CN115128011B - 基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，包括光学模块、声学模块和信号处理模块。光学模块用于调制、出射激光，并将激光聚焦于待测样品，使其激发声信号。声学模块中的声学匹配层接收待测样品激发的声信号，使得该声信号可跨液‑气或固‑气界面传播，以近乎零反射进入到光声池内；光声池内的声学谐振腔通过共振作用放大该声信号；利用声学传感器采集声信号并将其转化为电压信号。信号处理模块接收电压信号，并对其中的光声信号进行解调放大，再根据光声信号的电压幅值，得到待测样品的浓度。本发明通过调整声学匹配层共振频率，实现光声信号在固体（或液体）与空气界面间的高效传输，极大提高了光声信号强度。
Description
技术领域
本发明涉及固体、液体检测领域，具体涉及一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置。
背景技术
光声光谱检测技术是一种基于光声效应的光谱分析技术，其基本原理是：将经调制后的激光照射到待测样品上，其吸收光能后将产生周期性热膨胀，进而产生与激光调制频率相同的声波。由于不同物质对不同波长光的吸收不同，且其产生的声压信号强度与其浓度成正比，因此，通过选择合适波长的激光，即可实现对样品内特定成分的特异性吸收,进一步采用声学传感器获取其产生的声压信号，便可对其样品各成分浓度进行准确计量。相比于传统的吸收光谱技术，光声光谱检测技术具有体积小、灵敏度高、响应时间快、可连续实时监测等优点，近年来被广泛应用于石化分析、空气污染监测、煤矿瓦斯浓度监测、医疗诊断等领域。
目前，光声光谱在气体检测方面已得到极为广泛的应用，但在固体和液体检测方面，由于空气和固体（或液体）间声阻抗相差过大，导致绝大部分声能量在固体（或液体）-空气界面产生反射，只有极小一部分声能可透射至空气中被声学传感器捕获。因此，固体和液体光声光谱检测灵敏度远小于气体光声光谱检测灵敏度，极大限制了其实际应用。以人体血糖检测为例，专利号CN113876321A公布了一种基于光声效应的无创血糖检测方法，通过将中红外激光聚焦到待测皮肤下毛细血管所在深度，进行平面内的逐点扫描，利用声学传感器记录每个扫描点的光声信号强度数据，根据不同扫描点之间光声信号强度数据的差异可计算得到血糖浓度。然而，由于人体组织声阻抗与空气声阻抗相差3600倍，仅0.1%的光声信号可从人体皮肤内透射至空气中被声学传感器获取，导致其检测灵敏度较低，难以满足实际需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于声学超材料阻抗匹配的增强型光声光谱固体/液体检测装置，可解决固体或液体与空气声阻抗不匹配的问题，有效提升固体和液体光声光谱检测灵敏度。
本发明的技术方案如下：本发明实施例提出了一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，包括光学模块、声学模块和信号处理模块；
所述光学模块用于出射、调制激光，并将激光准直、聚焦于待测样品表面或其某一深度处，使得待测样品激发出声波信号；
所述声学模块包括光声池、声学谐振腔、声学传感器和声学匹配层，所述光声池呈中空套筒状，其顶部设有盖板；光声池内部设有声学谐振腔，光声池底部设有声学匹配层，所述声学匹配层中心开有一孔径大于激光直径的小孔，用于透过光学模块出射的激光；所述声学匹配层接收待测样品激发的声波信号，使得待测样品激发的声波信号可跨液-气或固-气界面传播，以近乎零反射或低反射进入到光声池内；所述声学谐振腔通过共振作用放大该声波信号；所述声学谐振腔上设有声学传感器，所述声学传感器用于采集共振放大后的声波信号并将其转化为电压信号；
所述信号处理模块接收声学模块输出的电压信号，并对其中的光声信号进行解调放大，再提取光声信号的电压幅值，计算得到待测样品的浓度。
进一步地，所述光学模块包括依次相连的激光器、激光调制器和光路调整单元；所述光路调整单元由若干用于实现激光准直和聚焦的透镜组成；所述激光调制器的调制频率和声学谐振腔一阶共振频率一致。
进一步地，所述光声池为长方形、圆柱形或六边形的中空套筒状。所述光声池的顶部设有的盖板采用石英玻璃、氧化物陶瓷等对激光所在频段具有高光学透射率的材料；所述盖板或采用中心穿孔的常规非光学透明材料，其穿孔直径大于激光直径，用于穿过光学模块出射的激光。
进一步地，所述声学匹配层包括依次设置的薄膜、支撑框架和衬底；所述薄膜和衬底的中心均开有一不小于激光焦点直径的小孔，使得光学模块出射的激光可无损耗透过；所述支撑框架中心镂空，其镂空的形状与声池内部空腔的截面形状相同；
