一种光声传感装置及方法

本发明涉及光声光谱测量技术，具体涉及一种光声传感装置及方法。

背景技术：

基于激光吸收光谱的痕量气体光学传感技术由于具有选择性高、灵敏度高、无需任何样品制备即可在线实时监测等独特优势，已被广泛应用于大气监测、医疗诊断、工业过程控制等多个领域。几种基于激光吸收光谱的方法，如可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)，腔增强吸收光谱(ceas)，石英增强光声光谱(石英增强光声光谱)等，已被发展用于痕量气体检测，从而奠定了具有稳健性和可靠性的气体传感器的出现。在这些气体检测技术中，石英增强光声光谱是极具吸引力的一种技术，由于石英增强光声光谱传感系统通常使用高q因子、低成本的石英音叉作为声探测器，使得石英增强光声光谱气体传感器具有成本效益高、灵敏度高和占用空间小的特点，这些特点是当今气体传感器发展的主流趋势。

在石英增强光声光谱中，一束调制的激励光束被聚焦在石英音叉振臂间隙，并与其周围的目标气体相互作用时产生一个声波，激发了石英音叉振臂面内反对称振动。因此，石英音叉可以被视为一个声四极结构，使其免疫外部环境声音。实际上，这个圆柱对称的声波不仅是在石英音叉振臂间隙之间产生的，也会沿着激光传输路径产生。然而在传统石英增强光声光谱传感系统中，使用的石英音叉厚度通常只有0.4mm，这导致只有在石英音叉厚度范围内的声源发出的声波才能被有效地采集到。如果能采集到更多的沿着光束路径产生的声波，则石英增强光声光谱信号将得到显著的改善。

然而石英音叉的几何设计和制造工艺限制了其厚度的改进。另一种方法是将激励光束折叠，使得激励光束能够反复通过石英音叉，从而在其缝隙间产生多个声源。这些声源发出的所有声波共同驱动两个石英音叉振臂振动，从而增强信号幅度。2017年，两个声源的石英增强光声光谱气体传感系统被研究，其中激励光束借助平面反射镜和光环形器两次通过石英音叉振臂间隙，在其振臂间隙产生两个点声源，并且在第一个泛音共振模式下成功激发了石英音叉的两个共振波腹，最终导致信号的增益系数达到3。然而，在这套系统中两个波腹上的激励光束相位必须满足特定的相位关系，因此，该系统需要额外的相位控制部件，从而导致设备更加复杂。

事实上，由两个高反射率球面或非球面镜组成的多通池是增加光束反射次数的有力工具。但一个很大的挑战是如何让多通池内被折叠多次的激励光束都分布在一个平面上，这样被多次折叠的激励光束就可以通过石英音叉的振臂间隙，从而在其缝隙间产生多个声源。这些声源发出的所有声波共同驱动两个石英音叉振臂振动，从而大大增强信号幅度。

技术实现要素：

针对现有技术中不足，本发明的目的在于提供一种光声传感装置及方法，本发明是通过将激励光束多次折叠穿过石英音叉振臂间隙，设计具有单线型分布密集光斑图案特点的多通池并使用与之配套的振臂间隙较大的石英音叉，实现对音叉振臂长度范围内全声场的高效探测，提高系统对光声信号的探测性能。从而解决由于传统石英增强光声光谱气体传感系统仅有一个声源导致的石英音叉振臂内声场探测效率低，从而导致光声信号弱的技术难题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种光声传感探测装置，包括光源模块、多通池、光声信号探测及数据处理模块，所述光源模块包括激励光源、激光控制电路板和光纤准直器，所述多通池包括反射镜ⅰ、反射镜ⅱ和笼式结构，所述笼式结构包括两个相互平行的笼板和多个笼杆，所述反射镜ⅰ、反射镜ⅱ分别固定在两个笼板上，且两个笼板可沿多个笼杆滑动以调整反射镜ⅰ和反射镜ⅱ的间距，在反射镜ⅰ或反射镜ⅱ的镜面上设置入射孔；所述光声信号探测及数据处理模块包括石英音叉、跨阻抗前置放大器、锁相放大器和计算机；所述的石英音叉设置在多通池的光轴中心位置，所述多通池的光轴是反射镜ⅰ和反射镜ⅱ镜面中心的连线；所述激光控制电路板分别与激励光源和锁相放大器连接；所述计算机与激光控制电路板和锁相放大器通过同轴电缆连接；所述计算机通过控制激光控制电路板去驱动激励光源的驱动电流和温度，对激励光源输出的波数进行扫描和调制；所述激励光源输出的激励光束经过光纤准直器准直后经入射孔耦合至多通池内，所述激励光源在多通池内经反射镜ⅰ和反射镜ⅱ多次反射后，使激励光束被多次折叠，同时被折叠多次的激励光束轨迹分布在石英音叉的振臂间隙内的同一平面上，并在反射镜ⅰ和反射镜ⅱ上产生单线分布的光斑图案；所述跨阻抗前置放大器的两个信号端分别与石英音叉两个引脚相连，将石英音叉产生的压电信号转为电信号并进行放大；所述锁相放大器与激光控制电路板连接；所述锁相放大器的信号输入端与跨阻抗前置放大器的信号输出端相连；所述的锁相放大器的输出端与计算机连接将电信号解调后传输给计算机。

