔的一端用于与激光器的光输出元件连接，所述光声谐振腔穿过所述微型气室，并且允许在所述微型气室容纳有声波换能器时，所述光声谐振腔的孔轴线穿过所述声波换能器的音叉缝隙；进气口，所述进气口与所述微型气室的第一侧连通；出气口，所述出气口与所述微型气室的第二侧连通，其中所述第二侧与所述第一侧反向；其中，所述微型气室的长度方向与所述光声谐振腔的孔轴线垂直，其中，所述进气口和出气口的孔轴线重合成一共轴线，所述共轴线与所述光声谐振腔的孔轴线在空间中垂直，并且与所述微型气室的长度方向在同一平面中垂直。所述声波换能器包括音叉主体以及分别设置在所述音叉主体两侧的音叉定位部和振臂末端部，所述音叉主体形成音叉缝隙，所述音叉缝隙延伸至所述振臂末端部。
进一步，所述光学模组中一体成形有主定位孔，所述主定位孔连通至所述微型气室，所述主定位孔的尺寸与所述声波换能器的音叉定位部匹配，以允许所述声波换能器的音叉主体经过所述主定位孔后插入到所述微型气室，并且定位成所述音叉主体的长度方向沿所述微型气室的长度方向，其中，所述声波换能器的第一电气引脚和第二电气引脚均伸出到所述电学模腔。
进一步，所述谐振腔包括：柱孔形的谐振内腔部，所述谐振内腔部穿过所述微型气室；柱孔形的光纤配置区，所述光纤配置区与所述谐振内腔部的第一端连通；柱孔形的声学缓冲区，所述声学缓冲区与所述谐振内腔部的第二端连通，所述第二端与所述第一端反向；斜柱孔形的窗口装置区，所述窗口装置区与所述声学缓冲区连通；其中，所述窗口装置区的直径大于所述声学缓冲区的直径，所述声学缓冲区的直径大于所述光纤配置区的直径，所述光纤配置区的直径大于所述谐振内腔部的直径；其中，所述谐振内腔部、所述光纤配置区、所述声学缓冲区的孔轴线重合成一中轴线。
进一步，所述中轴线与所述窗口装置区的孔轴线的夹角在4至6°之间，优选为5°。
进一步，所述进气口包括与所述微型气室连通的进气腔和延伸至所述光学模组侧面的进口螺孔；所述出气口包括与所述微型气室连通的出气腔和延伸至所述光学模组侧面的出口螺孔；所述进气腔被钻孔成形，使得所述进气腔与所述微型气室之间形成进气微孔；所述出气腔被钻孔成形，使得所述出气腔与所述微型气室之间形成出气微孔。
进一步，所述进气微孔和所述出气微孔的连线与定位在所述微型气室中的声波换能器的振臂末端部相隔一距离。所述距离优选为0.7mm。
进一步，所述电学模组的侧面设有线缆通口，所述线缆通口与所述电学模腔连通；所述光学模组和所述电学模组通过螺纹结构固定安装，使得所述微型气室的开口朝向所述电学模腔。
本发明的技术方案还涉及一种气体探测方法，包括以下步骤：
A、触发激光器在谐振腔中产生光路，以音叉式的声波换能器的固有频率调制激光器的工作电流，使激光器的输出光的波长扫过目标气体吸收线，然后调制激光器的工作电流的深度，直至声波换能器的输出光声信号达到预定幅值；
B、在所述声波换能器的音叉中的目标气体在激光激发时，采集所述声波换能器的引脚之间的电信号，并经过前置和锁相的信号放大处理后转换并储存为光声信号计数值；
C、根据预先标定的光声信号计数值与目标气体浓度的线性关系，计算当前的光声信号计数值所对应的目标气体浓度值。
本发明的技术方案还涉及一种气体探测装置，包括：所述的光声探测模块；中红外分布反馈式的激光器，所述激光器通过光纤汇聚器使所述光声探测模块的谐振腔产生光路；前置放大器，所述前置放大器的输入端与所述声波换能器的第二电气引脚连接，其中所述声波换能器的第一电气引脚与地线连接；锁相放大器，所述锁相放大器的输入端与所述前置放大器的输出端连接；函数发生器，所述函数发生输出端与所述锁相放大器的另一输入端连接；激光器驱动器，所述激光器驱动器连接至所述激光器；计算机设备，所述计算机设备的输入端与所述锁相放大器的输出端连接，并且所述计算机设备的控制端与所述函数发生器和所述激光器驱动器连接。所述前置放大器可以设置在所述电学模组的电学模腔内。
进一步，所述激光器为中心波长为2004nm的高功率中红外DFB激光器。
进一步，所述的计算机设备还被配置成实施所述的气体探测方法。
