CN114002184B - 多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法，包括：多波长可调谐激光器阵列、光纤耦合器、光纤准直器、聚焦透镜、光声共振器、光声探测器、低噪声前置放大器、数据采集卡、激光器阵列控制器、计算机控制单元。本发明以多波长可调谐激光器阵列作为不同分子的光声光谱信号激发光源，结合声学共振器的多谐振特性和光纤传输特性，可用于多组分气体分子的同时检测。该发明采用单个光声共振器，整体结构简单，有利于基于多个激光光源的多组分气体光声光谱传感器的小型化集成和开发，具有实用性强和应用范围广等优点。

Description

多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法

技术领域

本发明涉及激光光谱技术和气体检测领域，具体为一种多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法。

背景技术

光声光谱法是基于光声效应的一种高灵敏光谱分析技术，具有动态范围宽、零背景和无波长依赖等特性，已被广泛应用于众多学科领域。光声光谱检测气体浓度过程中，可通过采用高功率激发光源和多次反射方式增强有效激发光功率，及结合声学共振腔等方式实现检测灵敏度的提高。基于声学共振腔增强型光声光谱探测技术，通常选择声学共振腔的某一个谐振频率作为调制频率，即在单一固定调制频率下进行单个或多个分子的测量。然而多组分气体同步测量时，通常需要采用多个不同波长的光源分别作为各个分子的激发光源，此时信号解调过程将无法区分、提取各光源所对应的不同分子光声光谱信号，只能采用时分复用或多个谐振腔集成的方式，大大增加了光声光谱多组分探测系统的复杂性、体积和成本。

针对上述光声光谱多组分气体同时测量技术中面临的几个关键技术问题，本专利提出一种基于多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法，以球型谐振腔为例，利用其具有多个谐振频率的特性，结合多波长可调谐激光器阵列和二次谐波探测技术，可用于多组分气体同时高灵敏度测量。与基于多个激发光源的传统多组分光声光谱探测系统相比，具有整体结构更简单，体积和成本更低，在开发小型化、低功耗、轻便型多组分气体传感器和应用领域具有重要的实用价值。

发明内容

针对基于光声光谱多气体同时测量的技术中的不足之处，本发明提出一种多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是按以下方式实现的：

多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，包括：多波长可调谐激光器阵列、光纤耦合器、光纤准直器、聚焦透镜、光声共振器、光声探测器、低噪声前置放大器、数据采集卡、多波长可调谐激光器阵列控制器、计算机控制单元；

所述计算机控制单元的信号输出端与数据采集卡连接；所述数据采集卡具有多个输入通道和输出通道，输入通道用于光声信号的输入，输出通道用于将计算机控制单元产生的调制模拟信号转换成数字信号后输出到多波长可调谐激光器阵列控制器；所述多波长可调谐激光器阵列控制器将数据采集卡输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长激光器的波长调制和调谐输出；

所述多波长可调谐激光器阵列输出的多路激光与光纤耦合器的输入端连接；所述光纤耦合器将各路光束耦合成1路，其输出端与光纤准直器连接；所述光纤准直器将激光器耦合光束准直输出到自由空间的聚焦透镜；所述聚焦透镜将激光光束聚焦进入光声共振器；所述光声共振器内集成光声探测器；所述光声探测器用于检测光声共振器内产生的声共振光声信号，光声探测器输出端与低噪声前置放大器输入端连接；所述低噪声前置放大器对输入光声信号进行滤波降噪和放大，其输出端与数据采集卡相连接；所述数据采集卡将输入的模拟信号转换成数字信号，其输出端与计算机控制单元相连接；所述计算机控制单元包括上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

进一步地，所述多波长可调谐激光器阵列由三个可调谐激光器集成而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个中心波长依据待检测气体分子具有的吸收光谱范围而定。

