一种提高光声光谱检测灵敏度的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种提高光声光谱检测灵敏度的装置及方法。
【背景技术】
[0002]光声光谱技术(photoacoustic spectroscopy)是一种基于光声效应发展起来的光谱技术。光声光谱测量的是物体吸收光能的大小，可以测量传统光谱方法难以测量的光散射强和不透明物体，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，具有灵敏度高、适用范围广等优点。在物理、化学、化工、地质学、生物，医学等方面有广泛的应用前景。
[0003]在石英增强光声光谱技术中，需要对石英音叉振幅进行测量，由于石英音叉的振动，除了受到调制激光影响外，还受到外界干扰影响，其中调制频率与石英音叉谐振频率一致的调制激光激励起石英音叉的对称振动，外界干扰引起石英音叉的非对称振动，现有光学检测方法只对石英音叉一个臂的振动进行检测，当石英音叉受到外界干扰发生振动时，只检测石英音叉的一个臂不能区分有效信号和干扰信号，会对后续光声光谱检测造成影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种提高光声光谱检测灵敏度的装置及方法，本发明装置结构设计合理，能够解决石英音叉受到外界干扰产生信号的抑制问题；通过本发明的方法，可以在信号采集之初对外界干扰引起的信号进行抑制，提高系统信噪比和灵敏度。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0006]一种提高光声光谱检测灵敏度的装置，包括计算机、可调谐激光器、信号源及信号放大采集单元，计算机与可调谐激光器相连；在可调谐激光器发出激光的光路上设置石英音叉，待测物质放置在光强调制仪和石英音叉之间；计算机的输出端与信号源的输入端相连，信号源的输出端与光强调制仪相连；
[0007]在石英音叉两个叉臂的侧下方对称设置第一激光器和第二激光器，在两个叉臂的侧上方对称设置第一位敏探测器和第二位敏探测器，第一激光器和第二激光器发出的激光经石英音叉两个叉臂反射后分别照射到第一位敏探测器和第二位敏探测器上；
[0008]第一位敏探测器和第二位敏探测器分别与信号放大采集单元的输入端相连，信号放大采集单元的输出端与计算机的输入端相连。
[0009]本发明还公开了一种提高光声光谱检测灵敏度的方法，基于本发明公开的装置，包括以下步骤:
[0010]I)计算机通过控制信号源向光强调制仪提供信号，光强调制仪根据该信号将可调谐激光器发出的激光光强调制到相应频率；
[0011]2)经调制的激光照射到待测物质上，经待测物质吸收后的激光照射到石英音叉上，激励双臂石英音叉振动；
[0012]3)第一激光器和第二激光器分别发出两束激光照射在石英音叉的两个叉臂上，经两个叉臂反射后的激光分别照射到第一探位敏测器和第二位敏探测器上，通过对第一位敏探测器和第二位敏探测器探测到的信号进行处理，抑制石英音叉受到干扰所产生的信号。
[0013]正常情况下，石英音叉在激光激励下发生对称振动，在第一位敏探测器和第二位敏探测器上产生同向信号。
[0014]当石英音叉受到外界干扰信号时，发生非对称振动，在第一位敏探测器和第二位敏探测器之间产生反向信号，对第一位敏探测器和第二位敏探测器的信号进行相加运算，对石英音叉受到的外界干扰信号进行抑制。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0016]本发明公开的提高光声光谱检测灵敏度的装置，在可调谐激光器出射的激光光路上放置有光强调制仪，通过光强调制仪对激光进行调制，调制后的激光照射到被测物质上，经过被测物质吸收后的激光照射到石英音叉上激励起石英音叉发生振动，第一激光器和第二激光器发出的激光照射到石英音叉的两个叉臂上后，经过反射照射到用于探测激光光斑位置的第一位敏探测器和第二位敏探测器上。本发明通过对称布置的激光器和位敏探测器对石英音叉振动进行检测，通过对位敏探测器信号进行运算，就可以消除由于外界干扰引起的石英音叉的非对称振动引起的干扰信号。
[0017]本发明公开的提高光声光谱检测灵敏度的方法，在调制激光激励下，石英音叉发生对称共振，使用两束激光对称布置检测石英音叉振动，使用光学方法检测石英音叉振动，通过两个探测激光器和两个位敏探测器组成检测系统，利用光学方法检测石英音叉振动。由于两个位敏探测器对称布置，当石英音叉受到外界干扰信号发生非对称振动的时候，则在两个探测器引起反向信号，通过对两个探测器信号进行运算，就可以对外界干扰引起的石英音叉非对称振动进行抑制，可以在信号采集初始就对外界干扰引起的信号进行抑制，从而提高系统信噪比和探测灵敏度。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的提高光声光谱检测灵敏度的装置结构示意图；
[0019]图2为双臂石英音叉发生对称共振时的示意图；
[0020]图3为双臂石英音叉发生非对称共振时的示意图。