本发明的有益效果如下。
1、提供了一种光机电一体化的光声光谱气体光声探测模块，方便将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大器模块化集成。因此，该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。
2、通过一体加工成形的光学模组，形成了高位置精度的谐振腔和气路通道，保证了探测模块内部的气路和光路的精确几何关系。一体化的光学模组的设计还减小了光声探测模块和外围装置的体积，使其整体紧凑、便携。
3、光声探测模块通过全固态的设计，进而在探测模块安装声波换能器(比如是音叉式石英晶振)的过程中，只需分开电学模组和光学模组，然后在主定位孔中插入配置音叉式石英晶振，不再需要再手动装配声学谐振腔和准直光路元件。因此，便于光声探测模块用在不同测试、实验和维护的应用场合，有效提高了声波换能器的装配效率。
4、探测装置可以采用中心波长为2004nm的高功率中红外DFB激光器作为激励光源，由此显著提高了探测模块对特定气体(比如CO2)的探测灵敏度。
附图说明
图1为根据本发明的光声探测模块的立体示意图。
图2为根据本发明的光声探测模块的立体剖示图。
图3为根据本发明的光声探测模块沿图1的剖面线A-A的剖视图。
图4为根据本发明的光声探测模块沿图1的剖面线B-B的剖视图。
图5为图4中的区域C的放大图。
图6为预设压力声学条件下的声压分布仿真图。
图7为根据本发明的光声探测模块的实物图。
图8为根据本发明的光声探测装置的结构和连接关系示意图。
图9a为使用HITRAN数据库计算的CO2气体分子的吸收线强度示意图。
图9b为2μm中红外DFB激光器调谐范围内CO2和H2O的部分吸收线示意图。
图10为激光器的功率曲线示意图。
图11为音叉式石英晶振的频率响应曲线。
图12a为不同的电流调制深度下10000ppm浓度下CO2的QEPAS信号。
图12b为10000ppm浓度下的CO2的QEPAS信号振幅与调制深度间的函数关系示意图。
图13为QEPAS信号振幅与CO2浓度之间的关系示意图。
图14为1000ppm浓度下的CO2的二次谐波信号示意图。
图15为基于光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块的传感器系统的阿伦偏差分析图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图，通过探测模块、探测装置和探测方法三个部分，对本发明的构思、结构、方法流程及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。
光声探测模块
参照图1至图2，在一些实施例中，根据本发明的光声探测模块3(下文也称为ADM)包括：电学模组36和光学模组30，其中，光学模组30与电学模组36能通过螺纹结构37拆卸地安装。
在一些实施例中，电学模组36具有电学模腔361。电学模组36的侧面设有与电学模腔361连通的线缆通口362，使得电学模腔361容纳的电气件的接线从线缆通口362引出，如图7所示。
光学模组30用于构建光路(参照图1和2中的y方向)和声路(参照图1和2中的x方向)和容纳声波换能器32，其中声波换能器32配置在光路和声路的交汇处。所采用的声波换能器32优选为音叉式石英晶振(QTF)，其包括音叉主体以及分别设置在音叉主体两侧的音叉定位部323和振臂末端部，音叉主体形成音叉缝隙321，音叉缝隙321延伸至振臂末端部。
参照图1至图5，在一些实施例中，在光学模组30中一体成形有：微型气室31、主定位孔313、光声谐振腔35、进气口33和出气口34。