进一步地，所述光纤耦合器采用的是3×1光纤耦合器。

进一步地，所述光声共振器在一定频率范围内具有多个谐振模式，其几何结构可以是圆柱形或球型，其包含有通过轴线方向的入射窗口和出射窗口，及用于气体采样的进出气端口，入射光从入射窗口进入后沿轴线方向从出射窗口出射。

进一步地，所述光声探测器安置在光声共振器近中心位置以获取最大的光声信号。

进一步地，三个所述可调谐激光器的3个调制频率f1，f2和f3在二次谐波探测中分别为光声共振器的3个不同谐振频率的一半，当调制模式为振幅调制时，3个调制频率f1，f2和f3分别等于光声共振器的3个谐振频率，可调谐激光器的调制频率与光声共振器的谐振频率之间的对应选择不存在限制，可任意配对选择。

进一步地，所述计算机控制单元包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数，三路单频调制信号分别对应光声共振器的一阶、二阶和三阶径向谐振模式，依次对应的谐振频率分别约为6220Hz，10230Hz，14630Hz，波长调制二次谐波探测方法中，三路单频正弦波信号调制频率分别为相应径向谐振频率的一半，即分别为f1＝3110Hz，f2＝5115Hz和f3＝7315Hz，三个径向谐振模式的品质因子Q值157，241和148，高Q值将十分有利于光声信号的增强放大。

8、一种多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测方法，包括以下步骤：

[01]数据采集卡的输出通道将计算机控制单元产生的带有正弦调制的三角波信号输出到多波长可调谐激光器阵列控制器，多波长可调谐激光器阵列控制器将数据采集卡输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长的可调谐激光器的波长调制和调谐输出；

[02]多波长可调谐激光器阵列输出的多路激光与光纤耦合器输入端连接，将各路光束耦合成1路，再由光纤准直器将耦合后的光束输出到自由空间的聚焦透镜，聚焦进入光声共振器；

[03]共振放大后的光声信号由集成在光声共振器内的光声探测器收集，再输入到低噪声前置放大器进行滤波降噪和放大；

[04]低噪声前置放大器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元中；计算机控制单元通过上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

本发明的优点是：

本发明以多波长可调谐激光器阵列作为不同分子的光声光谱信号激发光源，结合声学共振器的多谐振特性和光纤传输特性，可用于多组分气体分子的同时检测。该发明采用单个光声共振器，整体结构简单，有利于基于多个激光光源的多组分气体光声光谱传感器的小型化集成和开发，具有实用性强和应用范围广等优点。

附图说明

图1为多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置及方法实施例的结构示意图。

图中：可调谐激光器1、光纤耦合器2、光纤准直器3、聚焦透镜4、光声共振器5、光声探测器6、低噪声前置放大器7、数据采集卡8、多波长可调谐激光器阵列控制器9、计算机控制单元10。

图2为本发明实施例中球型光声共振器结构示意图。

图3为本发明实施例中球型光声共振器的谐振频率分布特性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1。

如图1所示，多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，包括多波长可调谐激光器阵列、3×1光纤耦合器2、光纤准直器3、聚焦透镜4、光声共振器5、光声探测器6、低噪声前置放大器7、数据采集卡8、多波长可调谐激光器阵列控制器9、计算机控制单元10。

计算机控制单元10的信号输出端与数据采集卡8连接；数据采集卡8具有多个输入通道和输出通道，输入通道用于光声信号的输入，输出通道用于将计算机控制单元10产生的调制模拟信号转换成数字信号后输出到多波长可调谐激光器阵列控制器9；多波长可调谐激光器阵列控制器9将数据采集卡8输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长激光器的波长调制和调谐输出；多波长可调谐激光器阵列由三个可调谐激光器1集成而成；多波长可调谐激光器阵列输出的3路激光(以3波长为例)与3×1光纤耦合器2的输入端连接；3×1光纤耦合器2将3路光束耦合成1路，其输出端与光纤准直器3连接；光纤准直器3将激光器耦合光束准直输出到自由空间的聚焦透镜4；聚焦透镜4将激光光束聚焦进入光声共振器5；光声共振器5，如图2所示以球型光声共振器为例，其包含有通过轴线方向的入射窗口和出射窗口，及用于气体采样的进出气端口，入射光从入射窗口进入后沿轴线方向从出射窗口出射，光声共振器内集成光声探测器6；光声探测器6用于检测共振器内产生的声共振光声信号，光声探测器安置在近球心位置以获取最大的光声信号，光声探测器输出端与低噪声前置放大器7输入端连接；低噪声前置放大器7对输入光声信号进行滤波降噪和放大，其输出端与数据采集卡8相连接；数据采集卡8将输入的模拟信号转换成数字信号，其输出端与计算机控制单元10相连接；计算机控制单元10包括上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

