【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光谱检测，更具体地，涉及一种音叉式光纤光声光谱检测方法及装置。
技术介绍
1、气体检测在环境监测、航空航天、能源勘探、电力系统、医疗诊断等众多领域都有广泛的应用。基于激光吸收光谱的气体检测技术具有探测灵敏度高、抗交叉干扰能力强以及响应时间短等优势。相比传统的激光直接吸收光谱技术，间接的激光吸收光谱技术更具优势。
2、基于石英音叉的光声光谱检测作为一种间接的激光吸收光谱技术，具有体积小和抗外界噪声能力强等优势。但是，现有的音叉式光声光谱检测方法一般都是利用石英的压电效应将音叉的振动位移量转换为可测量的电流信号，容易受到电磁干扰，也无法实现远距离的气体检测。在气体检测性能方面，有些方法采用两个音叉同时探测的方式来使光声信号倍增，但由于所使用的两个音叉难以保证共振频率完全相等，从而导致光声信号的增强倍数小于两倍。现有技术中还有些方法仅能探测音叉一个振臂的位移量，从而限制了检测灵敏度的进一步提升；同时，这种仅能探测音叉一个振臂的位移量的方式无法抑制检测环境中的噪声干扰，增加了测量的不准确性。
3、另外，石英音叉难以与其他器件集成，从而导致气体传感器集成度不高、稳定性不好。并且，相比标准商用石英音叉，定制石英音叉的制作工艺十分复杂且成本十分昂贵；而标准商用石英音叉共振频率较高，在探测低弛豫率气体(如co、ch4等)时效果并不好，同时，标准石英音叉的振臂间隙仅有300μm，这在使用led、光纤放大器、中红外光源、太赫兹光源等光束质量较差的激励光源时，光束难以无触碰地穿过音叉振臂间隙，从而会产生明显的背景
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种音叉式光纤光声光谱检测方法及装置，其目的在于提升光谱检测的灵敏度及准确度。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种音叉式光纤光声光谱检测方法，包括音叉、第一探测光纤和第二探测光纤，所述音叉设置在待测气体环境中，所述第一探测光纤的一个端面与所述音叉的一个振臂外表面构成第一法布里珀罗腔，所述第二探测光纤的一个端面与所述音叉的另一个振臂外表面构成第二法布里珀罗腔；所述光声光谱检测方法包括：
3、s1、将激励激光调制后，入射至所述音叉两振臂间隙，待测气体吸收调制后的激励激光，产生光声信号；所述光声信号推动所述音叉两振臂产生机械振动，使两个法布里珀罗腔的腔长变化；其中，两个法布里珀罗腔为所述第一法布里珀罗腔和所述第二法布里珀罗腔；
4、s2、分别从第一探测光纤和第二探测光纤的另一端面探测两个法布里珀罗腔腔长变化时对应的反射干涉光谱的变化量，将得到的两个反射干涉光谱的变化量相加后，提取相加后的变化量的谐波信号，通过所述谐波信号的幅值大小反演出待测气体的浓度信息；其中，所述反射干涉光谱的变化量为强度变化量或相位变化量。
5、进一步地，s1中，若激励激光的调制为波长调制，则所述激励激光的调制频率为所述音叉共振频率的一半；s3中，所述谐波信号为二次谐波信号；
6、s1中，若激励激光的调制为强度调制，则所述激励激光的调制频率与所述音叉共振频率一致；s3中，所述谐波信号为一次谐波信号。
7、进一步地，若激励激光的调制为波长调制，还包括：
8、在同一气体浓度下，对所述激励激光的调制深度进行扫描，当所述二次谐波信号的幅值最大时，得到所述激励激光的最佳调制深度；采用所述最佳调制深度对所述激励激光进行调制。
9、进一步地，还包括：
10、在同一气体浓度下，改变所述激励激光的激励位置，当所述谐波信号的幅值最大时，得到所述激励激光的最佳激励位置；采用所述最佳激励位置对所述音叉进行激励。
11、按照本专利技术的第二方面，提供了一种音叉式光纤光声光谱检测装置，其特征在于，用于执行第一方面任意一项所述的光谱检测方法，所述光谱检测装置包括：音叉、第一探测光纤、第二探测光纤、激励激光调制模块及光纤干涉探测模块；
12、所述音叉设置在待测气体环境中，所述第一探测光纤的一个端面与所述音叉的一个振臂外表面构成第一法布里珀罗腔，所述第二探测光纤的一个端面与所述音叉的另一个振臂外表面构成第二法布里珀罗腔；
13、所述激励激光调制模块用于将激励激光调制后，入射至所述音叉两振臂间隙，待测气体吸收调制后的激励激光，产生光声信号；所述光声信号推动所述音叉两振臂产生机械振动，使两个法布里珀罗腔的腔长变化；其中，两个法布里珀罗腔为所述第一法布里珀罗腔和所述第二法布里珀罗腔；
14、所述光纤干涉探测模块用于分别从第一探测光纤和第二探测光纤的另一端面探测两个法布里珀罗腔腔长变化时对应的反射干涉光谱的变化量，将得到的两个反射干涉光谱的变化量相加后，提取相加后的变化量的谐波信号，通过所述谐波信号的幅值大小反演出待测气体的浓度信息；其中，所述反射干涉光谱的变化量为强度变化量或相位变化量。