进一步地，所述多通池的反射镜ⅰ和反射镜ⅱ均为球面反射镜，两个球面反射镜是完全相同的凹面反射镜。

再进一步地，在所述多通池中被多次折叠的激励光束轨迹分布在石英音叉的振臂间隙内的同一平面上，并在反射镜ⅰ和反射镜ⅱ上产生单线分布的光斑图案，是通过如下方法实现的：

f1、确定入射激励光束的位置和角度均在z轴和y轴上有分量，所述z轴为多通池光轴，所述y轴垂直于多通池光轴；

f2、确定反射镜ⅰ和反射镜ⅱ的镜面间离为2l，球面反射镜的焦距为f，以及激励光束通过入射孔最初入射到反射镜ⅱ或反射镜ⅰ上的入射位置和角度是(y0,y’0)；所述入射孔的位置随着入射的激励光束的位置而改变。

f3、通过迭代运算，得到每次通过多通池中心的激励光束参数，所述激励光束参数包括光束在两个球面反射镜之间的石英音叉所在的x-y平面的二维坐标(0,yn)，激励光束倾斜角(0,y’n)，n表示激励光束通过多通池中心位置的次数；将激励光束在石英音叉所在的平面所产生的光斑全部投影到x-y平面上，观察光斑图案；由于石英音叉振臂长度d有限，因此在多通池中心的平面处形成的线形光斑图案最大长度应小于或等于d；

f4、通过改变反射镜ⅰ和反射镜ⅱ的镜面间离、球面反射镜的焦距f、激励光束初始入射点、入射方向或者迭代次数，重复步骤f1-f3，直至得到在多通池中心的平面处形成的线形光斑图案最大长度小于或等于石英音叉振臂长度d，此时获得的多通池参数可使多次折叠的激励光束在反射镜ⅰ和反射镜ⅱ上产生单线分布的光斑图案。改变激励光束初始入射点是通过改变入射孔的位置

更进一步地，所述步骤f3和f4中的迭代运算的迭代公式为：

yn＝a·yn-1+y'n-1·l(1+a)；y'n＝a-1/l·yn-1+a·y'n-1,(1)

在此迭代运算中，令a＝1-l/f，n≥2，并且n是正整数；当n＝1时，y1＝y0+y0’·l，y’1＝y0’；

并且在多通池中心平面即石英音叉所在的平面上的光斑投影的y轴坐标的最大值ym[max]与最小值yn[min]之差需满足关系：ym[max]-yn[min]≤d，其中m和n是任意正整数。