参照图2至图5，微型气室31用于容纳声波换能器32。微型气室31和主定位孔313一起连通到电学模腔361。主定位孔313的尺寸与声波换能器32的音叉定位部323匹配，以允许声波换能器32的音叉主体经过主定位孔313后插入到微型气室31，并且定位成音叉主体的长度方向沿微型气室31的长度方向。从而使声波换能器32的第一电气引脚4和第二电气引脚5均伸出到电学模腔361。当光学模组30和电学模组36通过螺纹结构37固定安装后，微型气室31的开口朝向电学模腔361。微型气室31的长度方向(参照图1和2中的z方向)与光声谐振腔35的孔轴线(参照图1和2中的y方向)垂直。
参照图3，从左至右，谐振腔35包括柱孔形的光纤配置区351、谐振内腔部350和声学缓冲区352，还包括斜柱孔形的窗口装置区353。谐振内腔部350穿过微型气室31，即谐振内腔部350可以是连通微型气室31且布置在其两侧的细孔。光纤配置区351和声学缓冲区352分别与谐振内腔部350的两端连通。窗口装置区353与声学缓冲区352连通。窗口装置区353的直径远大于声学缓冲区352的直径，声学缓冲区352的直径远大于光纤配置区351的直径，光纤配置区351的直径大于谐振内腔部350的直径。
谐振内腔部350、光纤配置区351、声学缓冲区352的孔轴线重合成一中轴线，该中轴线在上方与窗口装置区353的孔轴线成夹角，使得窗口装置区353如图3所示地向下倾斜，该夹角约4至6°，比如是约5°。光纤装置区用来装配光纤汇聚器2，声学谐振腔35采用与光纤装置区同轴的设计，使得光束准直更加容易而且稳定可靠。声学谐振腔35一侧的声学缓冲区352，用于优化声压并降低噪声。而倾斜的窗口装置区353，可以用来装配CaF2窗口，从而减少返回谐振内腔部350的气室的反射光。
参照图4，气路的进出气方向如该图中的箭头方向所示。进气口33和出气口34的孔轴线重合成一共轴线，共轴线与光声谐振腔35的孔轴线在空间中垂直，并且与微型气室31的长度方向在同一平面中垂直。
参照图4和图5，进气口33包括与微型气室31连通的进气腔332和延伸至光学模组30侧面的进口螺孔331(比如是1/4NPT加不锈钢管螺纹)。出气口34包括与微型气室31连通的出气腔342和延伸至光学模组30侧面的出口螺孔341(比如是1/4NPT加不锈钢管螺纹)。进气腔332和出气腔342被钻孔成形，使得进气腔332和出气腔342分别与微型气室31之间形成进气微孔333和出气微孔343。这些微孔的直径可以在1mm左右，以方便控制进入微型气室31的气量。应理解，进气口33和出气口34可以接驳气源来使微型气室31充气，也可以暴露在气氛环境中使微型气室31充斥气体。
参照图5，进气微孔333和出气微孔343的连线与定位在微型气室31中的声波换能器32的振臂末端部相隔一距离，而谐振腔35引起的光路穿过微型气室31中的声波换能器32的音叉缝隙321，因此获得气路、光路和声波换能器32音叉之间的较优的针对气体的光声作用效果。
在一个具体的实施例中，电学模组36的电学模腔361用于容纳低噪声前置放大器7。电学模组36中还设有镀镍金属壳，用于包围该前置放大器7的电路板，实现噪声屏蔽。
在一个具体的实施例中，中为了保证该模块的高强度和高稳定性，减小整个QEPAS装置系统的不确定度，采用整块航空铝材料通过钻铣制成光学模组30。其中，以直径约为1mm的圆柱形光纤装置空间用来装配光纤汇聚器2。与之同轴的是一对声学谐振腔35，直径约为0.6mm，微型气室31的厚度约为0.4mm。结合QTF的振臂长度，谐振腔35的中心设计在距离QTF振臂顶端0.7mm处，以获得最优的作用位置。通过一体化钻铣制成的光学模组30，以加工精度保证了光纤汇聚器2与声学谐振腔35的同轴设计，使得光束准直更加容易而且稳定可靠。此外，根据配置的最优参数，声学缓冲区352直径约为6mm，缓冲区直径是谐振腔35直径的10倍，而体积约为305mm3的，从而较为优化声压并降低噪声。窗口装置区353优选地相对于谐振腔35的轴线倾斜5°。
参照图6，忽略内壁粘性和热边界层，在光束的束腰为0.1mm，调制频率为32768Hz时，压力声学条件下仿真得到的声压分布。在音叉振臂内侧距离顶端0.7mm处，获得该模块内部的声压级最高值，约为-14.35dB。因此，声波换能器32音叉达到较优的增强探测灵敏度。