进一步地，所述衬底与待测样品紧密贴合，且衬底的声阻抗与待测样品的阻抗一致或尽可能接近。
进一步地，所述薄膜为磁性薄膜或中心黏贴一块磁性薄片的非磁性薄膜。
进一步地，所述薄膜的厚度为0.01~0.3mm，所述支撑框架的厚度小于1mm。
进一步地，所述声学模块还包括由铁芯和线圈组成的电磁铁；所述电磁铁设置于光声池盖板下方；所述铁芯设置于光声池套筒内，线圈缠绕在光声池套筒外；所述铁芯的中心开一有孔径不小于激光直径的小孔，用于穿过光学模块出射的激光。
进一步地，所述电磁铁还与电流控制单元连接；所述电流控制单元包括电流流向控制器和可变电阻，用于控制施加在电磁铁线圈上的电流大小和方向，以调控声学匹配层的工作频率。
进一步地，所述信号处理模块包括锁相放大器和计算机；所述信号处理模块接收声学模块输出的电压信号并通过锁相放大器进行滤波解调放大；其中，锁相放大器第一、第二输入端分别连接光学模块中的激光调制器和声学模块中的声学传感器，用于从嘈杂背景噪声中提取由激光产生的微弱光声信号；利用计算机提取光声信号的电压幅值，与标准样品曲线进行比较，计算得到待测样品相应的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）本发明利用声学超材料构建声学阻抗匹配层，通过调整电磁铁内的电流大小和方向靶向调控声学匹配层共振频率，可实现任意给定频率光声信号在固体（或液体）与空气界面间的高效透射，极大提高了固体/液体光声光谱检测中的光声信号强度。
（2）本发明中的声学匹配层工作频率可通过计算机精准调控，避免了因加工误差、样品安装等人工因素导致的工作频率偏移，提高了系统的鲁棒性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置整体示意图；
图2为本发明实施例中基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置的声学模块示意图；
图3为本发明实施例中基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置的声学匹配层结构爆炸图；
图4为本发明实施例中基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置的声学匹配层剖面图；
图5为在人体皮肤和空气界面设置本发明装置中的声学匹配层前后声能量的透射系数对比图；
其中，1、光学模块；11、激光器；12、激光调制器；13、光路调整单元；2、声学模块；21、光声池；22、铁芯；23、线圈；24、声学谐振腔；25、声学传感器；26、声学匹配层；261、薄膜；262、支撑框架；263、衬底；264、空腔；27、电流控制单元；271、电流流向控制器；272、可变电阻；28、小孔；3、信号处理模块；31、锁相放大器；32、计算机。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提出了一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，由光学模块1、声学模块2和信号处理模块3组成。
其中，所述光学模块1由依次连接的激光器11、激光调制器12和光路调整单元13组成。所述光路调整单元13由若干用于实现激光准直和聚焦的透镜组成，经过光路调整单元调整后的激光最终聚焦于待测样品表面或某一深度处。
如图2所示，所述声学模块2包括光声池21、由铁芯22和线圈23组成的电磁铁、声学谐振腔24、声学传感器25、声学匹配层26和电流控制单元27。所述光声池21形状为长方形、圆柱形或六边形等中空套筒状。本发明实施例中所述光声池21设置呈圆柱形套筒状，套筒顶部设有盖板，所述盖板采用石英玻璃、氧化物陶瓷等对激光所在频段具有高光学透射率的材料；所述盖板或采用中心穿孔的常规非光学透明材料，其穿孔直径大于激光直径，用于穿过光学模块出射的激光。本发明实施例中所述盖板采用对中红外具有高透射率的锗透镜。盖板下方设有铁芯22，铁芯22位于光声池套筒内部，其直径与光声池套筒内径相同，光声池21外部缠绕线圈23。所述光声池21内部铁芯22中心穿有孔径不小于激光直径的小孔28。
所述光声池21的底部设有声学匹配层26，所述声学匹配层26如图3和图4所示，包括依次设置的薄膜261、支撑框架262和衬底263。所述薄膜261为磁性薄膜或中心黏贴一块磁性薄片的非磁性薄膜。作为优选地，所述薄膜厚度为0.01~0.3mm。所述支撑框架262中心镂空，镂空形状与其相连的光声池21内部空腔截面形状相同。所述支撑框架262使得磁性薄膜261与衬底263间留有一定距离空腔264。作为优选地，本发明实施例设置支撑框架的厚度小于1mm，即使得薄膜261背后空腔的深度小于1mm。所述声学匹配层26在共振频率处的局域共振作用可在实现声波在两种声阻抗差异极大的介质间的高效透射。