[0021]其中，I为计算机；2为可调谐激光器；3为光强调制仪；4为信号源；5为待测物质；6为信号放大采集单元；7为石英音叉；8为第一激光器；9为第二激光器；10为第一探测器；11为第二探测器。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0023]如图1所示，包括计算机1、可调谐激光器2、光强调制仪3、信号源4、待测物质5、信号放大采集单元6、石英音叉7、第一激光器8、第二激光器9、第一探位敏测器10和第二位敏探测器11。计算机I与可调谐激光器2相连，计算机I通过电缆对信号源4进行控制，信号源4信号输出端与光强调制仪3信号输入端相连，经过光强调制仪3调制的激光经过待测物质5，经过待测物质5吸收后的激光照射到石英音叉上7激励起石英音叉振动，第一激光器8和第二激光器9分别发出两束激光照射到石英音叉的两个叉臂上，经过两个叉臂反射的激光分别照射到第一位敏探测器10和第二位敏探测器11上。第一位敏探测器10和第二位敏探测器11分别与信号放大采集单元6的输入端相连，信号放大采集单元6的输出端与计算机I的输入端相连。
[0024]本发明还公布了光声光谱检测中使用光学方法抑制干扰及提高系统灵敏度的方法，包括以下步骤:
[0025]I)计算机通过控制信号源向光强调制仪提供信号，光强调制仪根据该信号将可调谐激光器发出的激光光强调制到相应频率；
[0026]2)经调制的激光照射到待测物质上，经待测物质吸收后的激光照射到石英音叉上，激励双臂石英音叉振动；
[0027]3)第一激光器和第二激光器分别发出两束激光照射在石英音叉的两个叉臂上，经两个叉臂反射后的激光分别照射到第一探位敏测器和第二位敏探测器上，通过对第一位敏探测器和第二位敏探测器探测到的信号进行处理，抑制石英音叉受到干扰所产生的信号。
[0028]在调制激光激励下，石英音叉发生对称共振，使用两束激光对称布置检测石英音叉振动。使用光学方法检测石英音叉振动，通过两个探测激光器和两个位敏探测器组成检测系统，利用光学方法检测石英音叉振动。由于两个位敏探测器对称布置，当石英音叉受到外界干扰信号发生非对称振动的时候，则在两个探测器引起反向信号，通过对两个探测器信号进行运算，就可以对外界干扰引起的石英音叉非对称振动进行抑制，并增加探测的灵敏度。
[0029]正常情况下，经过被测物质5后的调制激光照射到石英音叉7后激励石英音叉7发生对称振动，经过石英音叉7反射后的反射光照射到用于探测激光光斑位置的第一光敏探测器10和第二光敏探测器11上，石英音叉7的对称振动在探测器上引起同向信号，参见图2。当受到外界干扰时，石英音叉7发生非对称振动，石英音叉7的非对称振动在位敏探测器上引起反向信号，参见图3。通过对两个位敏探测器信号进行相加等运算，就可以抑制由于石英音叉非对称振动引起的信号。
【主权项】
1.一种提高光声光谱检测灵敏度的装置，其特征在于，包括计算机(I)、可调谐激光器(2)、信号源(4)及信号放大采集单元￠)，计算机(I)与可调谐激光器(2)相连；在可调谐激光器(2)发出激光的光路上设置石英音叉(7)，待测物质(5)放置在光强调制仪(3)和石英音叉(7)之间；计算机(I)的输出端与信号源(4)的输入端相连，信号源(4)的输出端与光强调制仪(3)相连； 在石英音叉(7)两个叉臂的侧下方对称设置第一激光器(8)和第二激光器(9)，在两个叉臂的侧上方对称设置第一位敏探测器(10)和第二位敏探测器(11)，第一激光器(8)和第二激光器(9)发出的激光经石英音叉(7)两个叉臂反射后分别照射到第一位敏探测器(10)和第二位敏探测器(11)上； 第一位敏探测器(10)和第二位敏探测器(11)分别与信号放大采集单元(6)的输入端相连，信号放大采集单元出)的输出端与计算机(I)的输入端相连。2.一种提高光声光谱检测灵敏度的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的装置，包括以下步骤: 1)计算机通过控制信号源向光强调制仪提供信号，光强调制仪根据该信号将可调谐激光器发出的激光光强调制到相应频率； 2)经调制的激光照射到待测物质上，经待测物质吸收后的激光照射到石英音叉上，激励双臂石英音叉振动； 3)第一激光器和第二激光器分别发出两束激光照射在石英音叉的两个叉臂上，经两个叉臂反射后的激光分别照射到第一探位敏测器和第二位敏探测器上，通过对第一位敏探测器和第二位敏探测器探测到的信号进行处理，抑制石英音叉受到干扰所产生的信号。3.根据权利要求2所述的一种提高光声光谱检测灵敏度的方法，其特征在于，正常情况下，石英音叉在激光激励下发生对称振动，在第一位敏探测器和第二位敏探测器上产生同向信号。4.根据权利要求2所述的一种提高光声光谱检测灵敏度的方法，其特征在于，当石英音叉受到外界干扰信号时，发生非对称振动，在第一位敏探测器和第二位敏探测器之间产生反向信号，对第一位敏探测器和第二位敏探测器的信号进行相加运算，对石英音叉受到的外界干扰信号进行抑制。
【专利摘要】本发明公开了一种提高光声光谱检测灵敏度的装置及方法，属于光电检测技术领域。本发明在可调谐激光器出射的激光光路上放置有光强调制仪，通过光强调制仪对激光进行调制，调制后的激光照射到被测物质上，经过被测物质吸收后的激光照射到石英音叉上激励起石英音叉发生振动，第一激光器和第二激光器发出的激光照射到石英音叉的两个叉臂上后，经过反射照射到用于探测激光光斑位置的第一位敏探测器和第二位敏探测器上。本发明通过对称布置的激光器和位敏探测器对石英音叉振动进行检测，通过对位敏探测器信号进行运算，就可以消除由于外界干扰引起的石英音叉的非对称振动引起的干扰信号。
【IPC分类】G01N21/17, G01N21/39
【公开号】CN104914050
【申请号】CN201510296477
【发明人】贾书海, 马斌山, 张周强, 陈花玲
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年6月2日