图7为本实施例的光声探测模块3的实物照片，整个模块不足手掌大小。根据本发明的光声探测模块3可以用于探测各种类型的气体的浓度。对于探测CO2，根据本发明的光声探测模块3可以基于全固态一体模组，配套高功率中红外DFB激光器1，耦合光纤汇聚器2。因此，在此优选的实施例中，根据本发明的光声探测模块3可以实施为光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块3(ADM)。
气体光声探测装置
参照图8，在一些实施例中，根据本发明的用于气体的光声探测装置包括：前述的光声探测模块3；设在光声探测模块3的微型气室31内的声波换能器32，声波换能器32可以是音叉式石英晶振；与声波换能器32连接的前置放大器7和锁相放大器8；带有数据采集卡的计算机设备9。音叉式石英晶振的引脚通过前置放大器7连接锁相放大器8。其中，锁相放大器8的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机设备9的信号输入端相连接。在对某种气体进行测量时，事先通过已知浓度的该种气体和计算机设备9采集的相应信号进行标定，标定后的装置就能对该种气体进行测量。
在优选的用于探测CO2的实施例中，一种基于光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块的气体探测装置包括：光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块3；光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块3包括一个微型气室31以及设在微型气室31内部的声波换能器32；声波换能器32为音叉式石英晶振；音叉式石英晶振的第一引脚4连接到地线6；函数发生器10产生的正弦信号11和调制信号12叠加后的输出端连接激光驱动器13，激光器驱动器13驱动DFB激光器1；DFB激光器1的出射光路上设有光纤汇聚器2；音叉式石英晶振的第二引脚5通过前置放大器7连接有锁相放大器8；还包括带有数据采集卡的计算机设备9；锁相放大器8的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机设备的信号输入端相连接；函数发生器10的同步信号输出端与锁相放大器8的同步信号输入端相连接。
函数发生器10的一个调制频率为f0的正弦信号送到激光器驱动器13上，其由激光器1的驱动和温控由自制的电路控制单元(图8虚线框)实施。激光器1的发射中心波长对应待测气体的目标吸收线。激光器1发出的激光经过光纤汇聚器2进行光学整形后进入光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块3。
本实施例中的过程为，准直光束先穿过声学谐振腔，然后通过声波换能器32。通过声波换能器32的出射光束再次穿过声学谐振腔，激光光束通过以约为5°的角度倾斜安装的出射窗口出射。微型气室31有进气口33和出气口34，可以保证待测气体顺畅进入微型气室31，测量时气体在微型气室31内均匀混合。不同浓度的气体由标准气14和纯N2 15分别经过质量流量控制器16、17混合制成，再通过进气口33进入微型气室31。出气口34与带有气体流量控制阀18的气泵19相连。当气泵19工作时，待测气体被吸入微型气室31，气体流速被质量流量控制器16、17控制。由激光器1发出的激发光激发待测气体产生声波，声波推动音叉振动进而产生电信号并由引脚5输出。电信号第一步经过前置放大器7进行信号放大和处理，然后送入到锁相放大器8进行二次谐波解调。锁相放大器解调的参考信号来自函数发生器10的同步端口。经过锁相放大器解调的信号送入带有数据采集卡的计算机设备9，计算机设备9采集并记录数据。