所述磁性薄膜261和衬底263的中心均开设有一小孔28，小孔28的孔径略大于激光焦点直径，用于使光学模块出射的激光可无损耗透过，本发明实施例中激光焦点直径为0.2~1.0mm。所述衬底263与待测样品紧密贴合，且衬底的声阻抗与待测样品的声阻抗一致或尽可能接近（其中，衬底的声阻抗与待测样品的声阻抗尽可能接近即要求两者声阻抗相差不大于25%）。示例性地，当利用本发明装置进行人体血糖浓度检测时，所述衬底263的材料选用与人体皮肤声阻抗相近的聚氨酯橡胶。
所述电磁铁外接电流控制单元27，电流控制单元27由电流流向控制器271和可变电阻272组成，可通过计算机32控制流过线圈23的电流大小和方向，以调控声学匹配层26的工作频率。所述光声池21内设有声学谐振腔24，本发明实施例中，所述声学谐振腔24设置于光声池21某一侧的中点处。所述声学谐振腔24上设有声学传感器25，本发明实施例中所述声学谐振腔24的末端设置有声学传感器25。本发明实施例中的声学传感器25为MEMS声学传感器或电容式声学传感器。声学传感器用于采集待测样品激发的声波信号并将其转化为电压信号。
所述信号处理模块3由锁相放大器31和计算机32组成。其中，锁相放大器第一、第二输入端分别连接光学模块中的激光调制器和声学模块中的声学传感器。所述信号处理模块3接收声学模块2输出的电压信号并通过锁相放大器31从嘈杂的背景噪声中提取由激光产生的微弱光声信号，进行滤波解调放大后，利用计算机32提取光声信号的电压幅值。最后，将其与标准样品曲线进行比较，即可计算得到待测样品的浓度。
上述技术方案的主要原理如下：采用激光调制器将激光器输出激光的波长调至声学谐振器共振频率f对应的波长，并通过光路调整单元中的一系列透镜组合，对激光进行准直和聚焦。聚焦后的激光通过预先设置的小孔分别穿过光声腔顶部盖板、铁芯和声学匹配层，最终聚焦于声学匹配层下方待测样品表面或其表面某一深度处。待测样品吸收部分激光能量，通过光声效应激发出频率为f的声波。由于声学匹配层衬底与待测样品声阻抗接近，绝大部分激发的声能量可传至声学匹配层内。所述声学匹配层可视为由薄膜、支撑框架和衬底构成的薄膜型声学超材料。通过电流控制单元可调控电磁铁线圈上的电流方向和电流大小，进而调控电磁铁对磁性薄膜（或非磁性薄膜中心的磁性薄片）的磁力大小及方向。受电磁力作用薄膜发生形变，其与支撑框架及衬底构成的背腔体积产生变化，从而改变薄膜型声学超材料的共振频率。当薄膜型声学超材料的共振频率调节至与由光声效应激发的声波频率一致时，由于共振作用，可实现固体（或液体）与空气间的阻抗匹配，使得绝大部分固体声（或液体声）可转化为空气声。经声学匹配层转化的空气声波通过声学谐振腔的共振作用进一步放大声信号，并通过声学传感器将声信号转化为电压信号。同时，通过锁相放大器从嘈杂的背景噪声中提取其中的光声信号。最后，通过计算机提取光声信号的电压幅值，将其与标准样品曲线比对，即可计算得到待测样品浓度。
实施例1
以人体血糖检测为例，本发明具体检测步骤如下：激光器11产生的与葡萄糖的最佳吸收峰波长对应波长的激光，通过激光调制器12对其进行调制，调制频率与声学谐振腔24一阶共振频率一致。同时，通过计算机32调控电流控制单元施加在电磁铁线圈23上的电流方向和电流大小，进而调控声学匹配层26的共振频率，使其等于激光的调制频率。经光路调整单元13准直、聚焦后的激光分别通过声学模块中光声池21盖板、电磁铁铁芯22、声学匹配层26最终聚焦于人体皮肤组织表面一定深度以下。血糖吸收部分激光能量后产生固体声波，经声学匹配层26转化为空气声后沿光声池21传播，并在声学谐振腔24处产生共振放大，放大后的声压信号被声学传感器25采集。采集的声压信号进一步通过锁相放大器进行解调和放大，其中锁相放大器第一、第二输入端分别连接激光调制器和声学传感器。最后，经锁相放大后的声压信号交由计算机处理，与标准葡萄糖样品曲线进行比较，即可得到血糖浓度。
实施例2
为验证所述声学匹配层26对人体皮肤和空气之间的声阻抗匹配效果，采用COMSOLMultiphysics 对其声学性能进行仿真计算。薄膜261半径为10mm，厚度为0.2mm，薄膜材质为PET聚酯塑料，其上表面镀有一层磁性材料，薄膜密度ρ = 1450 kg∕m3，杨氏模量E = 6.5Gpa，泊松比v = 0.39；支撑框架外径为20mm，内径与光声池套筒内径相同均为18mm, 材质为铝合金，其密度ρ = 2700 kg∕m3；杨氏模量E = 70 Gpa；泊松比v = 0.3；底部衬底厚度为2mm，材质为聚氨酯橡胶，其密度ρ = 1080 kg∕m3，杨氏模量E = 0.151 Gpa，泊松比v =0.49。薄膜和衬底中心穿孔直径均为1mm。仿真计算时，电磁铁对磁性薄膜的电磁力等于0。