15、进一步地，还包括固定结构；所述固定结构包括外壳、第一陶瓷插芯及第二陶瓷插芯；
16、所述外壳与所述音叉一体化设计；所述外壳上设有通孔，所述通孔的中心分别对准所述音叉两振臂；所述第一陶瓷插芯及第二陶瓷插芯分别穿过所述通孔固定在所述外壳上；
17、所述第一探测光纤的一端穿过所述第一陶瓷插芯与所述音叉的一个振臂外表面构成第一法布里珀罗腔，另一端连接所述光纤干涉探测模块；
18、所述第二探测光纤的一端穿过所述第二陶瓷插芯与所述音叉的另一个振臂外表面构成第二法布里珀罗腔，另一端连接所述光纤干涉探测模块。
19、进一步地，所述固定结构还包括通过所述通孔固定在所述外壳上的第一陶瓷套管和第二陶瓷套管；
20、所述第一陶瓷插芯插入在所述第一陶瓷套管中，所述第二陶瓷插芯插入在所述第二陶瓷套管中。
21、进一步地，所述通孔的中心对准所述音叉两振臂的顶端。
22、进一步地，所述音叉的材料为金属，采用机械加工制作。
23、进一步地，还包括用于将所述调制后的激励激光进行准直的准直器。
24、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
25、(1)本专利技术的音叉式光纤光声光谱检测方法，通过第一探测光纤和第二探测光纤分别与音叉的两个振臂外表面构成两个法布里珀罗腔，由于光声信号在音叉振臂中间产生，从而推动音叉两个振臂反向振动，使两个法布里珀罗腔的腔长发生变化，产生相同的变化量；而外界与音叉共振频率一致的噪声使音叉两个振臂同向振动，使两个法布里珀罗腔腔长的变化一个变大一个变小；此时，再探测两个法布里珀罗腔的腔长变化时对应的反射干涉光谱的强度变化量或相位变化量，对变化量进行相加运算，如此，仅用单个音叉就可以得到倍增的谐波信号，根据该倍增的谐波信号进行待测气体检测时，能够提升检测的灵敏度，并可以抑制检测环境中的噪声干扰，提升检测的准确度。
26、同时，本专利技术将音叉作为光声换能器，采用光纤法布里珀罗干涉来测量音叉的振动，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种音叉式光纤光声光谱检测方法，其特征在于，包括音叉、第一探测光纤和第二探测光纤，所述音叉设置在待测气体环境中，所述第一探测光纤的一个端面与所述音叉的一个振臂外表面构成第一法布里珀罗腔，所述第二探测光纤的一个端面与所述音叉的另一个振臂外表面构成第二法布里珀罗腔；所述光声光谱检测方法包括：
2.根据权利要求1所述的光谱检测方法，其特征在于，S1中，若激励激光的调制为波长调制，则所述激励激光的调制频率为所述音叉共振频率的一半；S3中，所述谐波信号为二次谐波信号；
3.根据权利要求2所述的光声光谱检测方法，其特征在于，若激励激光的调制为波长调制，还包括：
4.根据权利要求1或2所述的光声光谱检测方法，其特征在于，还包括：
5.一种音叉式光纤光声光谱检测装置，其特征在于，用于执行权利要求1-4任意一项所述的光声光谱检测方法，所述光声光谱检测装置包括：音叉、第一探测光纤、第二探测光纤、激励激光调制模块及光纤干涉探测模块；
6.根据权利要求5所述的光声光谱检测装置，其特征在于，还包括固定结构；所述固定结构包括外壳、第一陶瓷插芯及
7.根据权利要求6所述的光声光谱检测装置，其特征在于，所述固定结构还包括通过所述通孔固定在所述外壳上的第一陶瓷套管和第二陶瓷套管；
8.根据权利要求6或7所述的光声光谱检测装置，其特征在于，所述通孔的中心对准所述音叉两振臂的顶端。
9.根据权利要求5所述的光声光谱检测装置，其特征在于，所述音叉的材料为金属，采用机械加工制作。
10.根据权利要求5所述的光声光谱检测装置，其特征在于，还包括用于将所述调制后的激励激光进行准直的准直器。
...【技术特征摘要】
1.一种音叉式光纤光声光谱检测方法，其特征在于，包括音叉、第一探测光纤和第二探测光纤，所述音叉设置在待测气体环境中，所述第一探测光纤的一个端面与所述音叉的一个振臂外表面构成第一法布里珀罗腔，所述第二探测光纤的一个端面与所述音叉的另一个振臂外表面构成第二法布里珀罗腔；所述光声光谱检测方法包括：
2.根据权利要求1所述的光谱检测方法，其特征在于，s1中，若激励激光的调制为波长调制，则所述激励激光的调制频率为所述音叉共振频率的一半；s3中，所述谐波信号为二次谐波信号；
3.根据权利要求2所述的光声光谱检测方法，其特征在于，若激励激光的调制为波长调制，还包括：
4.根据权利要求1或2所述的光声光谱检测方法，其特征在于，还包括：
5.一种音叉式光纤光声光谱检测装置，其特征在于，用于执行权利要求1-4...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲁平，潘宇峰，司马朝坦，张江山，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。