本实施例中的装置采用波长调制技术，所以激光器的工作电流不仅有波形为锯齿波的扫描信号，还叠加了频率为QTF固有振动频率一半(f＝f0/2)的正弦信号来调制激光。激光器的驱动和温控由自制的电路控制单元完成。输出的激光经光纤汇聚器准直聚焦，汇聚器的焦距为11mm,聚焦后的光斑直径约为200μm。激光光束依次穿过声学谐振腔和QTF的振臂间隙并且与气体相互作用产生光声信号。光声信号由于石英材料的压电特性被转化为电信号，并且经QTF的两个引脚被传输至反馈电阻为10MΩ的跨阻抗前置放大器。经前置放大器放大后的压电信号传输至锁相放大器进行二次谐波解调，解调后的信号经配备有数据采集卡的个人计算机记录和分析。
为了评估QEPAS系统的最小探测灵敏度，测量了1000ppm CO2(平衡气为N2)标气的光声信号，激光器温度控制在20℃，注入电流从125mA扫描至150mA，锁相放大器的积分时间为1s，获得的二次谐波信号如图14所示。其中光声信号幅值为6226counts(计数)，噪声为229counts，计算所得的探测信噪比为27db，对应的最小探测极限为37ppm。
此外，将商用标准32768Hz的音叉式石英晶振(QTF)分别在未装配和装配在ADM的情况下进行频率扫描测试，对比结果如图11所示。未装配在ADM里的音叉式石英晶振由于空气阻尼的影响，频率为f＝32757.3Hz，品质因子为Q＝9641；而当音叉式石英晶振装配到ADM中时，所测频率为f＝32755.6Hz，品质因子为Q＝7822。这主要是因为音叉式石英晶振与ADM之间的耦合作用导致能量转移，Q值的降低说明更多的能量被储存到微型声学谐振腔中。
为了评估该系统的长期稳定性，对1000ppm的CO2进行了长时间的连续测量。连续测量中，通过自制的参考池实现了激光器的波长锁定。实验获得Allan方差如图15所示，分析该结果可知，在积分时间为1123s时，此时最小探测极限可以达到1.36ppm。
气体探测方法
以下的探测方法是以CO2气体为例，应理解到其中的技术方案可以应用到探测其他类型的气体。
1、测量依据
由Beer-Lambert定律可知，光声信号强度与激励光源的功率、目标气体的浓度以及气体吸收线强度成正比，与QTF的谐振频率成反比，即
其中Q为QTF的品质因子，P为激励光源的光功率，α为气体吸收系数，f0为QTF的谐振频率。因此选择高功率激光器以及吸收线强度较高的气体吸收线为探测目标线将有助于提高基于QEPAS的气体传感器的探测灵敏度。
基于QEPAS的CO2传感器通常选择中心波长为1.5μm的近红外分布式反馈(DFB)半导体激光器作为激励光源。以1572nm DFB激光器1为例，当选择吸收线强度为1.779×10-23cm/molecule的CO2吸收线为探测目标线时，在300ms的积分时间下基于QEPAS技术的CO2探测灵敏度约为300ppm。虽然该探测灵敏度优于其他类型的CO2传感器，但是仍然无法满足大气监测(空气中CO2含量为～380ppm)的探测需求。
而中心波长为2μm的中红外DFB激光器1的出现为CO2传感器的激励光源提供了更好的选择。根据HITRAN数据库，CO2气体在2μm波段的吸收线强度要比在1.5μm波段的吸收线强度高约两个数量级，如图9a所示。本实施例中的装置采用中心波长为2004nm的高功率中红外DFB激光器1作为激励光源，通过改变激光器的工作温度和注入电流，可以实现激光器的波长调谐，因此可以覆盖多条CO2气体的吸收谱线。图9b显示了在该激光器调谐范围内380ppm CO2和10000ppm H2O的吸收线。
此外，由光声光谱气体吸收理论可知，光声光谱信号与浓度之间存在良好的线性关系。在测量环境为一个大气压，调制深度为10mA的情况下，首先测量了不同浓度的CO2气体的光声信号。实验所用的不同浓度气体由99.999％N2和10000ppm CO2(平衡气为N2)经动态稀释校准仪配置而成。由图13可以看出，QEPAS信号和待测气体CO2的浓度之间有着良好的线性关系，线性拟合的相关系数R-square值为0.999，与理论结果相符。
根据公式
