基于声波直接耦合-多光程光声池的光声光谱检测系统技术方案

本发明专利技术请求保护一种基于声波直接耦合

【技术实现步骤摘要】
基于声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，涉及一种基于新型的声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统。

技术介绍

[0002]随着经济的快速发展，城市化和工业化的进一步推进，环境污染问题日益突出，严重影响人们的健康和生活质量。近些年来，环保问题越来越受到国家和全社会人们的关注，对污染环境的气体进行更为灵敏、精准、实时、有效地监测也已成为迫切需要解决问题之一。同时，煤矿安全生产监测、燃气泄露检测、电器设备故障气体分析和医学呼气诊断等领域对痕量气体检测技术的需求也不断增加。对待测气体的高灵敏度检测有助于精准分析与早期预警。
[0003]痕量气体的检测手段很多，传统的检测方法有质谱法、半导体传感法、电化学传感法，普遍存在灵敏度不高、交叉干扰、寿命短和需要经常校准等问题，难以满足对痕量气体精确监测的需求。由于近、中红外光谱区是大多数中小气体分子的特征吸收带，采用合适波长的光源和光谱检测方法可以对这类气体进行测量，与非光学的检测手段相比较，基于光谱检测方法具有灵敏度高、选择性好、响应快速和无需载气等优点，特别适用于对痕量气体的精确监测。光声光谱法是利用该原理进行气体检测的典型方法。光声光谱法是一种通过测量气体因光学吸收产生的声波强度来反演目标气体浓度的间接吸收光谱技术。光声光谱法不直接测量透射光谱的变化，而是测量气体光吸收所引起的声波。由于光路中的散射、反射等损耗不会产生声波信号，因此光声探测方法能准确测量气体吸收的情况，对产生的声波信号进行采集处理就能获得待测气体的浓度信息。
[0004]在光声光谱系统中，提高激发效率方面，成本最低，也是最有效的方法是通过优化光声池的设计来提高激发效率，比如优化设计光声池内径，采用多次反射增加有效吸收程等等。此外，利用声波谐振原理放大声波也可以提高检测灵敏度，但该类型的光声池往往体积大，需要的检测气体量也大，还会因为温度的变化而导致谐振频率漂移，从而影响稳定性。
[0005]在声波探测技术研究方面，可以实现高灵敏度声波探测的石英音叉、光学悬臂梁和光纤麦克风是当前研究的热点。2004年美国莱斯大学的F.K.Tittel等人首次提出了基于石英音叉增强光声光谱(QEPAS)技术方案，其后国内外诸多学者对其进行了深入的研究。2022年，暨南大学的杨志飞等将大功率掺铒光纤放大器用于QEPAS系统，利用1536nm的近红外激光对C2H2实现了7ppb的高灵敏度探测。QEPAS系统采用高Q值的石英音叉提高了系统的检测灵敏度，并且减小了气体探测单元的体积。然而，QEPAS系统因音叉间距小和工作频率高(一般32kHz左右)，对激光光束质量和气体跃迁驰豫速率有一定要求。相比于石英音叉，光学悬臂梁具有低频响应好、灵敏度高和线性范围大等优点。2004年，芬兰图尔库大学的J.Kauppinen等人设计了基于Michelson干涉仪的光学悬臂梁声波传感器，并提出悬臂梁增强型光声光谱(CEPAS)方案。2018年，T.Tomberg等人采用CEPAS技术方案，利用光参量振荡
器作为光源，对HF气体实现了亚ppt量级的检测灵敏度。光学悬臂梁的应用极大地提高了系统的检测灵敏度，但是Michelson干涉仪的结构使得该类声波探测器具有抗振性能差、体积大、结构复杂以及与小体积光声池匹配难度大等缺点。光学悬臂梁和光纤麦克风等传统光学声波传感器的传声机理都是通过将声波引起的悬臂梁或者薄膜的机械振动转化为光信号的间接耦合型声波传感器，这类声波传感器受材料、尺寸、厚度和工艺等因素的限制，表现为频响平坦范围和声压线性范围小、难以实现大带宽和动态范围的缺点；而且，基于悬臂梁和薄膜结构的光学声波传感器的光声光谱检测系统易受到外界振动的影响而产生测量误差。此外，由于共振式光声池的需要的待测气体量大、存在共振漂移等缺点，体积小巧、鲁棒性强的非共振式光声池就成了光声光谱系统在实际应用中最好的选择。但是，非共振式光声池通常工作在接近于次声的低频范围，传统的麦克风受膜片物理特性的影响在低频段的响应相对较弱，影响了光声信号探测的灵敏度。通过对光声探测技术的概况和目前存在问题的总结，急需一种低频灵敏度高、声压线性度和动态范围大，且不受温度变化影响，并具有一定抗振能力的新型光声探测技术。
[0006]经过检索，申请号201810337667.9，一种小型化多次反射式光声池增强型激光光声光谱的检测仪器及方法，属于微量气体检测
该仪器包括激光光源、光源驱动、光学准直器、小型化多次反射式光声池、进气阀门、出气阀门、传声器、信号采集与处理电路和触摸屏。对激光光源进行波长调制，激光在小型化多次反射式光声池的池壁表面沿径向方向发生多次反射。采用二次谐波检测技术可消除在池壁表面多次反射由固体光声效应产生的基频光声信号的干扰，实现对微量气体的无背景和高灵敏探测。本专利技术中的小型化多次反射式光声池可在减小池内容积的同时，通过激光在内壁多次反射的方式，大幅提高光声激发光的有效功率，因此可以降低对气样量的要求，并能提高系统的检测灵敏度和稳定性。该专利的缺陷在于：使用了传统的麦克风作为声音信号的探测装置，再对探测的声音信号处理，最后通过标准气体标定法得到痕量气体的浓度信息。非共振式光声池通常工作在接近于次声的低频范围，传统的麦克风受膜片物理特性的影响在低频段的响应相对较弱且易受到外界振动的影响，影响了光声信号探测的灵敏度、动态范围和稳定性；