更进一步地，所述石英音叉振臂间隙大于激励光束在音叉振臂所在平面的光斑直径，以保证由多通池产生的多个折叠光束能够完全通过所述的石英音叉振臂间隙。

本发明的核心技术是一种光声传感装置及方法，是采用一个多通池和一个石英音叉组成，设计并使用该多通池的目的是实现激励光束折叠且光束轨迹分布在一个平面上。该多通池是基于球面镜球差原理设计的，由两个球面反射镜(反射镜ⅰ、反射镜ⅱ)组成，所述多通池在两个球面反射镜镜面上产生单线分布的光斑图案，这意味着两个镜面之间的被折叠多次的激光束的轨迹都落在一个平面上。在多通池的光轴中心位置设置一个石英音叉，该石英音叉振臂间隙尺寸较大，利于激励光束多次通过石英音叉的振臂间隙，沿着石英音叉对称轴产生多个声源。从而使工作在基频振动模式的石英音叉可同时受到多个声源的激励，有效收集更多的声波，增强光声信号输出。

本发明所述的激光控制电路板、锁相放大器等均为现有产品，有多种型号可供选择使用。

利用本发明的光声传感装置进行气体浓度检测的方法，包括以下步骤：

s1、首先调整入射激励光束的光斑直径、入射角度和位置、反射镜ⅰ和反射镜ⅱ的曲率半径、尺寸、镜面间距，以保证折叠多次的激励光束分布在石英音叉振臂间隙内的同一平面上，并在反射镜ⅰ和反射镜ⅱ上产生单线分布的光斑图案；通过调整所述的多通池与石英音叉耦合深度，确定所述装置的最优工作状态；

s2、激励光源输出的对应目标气体的吸收线由计算机生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制，激励光源的调制频率为石英音叉的共振频率f0的一半，从而使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波信号，声波周期性膨胀、收缩，导致音叉振臂被感应，从而产生压电信号；

s3、跨阻抗前置放大器对石英音叉产生的压电信号进行放大并转变为电信号传输到锁相放大器；

s4、锁相放大器以激励光源调制频率的二倍频率对所述电信号进行解调，获得目标气体的2f光谱；

s5、所述的2f光谱的信号峰值与目标气体的浓度成正比，在计算机上通过数学计算获得目标气体的浓度。

再进一步地，所述的光声传感装置对实际气体浓度检测的方法中，可根据探测目标气体的种类而选择与之对应的目标气体吸收线作为激励光源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明与基于传统的石英增强光声光谱技术的传感装置相比，利用多通池将激励光束折叠在一个平面内能够使得石英音叉振臂间隙内所有点声源被充分响应，解决了传统石英增强光声光谱技术由于激励光通过石英振臂间隙次数少导致音叉振臂感声面积利用效率低的问题，从而探测的信号被提高。

2、本发明从实验和理论角度验证了经过具有单线型分布光斑图案的多通池折叠激励光束能够有效提高光声传感装置的性能，为基于石英增强光声谱技术的气体探测装置的性能优化提供了全新的思路和方法。

3、本发明可根据探测目标气体的种类而选择与之对应的目标气体吸收线作为激励光源，实现多种气体探测；并且无需考虑led光源、量子级联激光器光源等光束光斑大小，由于本发明的多通池采用双球面镜结构可将光束进行会聚，使得激励光束在多通池的内部反射多次不会发散，在多通池光轴中心位置处对应的光束直径小于石英音叉的振臂间隙，保证反射多次的激励光束不会与石英音叉振臂触碰，有效避免光热噪声。这种光声传感装置具有极强的普适性，完全可用于医疗诊断、环境监测、工业生产控制等领域的气体监测。

附图说明

图1是本发明多通池产生的光斑图案分布图。其中，图(a)是多通池理论模型产生的单线光斑图，此图表示实施例中反射镜ⅰ镜面上的光斑投影，黑点表示激励光束入射和出射的重合位置；图(b)是利用tracepro验证反射镜ⅰ镜面上的单线光斑图，光斑大小代表辐照度。