光声信号的强度与激发光的功率成正比。因此测量了在本实施例中所采用激光器的功率曲线。当激光器的温度控制在24℃时，通过改变激光器注入电流，测得激光器的激光功率曲线如图10所示。根据图10可知，该激光器的出光阈值为5mA，当注入电流为150mA时，峰值功率达到14mW。通过线性拟合，功率曲线的R-Square值为0.994。
光声效应中，理想气体在吸收调制光的能量后，产生的声波信号满足如下动力学方程：
对其进行傅里叶变换并求解非齐次方程可以得到：
P(r，w)＝∑jAj(w)Pj(r)，
其中，r为位移矢量，P为声压，v为声速，γ为比热容比。Pj(r)为声振动的简正模式，w为光的调制频率，A为光声信号的振幅。
为了使激光波长调谐到选定的CO2吸收线的位置，激光器工作温度设定为20℃，工作电流为140mA。在本实施例中的QEPAS系统采用波长调制技术，由于波长调制光声光谱产生的光声信号强度与激光调制深度和目标气体吸收谱线的线宽相关，所以在选定目标气体吸收线后，需要对激光调制深度进行优化，以获得最佳的调制深度。在上述条件不变的情况下，将浓度为10000ppm的CO2作为目标气体充入到ADM内，通过改变激光器的调制电流来获得不同的调制深度，然后分别对激光器的工作电流进行扫描进而确定最佳调制深度，结果如图12a和12b所示。随着调制深度的增加，获得的光声信号也不断增加，调制深度超过10mA后，光声信号幅度开始减小，所以最终确定最佳调制深度对应的激光器注入电流为10mA。本实施例优选波数为4989.97cm-1处的CO2吸收线为探测目标线，该吸收线的吸收线强度为1.319×10-21cm/molecule且不受H2O吸收线的干扰。
2、测量方法
综上，利用本发明的模块或装置对气体测量或探测方法可以包括以下步骤：
S0、对某种气体进行测量时，应事先通过已知浓度的标准气14进行定标，标定后的装置就能对该种气体进行测量。此外，还要先选定与激发光源的中心波长接近的目标气体吸收线。
S1、触发激光器在谐振腔35中产生光路，通过DFB激光器1的温控电路锁定激光器温度，通过控制驱动电流，以音叉式的声波换能器32的固有频率调制激光器的工作电流，使激光器的输出光的波长扫过目标气体吸收线，然后调制激光器的工作电流的深度(具体是采用二次谐波探测技术，激光器的电流被函数发生器10发生的f0信号频率调制，其中f0为音叉式石英晶振的固有频率)，直至声波换能器32的输出光声信号达到预定幅值。
S2、在声波换能器32的音叉中的目标气体在激光激发时，采集声波换能器32的引脚之间的电信号，并经过前置和锁相的信号放大处理后转换并储存为光声信号计数值。具体地，在待测气体被激光激发后，对激发产生的声波信号被频率为f0的音叉式石英晶振采集并将其转化为相应的电信号。电信号依次经过前置放大器7、锁相放大器8，然后通过数据采集卡进入计算机设备9。
S3、根据预先标定的光声信号计数值与目标气体浓度的线性关系，计算当前的光声信号计数值所对应的目标气体浓度值。最终将气体浓度信息以人机交互式界面显示在计算机设备9的屏幕上。
应当认识到，本发明实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于气体的光声探测模块(3)，其特征在于，包括：
电学模组(36)，所述电学模组(36)具有电学模腔(361)；以及
光学模组(30)，所述光学模组(30)与所述电学模组(36)能拆卸地固定连接，
其中，在所述光学模组(30)中一体成形有：
用于容纳音叉式的声波换能器(32)的微型气室(31)，所述微型气室(31)连通到所述电学模腔(361)；
柱孔形的光声谐振腔(35)，所述光声谐振腔(35)的一端用于与激光器的光输出元件连接，所述光声谐振腔(35)穿过所述微型气室(31)，并且允许在所述微型气室(31)容纳有声波换能器(32)时，所述光声谐振腔(35)的孔轴线穿过所述声波换能器(32)的音叉缝隙(321)；
进气口(33)，所述进气口(33)与所述微型气室(31)的第一侧连通；
出气口(34)，所述出气口(34)与所述微型气室(31)的第二侧连通，其中所述第二侧与所述第一侧反向；
其中，所述微型气室(31)的长度方向与所述光声谐振腔(35)的孔轴线垂直，