[0007]本专利技术专利：提出一种基于声波直接耦合
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多光程光声池的检测方法，创新性的将光声池体内底面与探测光准直器出射端面构成刚性的FPE结构代替传统麦克风作为声波的检测装置，通过声波直接耦合技术(声波信号振动改变光声池内气体的折射率，而折射率的变化加载到在FPE结构中传播的探测光上改变探测光的光程，光声池体内底面反射的探测光与探测光准直器出射端面反射的光返回光纤中发生干涉，折射率变化会最终就导致了干涉光强也会随之正比变化)检测声波信号，提升光声信号低频检测的灵敏度和动态范围，提高抗振能力。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统。本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于新型的声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统，包括调制器、DFB激光光源、隔离器、激发光准直器、声波直接耦合
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多光程光声池、探测光准直器、低相干超辐射发光二极管(SLD)光源、环形器、电荷耦合器件CCD、计算机构成。所述的DFB激光光源
作为痕量气体的激发光源，在所述调制器的驱动下发出激发激光经过所述的隔离器后进入到激发光准直器最后平行出射到所述的声波直接耦合
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多光程光声池在声波直接耦合
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多光程光声池内多次反射与待测衡量气体充分作用产生声波信号，声波信号反作用于所述光声池内的待测痕量气体改变气体的折射率，所述的低相干超辐射发光二极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统，其特征在于，包括调制器(1)、DFB激光光源(2)、隔离器(3)、声波直接耦合
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多光程光声池(4)、环形器(5)、低相干超辐射发光二极管光源(6)、电荷耦合器件CCD(7)、计算机(8)，所述调制器(1)、DFB激光光源(2)、隔离器(3)、声波直接耦合
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多光程光声池(4)、环形器(5)、低相干超辐射发光二极管光源(6)依次连接，所述环形器(5)还与电荷耦合器件CCD(7)相连接，所述电荷耦合器件CCD(7)与计算机(8)相连接；其中，调制器(1)用于对DFB激光光源进行调制，DFB激光光源(2)用于发出激光做为检测系统的激发光，隔离器(3)用于保证激发光的单向传输，防止激发光反射传入DFB激光器，声波直接耦合
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多光程光声池(4)用于激发光激发待测气体产生声波信号以及通过声波直接耦合的方式把声波加载到探测光上，环形器(5)用于规定激光的传输方向，低相干超辐射发光二极管光源(6)用于发出激光作为检测系统的检测光，电荷耦合器件CCD(7)用于对接收到的干涉光信号进行检测转化为电信号，计算机(8)用于对所述的光电探测器检测到的电信号进行处理。2.根据权利要求1所述的基于声波直接耦合
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多光程光声池的光声光谱检测系统，其特征在于，所述声波直接耦合
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多光程光声池(4)包括光声池池体(10)、激发光准直器(11)、进气口(12)、刚性FPE结构(13)、出气口(14)、金膜(15)及探测光准直器(16)，激发光准直器(11)设置光声池池体(10)的池体顶部，进气口(12)、出气口(14)分别设置在池体的一侧上、下位置，测光准直器(16)设置在池体的中部位置，光声池内表面和探测光准直器(16)的端面构成刚性FPE结构(13)，光声池池体(10)的四周壁上镀有金膜(15)，其中激发光准直器(11)用于对激发光进行准直，使其平行入射到所述基于声波直接耦合
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多光程光声池中，进气口(12)用于把待测气体通入所述基于声波直接耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛雪峰，叶浩，谭玉婷，沈易，唐小平，廖青芸，王贵莉，李涛，邱婷婷，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：