进一步地，多波长可调谐激光器阵列由多个可调谐激光器1集成而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个中心波长依据待检测气体分子具有的吸收光谱范围而定。例如：甲烷CH4为1.65微米，水汽H2O为1.39微米，二氧化碳CO2为1.57微米。

进一步地，光声共振器5在一定频率范围内具有多个谐振模式，其几何结构可以是圆柱形、球型和波导型等具有谐振特性的规则或不规则共振器；本实施例采用的是球型的光声共振器。

进一步地，二次谐波探测中，三个可调谐激光器1的3个调制频率f1，f2和f3分别为光声共振器的3个不同谐振频率的一半，当调制模式为振幅调制时，3个调制频率f1，f2和f3分别等于光声共振器的3个谐振频率，激光器调制频率与光声共振器谐振频率之间的对应选择不存在限制，可任意配对选择。

进一步地，多计算机控制单元10包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波等波形，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数，此实施例中为三路单频调制信号，分别对应球型光声共振器的一阶、二阶和三阶径向谐振模式，依次对应的谐振频率分别约为6220Hz，10230Hz，14630Hz，波长调制二次谐波探测方法中，三路单频正弦波信号调制频率分别为相应径向谐振频率的一半，即分别为f1＝3110Hz，f2＝5115Hz和f3＝7315Hz，具体如图3所示，三个径向谐振模式的品质因子Q值157，241和148，高Q值将十分有利于光声信号的增强放大。

进一步地，多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测方法，包括以下步骤：

[01]计算机控制单元10的输出端连接数据采集卡8，数据采集卡8的输出通道将计算机控制单元10产生的带有正弦调制的三角波信号输出到多波长可调谐激光器阵列控制器9。多波长可调谐激光器阵列控制器9将数据采集卡8输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长的可调谐激光器1的波长调制和调谐输出；

[02]多波长可调谐激光器阵列输出的3路激光以3波长为例与3×1光纤耦合器输入端连接，将3路光束耦合成1路，其输出端与光纤准直器3连接，将耦合后的光束输出到自由空间的聚焦透镜4，聚焦进入光声共振器5；

[03]共振放大后的光声信号由集成在光声共振器5内的光声探测器6收集，再输入到低噪声前置放大器7进行滤波降噪和放大；

[04]低噪声前置放大器7输出的电压信号输入到数据采集卡8，数据采集卡8将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元10；计算机控制单元10通过上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，包括：多波长可调谐激光器阵列、光纤耦合器(2)、光纤准直器(3)、聚焦透镜(4)、光声共振器(5)、光声探测器(6)、低噪声前置放大器(7)、数据采集卡(8)、多波长可调谐激光器阵列控制器(9)、计算机控制单元(10)；

所述计算机控制单元(10)的信号输出端与数据采集卡(8)连接；所述数据采集卡(8)具有多个输入通道和输出通道，输入通道用于光声信号的输入，输出通道用于将计算机控制单元(10)产生的调制模拟信号转换成数字信号后输出到多波长可调谐激光器阵列控制器(9)；所述多波长可调谐激光器阵列控制器(9)将数据采集卡(8)输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长激光器的波长调制和调谐输出；