其中，所述进气口(33)和出气口(34)的孔轴线重合成一共轴线，所述共轴线与所述光声谐振腔(35)的孔轴线在空间中垂直，并且与所述微型气室(31)的长度方向在同一平面中垂直。
2.根据权利要求1所述的用于气体的光声探测模块(3)，其中所述声波换能器(32)包括音叉主体以及分别设置在所述音叉主体两侧的音叉定位部(323)和振臂末端部，所述音叉主体形成音叉缝隙(321)，所述音叉缝隙(321)延伸至所述振臂末端部，
其特征在于，所述光学模组(30)中一体成形有主定位孔(313)，所述主定位孔(313)连通至所述微型气室(31)，所述主定位孔(313)的尺寸与所述声波换能器(32)的音叉定位部(323)匹配，以允许所述声波换能器(32)的音叉主体经过所述主定位孔(313)后插入到所述微型气室(31)，并且定位成所述音叉主体的长度方向沿所述微型气室(31)的长度方向，
其中，所述声波换能器(32)的第一电气引脚(4)和第二电气引脚(5)均伸出到所述电学模腔(361)。
3.根据权利要求1所述的用于气体的光声探测模块(3)，其特征在于，所述谐振腔(35)包括：
柱孔形的谐振内腔部(350)，所述谐振内腔部(350)穿过所述微型气室(31)；
柱孔形的光纤配置区(351)，所述光纤配置区(351)与所述谐振内腔部(350)的第一端连通；
柱孔形的声学缓冲区(352)，所述声学缓冲区(352)与所述谐振内腔部(350)的第二端连通，所述第二端与所述第一端反向；
斜柱孔形的窗口装置区(353)，所述窗口装置区(353)与所述声学缓冲区(352)连通；
其中，所述窗口装置区(353)的直径大于所述声学缓冲区(352)的直径，所述声学缓冲区(352)的直径大于所述光纤配置区(351)的直径，所述光纤配置区(351)的直径大于所述谐振内腔部(350)的直径；
其中，所述谐振内腔部(350)、所述光纤配置区(351)、所述声学缓冲区(352)的孔轴线重合成一中轴线。
4.根据权利要求3所述的用于气体的光声探测模块(3)，其特征在于，
所述中轴线与所述窗口装置区(353)的孔轴线的夹角在4至6°之间。
5.根据权利要求1所述的用于气体的光声探测模块(3)，其特征在于：
所述进气口(33)包括与所述微型气室(31)连通的进气腔(332)和延伸至所述光学模组(30)侧面的进口螺孔(331)；
所述出气口(34)包括与所述微型气室(31)连通的出气腔(342)和延伸至所述光学模组(30)侧面的出口螺孔(341)；
所述进气腔(332)被钻孔成形，使得所述进气腔(332)与所述微型气室(31)之间形成进气微孔(333)；
所述出气腔(342)被钻孔成形，使得所述出气腔(342)与所述微型气室(31)之间形成出气微孔(343)。
6.根据权利要求5所述的用于气体的光声探测模块(3)，其中所述声波换能器(32)包括音叉主体以及分别设置在所述音叉主体两侧的音叉定位部(323)和振臂末端部，所述音叉主体形成音叉缝隙(321)，所述音叉缝隙(321)延伸至所述振臂末端部，其特征在于，
所述进气微孔(333)和所述出气微孔(343)的连线与定位在所述微型气室(31)中的声波换能器(32)的振臂末端部相隔一距离。
7.根据权利要求1所述的用于气体的光声探测模块(3)，其特征在于：
所述电学模组(36)的侧面设有线缆通口(362)，所述线缆通口(362)与所述电学模腔(361)连通；
所述光学模组(30)和所述电学模组(36)通过螺纹结构(37)固定安装，使得所述微型气室(31)的开口朝向所述电学模腔(361)。
8.一种基于权利要求1至7中任一权利要求所述的光声探测模块的气体探测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、触发激光器在谐振腔中产生光路，以音叉式的声波换能器的固有频率调制激光器的工作电流，使激光器的输出光的波长扫过目标气体吸收线，然后调制激光器的工作电流的深度，直至声波换能器的输出光声信号达到预定幅值；