图2是在笛卡尔坐标系的y-z平面中，两个相同的球面反射镜之间的光束传输示意图；

图3是本发明光声传感装置结构示意图。

图4是本发明多通池中所用笼式结构的示意图。

图5是本发明实施例对光声传感装置中多通池和石英音叉的垂直耦合距离进行优化，保证光声传感的装置具有最优耦合位置，使得此时探测的信号最强。

图6是本发明的基于光声光谱技术的光声传感装置与传统单声源石英增强光声光谱传感系统的装置对空气中水汽探测结果的示意图。

图7是本发明的光声传感装置探测结果的理论分析示意图。

图中，1-反射镜ⅰ、2-反射镜ⅱ、3-石英音叉、4-光纤准直器、5-激励光源、6-激光控制电路板、7-跨阻抗前置放大器、8-锁相放大器、9-计算机、10-笼板、11-笼杆。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明的多通池是采用球差理论所设计的，该多通池有两个球面反射镜(反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2)组成，如图2和4所示；通过一个笼式结构将两个球面反射镜分别固定在笼板10上，该笼式结构如图4所示。所述多通池的设计应遵循以下规则：1)被折叠多次的激励光束必须分布在一个平面上以保证可通过石英音叉3的振臂间隙；2)由于石英音叉3的振臂长度有限，多通池的球面反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的镜面上所有光斑应该集中在很短的线段上；3)需增加更多的激励光束的反射次数，从而增加在石英音叉3振臂间隙内的声源数量；4)允许光斑重叠，由于光斑重叠可增加声源的辐射强度。

本发明研究的是单线光斑图案的多通池模型及光斑分布特征，故仅需要对y-z平面中，两个相同的球面反射镜ⅰ1和球面反射镜ⅱ2之间的光束轨迹进行分析，如图2所示。图中，反射镜ⅰ1上设有入射孔，激励光束由入射孔耦合至多通池。为了得到最优单线光斑图案的多通池，采用如下方法进行多通池的结构优化：

f1、确定入射激励光束的位置和角度均在z轴和y轴上有分量，所述z轴为多通池光轴，所述y轴垂直于多通池光轴；

f2、确定反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的镜面间距2l，球面反射镜的焦距f，以及激励光束通过入射孔最初入射到反射镜ⅰ1上的入射位置和角度是(y0,y’0)；

f3、通过迭代运算，得到每次通过多通池中心的激励光束参数，所述激励光束参数包括光束在两个球面反射镜之间的石英音叉3所在的x-y平面的二维坐标(0,yn)，激励光束倾斜角(0,y’n)，n表示激励光束通过多通池中心位置的次数；将激励光束在石英音叉3所在平面所产生的光斑全部投影到x-y平面上，观察光斑图案；

f4、通过改变反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的镜面间离、球面反射镜的焦距f、激励光束初始入射点、入射方向或者迭代次数，重复步骤f1-f3，直至得到在多通池中心的平面处形成的线形光斑图案最大长度小于或等于石英音叉3振臂长度d，此时获得的多通池参数可使多次折叠的激励光束在反射镜ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)上产生单线分布的光斑图案。

所述步骤f3和f4中的迭代运算执行如下迭代公式(1)：

yn＝a·yn-1+y'n-1·l(1+a)；y'n＝a-1/l·yn-1+a·y'n-1,(1)

其中n≥2，n表示激励光束通过多通池中心位置的次数，并且n是正整数；a＝1-l/f，l是球面反射镜ⅰ1和球面反射镜ⅱ2间距的一半，也就是两个反射镜分别与多通池中心的间距；f是球面反射镜的焦距；yn和y’n分别是激励光束在两个球面反射镜之间的石英音叉3所在平面的y轴坐标和光线倾斜角；当n＝1时，y1＝y0+y0’·l，y’1＝y0’，y0和y’0分别是激励光束最初入射到球面反射镜ⅰ的入射位置和入射角度。

通过上述的迭代运算，可得到每次通过多通池中心的激励光束参数。由于石英音叉振臂长度d有限，因此在多通池中心的平面处形成的线形光斑图案最大长度应小于或等于d，也就是在多通池中心平面即石英音叉3所在平面上的光斑投影的y轴坐标的最大值ym[max]与最小值yn[min]之差需满足关系：ym[max]-yn[min]≤d，其中m和n是任意正整数。