图5给出了在人体皮肤和空气界面设置与不设置声学匹配层时声功率的透射系数。由图5可知，设置声学匹配层后，在13140 Hz频率处，声能量透射系数可由0.1%提高到60%以上，表明其可有效提升声波在两种声阻抗相差极大的介质中的传输。因此，所述声学超材料匹配层可有效提高固体或液体光声光谱检测时的声信号强度，从而提高检测灵敏度。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，包括光学模块、声学模块和信号处理模块；
所述光学模块用于出射、调制激光，并将激光准直、聚焦于待测样品表面或其某一深度处，使得待测样品激发出声波信号；
所述声学模块包括光声池、声学谐振腔、声学传感器和声学匹配层，所述光声池呈中空套筒状，其顶部设有盖板；光声池内部设有声学谐振腔，光声池底部设有声学匹配层，所述声学匹配层中心开有一孔径大于激光直径的小孔，用于透过光学模块出射的激光；所述声学匹配层接收待测样品激发的声波信号，使得待测样品激发的声波信号可跨液-气或固-气界面传播，并进入到光声池内；所述声学谐振腔通过共振作用放大该声波信号；所述声学谐振腔上设有声学传感器，所述声学传感器用于采集共振放大后的声波信号并将其转化为电压信号；
所述声学匹配层包括依次设置的薄膜、支撑框架和衬底；所述薄膜为磁性薄膜或中心黏贴一块磁性薄片的非磁性薄膜；所述衬底与待测样品紧密贴合，且衬底的声阻抗与待测样品的声阻抗一致或尽可能接近；所述支撑框架使得磁性薄膜与衬底间留有一定距离空腔；所述声学模块还包括由铁芯和线圈组成的电磁铁，电磁铁设置于光声池顶部的盖板下方，铁芯设置于光声池套筒内，线圈缠绕在光声池套筒外；可通过控制流过线圈的电流大小和方向，以调控声学匹配层的工作频率；
所述信号处理模块接收声学模块输出的电压信号，并对其中的光声信号进行解调放大，再提取光声信号的电压幅值，计算得到待测样品的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述光学模块包括依次相连的激光器、激光调制器和光路调整单元；所述光路调整单元由若干用于实现激光准直和聚焦的透镜组成；所述激光调制器的调制频率和声学谐振腔一阶共振频率一致。
3.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述光声池为长方形、圆柱形或六边形的中空套筒状；所述光声池的顶部设有的盖板采用对激光所在频段具有高光学透射率的材料；所述盖板或采用中心穿孔的非光学透明材料，其穿孔直径大于激光直径，用于穿过光学模块出射的激光。
4.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述薄膜和衬底的中心均开有一不小于激光直径的小孔，使得光学模块出射的激光无损耗透过；所述支撑框架中心镂空，其镂空的形状与光声池内部空腔的截面形状相同。
5.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述薄膜的厚度为0.01~0.3mm，所述支撑框架的厚度小于1mm。
6.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述铁芯的中心开一有孔径不小于激光直径的小孔，用于穿过光学模块出射的激光。
7.根据权利要求1所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述电磁铁还与电流控制单元连接；所述电流控制单元包括电流流向控制器和可变电阻，用于控制施加在电磁铁线圈上的电流大小和方向，以调控声学匹配层的工作频率。
8.根据权利要求2所述的基于声学超材料阻抗匹配的光声光谱固体/液体检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括锁相放大器和计算机；所述信号处理模块接收声学模块输出的电压信号并通过锁相放大器进行滤波解调放大；其中，锁相放大器第一、第二输入端分别连接光学模块中的激光调制器和声学模块中的声学传感器，用于从嘈杂背景噪声中提取由激光产生的光声信号；利用计算机提取光声信号的电压幅值，与标准样品曲线进行比较，计算得到待测样品相应的浓度。
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