所述多波长可调谐激光器阵列输出的多路激光与光纤耦合器(2)的输入端连接；所述光纤耦合器(2)将各路光束耦合成1路，其输出端与光纤准直器(3)连接；所述光纤准直器(3)将激光器耦合光束准直输出到自由空间的聚焦透镜(4)；所述聚焦透镜(4)将激光光束聚焦进入光声共振器(5)；所述光声共振器(5)内集成光声探测器(6)；所述光声探测器(6)用于检测光声共振器(5)内产生的声共振光声信号，光声探测器(6)输出端与低噪声前置放大器(7)输入端连接；所述低噪声前置放大器(7)对输入光声信号进行滤波降噪和放大，其输出端与数据采集卡(8)相连接；所述数据采集卡(8)将输入的模拟信号转换成数字信号，其输出端与计算机控制单元(10)相连接；所述计算机控制单元(10)包括上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

2.根据权利要求1所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，所述多波长可调谐激光器阵列由三个可调谐激光器(1)集成而成，可在不同中心波长范围输出激光，各个中心波长依据待检测气体分子具有的吸收光谱范围而定。

3.根据权利要求1或2所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，所述光纤耦合器(2)采用的是3×1光纤耦合器。

4.根据权利要求3所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，所述光声共振器(5)在一定频率范围内具有多个谐振模式，其几何结构可以是圆柱形或球型，其包含有通过轴线方向的入射窗口和出射窗口，及用于气体采样的进出气端口，入射光从入射窗口进入后沿轴线方向从出射窗口出射。

5.根据权利要求4所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，所述光声探测器(6)安置在光声共振器(5)近中心位置以获取最大的光声信号。

6.根据权利要求5所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，三个所述可调谐激光器(1)的3个调制频率f1，f2和f3在二次谐波探测中分别为光声共振器(5)的3个不同谐振频率的一半，当调制模式为振幅调制时，3个调制频率f1，f2和f3分别等于光声共振器(5)的3个谐振频率，可调谐激光器(1)的调制频率与光声共振器(5)的谐振频率之间的对应选择不存在限制，可任意配对选择。

7.根据权利要求6所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(10)包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块，数字信号输出模块主要包括用于驱动激光器波长调谐的三角波或锯齿波，及用于激光波长调制的正弦波或方波，信号输出模块通道数取决于待检测分子的种类数，三路单频调制信号分别对应光声共振器(5)的一阶、二阶和三阶径向谐振模式，依次对应的谐振频率分别约为6220Hz，10230Hz，14630Hz，波长调制二次谐波探测方法中，三路单频正弦波信号调制频率分别为相应径向谐振频率的一半，即分别为f1＝3110Hz，f2＝5115Hz和f3＝7315Hz，三个径向谐振模式的品质因子Q值157，241和148，高Q值将十分有利于光声信号的增强放大。

8.一种多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测方法，适用于权利要求1-7任一所述的多谐振增强型光声光谱多组分气体同时检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

[01]数据采集卡(8)的输出通道将计算机控制单元(10)产生的带有正弦调制的三角波信号输出到多波长可调谐激光器阵列控制器(9)，多波长可调谐激光器阵列控制器(9)将数据采集卡(8)输出的电压信号转换成电流信号并输入到多波长可调谐激光器阵列，实现各个波长的可调谐激光器(1)的波长调制和调谐输出；

[02]多波长可调谐激光器阵列输出的多路激光与光纤耦合器(2)输入端连接，将各路光束耦合成1路，再由光纤准直器(3)将耦合后的光束输出到自由空间的聚焦透镜(4)，聚焦进入光声共振器(5)；

[03]共振放大后的光声信号由集成在光声共振器(5)内的光声探测器(6)收集，再输入到低噪声前置放大器(7)进行滤波降噪和放大；

[04]低噪声前置放大器(7)输出的电压信号输入到数据采集卡(8)，数据采集卡(8)将输入的模拟信号转换成数字信号，输入至计算机控制单元(10)中；计算机控制单元(10)通过上位机信号分析软件，对获取的光声信号进行实时分析处理和保存。

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