B、在所述声波换能器的音叉中的目标气体在激光激发时，采集所述声波换能器的引脚之间的电信号，并经过前置和锁相的信号放大处理后转换并储存为光声信号计数值；
C、根据预先标定的光声信号计数值与目标气体浓度的线性关系，计算当前的光声信号计数值所对应的目标气体浓度值。
9.一种气体探测装置，其特征在于，包括：
根据权利要求1至7中任一权利要求所述的光声探测模块(3)；
中红外分布反馈式的激光器，所述激光器通过光纤汇聚器(2)使所述光声探测模块(3)的谐振腔(35)产生光路；
前置放大器(7)，所述前置放大器(7)的输入端与所述声波换能器(32)的第二电气引脚(5)连接，其中所述声波换能器(32)的第一电气引脚(4)与地线(6)连接；其中，所述前置放大器(7)设置在所述电学模组(36)的电学模腔(361)内；
锁相放大器(8)，所述锁相放大器(8)的输入端与所述前置放大器(7)的输出端连接；
函数发生器(10)，所述函数发生输出端与所述锁相放大器(8)的另一输入端连接；
激光器驱动器(13)，所述激光器驱动器(13)连接至所述激光器；
计算机设备(9)，所述计算机设备(9)的输入端与所述锁相放大器(8)的输出端连接，并且所述计算机设备(9)的控制端与所述函数发生器(10)和所述激光器驱动器(13)连接。
10.根据权利要求9所述的气体探测装置，其特征在于，
所述的计算机设备(9)被配置成实施如权利要求8所述的方法。
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| CN202110564245.7A Active CN113295620B (zh) | 2021-05-24 | 2021-05-24 | 光纤耦合的全固态增强光声光谱气体光声探测模块及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113295620B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114199777A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统 |
| CN114397246A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-04-26 | 暨南大学 | 用于光声光谱探测的钳式晶振及其气体探测装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110072886A1 (en) * | 2009-09-30 | 2011-03-31 | Catherine Genevieve Caneau | Gas Sensor Based On Photoacoustic Detection |
| CN106290165A (zh) * | 2016-09-08 | 2017-01-04 | 山西大学 | 泛频增强光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置 |
| CN108027323A (zh) * | 2015-08-07 | 2018-05-11 | 库珀技术公司 | 具有微谐振器的气体传感器外壳 |
| CN111735765A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-10-02 | 东南大学 | 一种高温光声光谱检测装置 |
-
2021
- 2021-05-24 CN CN202110564245.7A patent/CN113295620B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113295620B (zh) | 2023-02-17 |
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