经过大量的数值模拟和筛选，获得一套可靠的具有单线光斑图案的多通池模型，本实施例设计的多通池尺寸如下：

反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的尺寸需固定在10mm，曲率半径固定在100mm，入射激励光束直径设为0.6mm。当反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2间距为36.6mm，初始激励光束入射位置和入射角度分别为(0.8mm，～5°)时，最优单线光斑图案被获得，如图1(a)所示。利用tracepro对所设计的单线光斑图案的多通池进行验证。通过将这些决定多通池产生所述的光斑图案的参数输入到光学仿真软件tracepro中，单线光斑图案被重现，验证了设计结果的真实性，如图1(b)所示。虽然光斑重叠通常会导致tdlas中的标准具噪声，但在本发明的光声传感装置中，这种噪声并不会对其产生影响，由于石英增强光声光谱作为一种零背景噪声技术并不能拾取标准具噪声，它检测的是声信号而不是光强信号。图1中的单线光斑图案可以提供60次光束传输次数，这意味着设计的多通池可在石英音叉3的振臂间隙内提供60个点声源，且在x-y平面上的光斑图案的投影面积小于～8mm²。

如图1-4所示，一种光声传感装置包括包括光源模块、多通池、光声信号探测及数据处理模块，所述光源模块包括激励光源5、激光控制电路板6和光纤准直器4，所述多通池包括反射镜ⅰ1、反射镜ⅱ2和笼式结构，所述笼式结构包括两个相互平行的笼板10和多个笼杆11，所述反射镜ⅰ1、反射镜ⅱ2分别固定在两个笼板10上，且两个笼板10可沿多个笼杆11滑动以调整反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的间距，在反射镜ⅰ1镜面上设置入射孔；所述光声信号探测及数据处理模块包括石英音叉3、跨阻抗前置放大器7、锁相放大器9和计算机9；所述的石英音叉3设置在多通池的光轴中心位置，所述多通池的光轴是反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2镜面中心的连线；所述激光控制电路板6分别与激励光源5和锁相放大器8连接；所述计算机9与激光控制电路板6和锁相放大器8通过同轴电缆连接；所述计算机9通过控制激光控制电路板6去驱动激励光源5的驱动电流和温度，对激励光源输出的波数进行扫描和调制；所述激励光源5输出的激励光束经过光纤准直器4准直后经入射孔耦合至多通池内，所述激励光源5在多通池内经反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2多次反射后，使激励光束被多次折叠，同时被多次折叠的激励光束轨迹分布在石英音叉3的振臂间隙内的同一平面上，并在反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2上产生单线分布的光斑图案；所述跨阻抗前置放大器7的两个信号端分别与石英音叉3两个引脚相连，将石英音叉3产生的压电信号转为电信号并进行放大；所述锁相放大器8与激光控制电路板6连接；所述锁相放大器8的信号输入端与跨阻抗前置放大器7的信号输出端相连；所述的锁相放大器8的输出端与计算机连接将电信号解调后传输给计算机9。

其中，本实施例的激励光源5是波长为1.395m，输出功率为16mw的连续波(cw)光纤耦合分布反馈(dfb)激光器。使用的激光器控制电路板6通过计算机9上的labview软件控制激光器的驱动电流和温度，为激光器的稳定运行提供保障；激励光源5输出的对应目标气体的吸收线由计算机9labview软件生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制，激励光源5的调制频率被设置为石英音叉3的共振频率f0的一半，从而使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波信号。

其中，本实施例的多通池为上述经过验证的具有最优单线光斑图案的多通池，反射镜ⅰ1、反射镜ⅱ2的直径为10mm，曲率半径为100mm，反射镜ⅰ1、反射镜ⅱ2分别通过顶丝被固定在两个笼板10上，沿着笼杆11滑动笼板10，使得镜面间距固定在36.6mm。入射激励光束经过束腰直径为600μm的光纤准直器4后，输出光束直径约～0.6mm。而后通过三维线性位移台和角度位移台对激励光源5输出的激励光束入射位置和角度进行调整，入射位置距离反射镜ⅰ1镜面中心为0.8mm，入射角度为5°，此时可获得设计光斑图案，在x-y平面上的光斑图案的投影面积小于～8mm²。本实施例设计的单线光斑图案可以提供60次光束传输次数，由于设计的光斑图案在光束经过59次反射后，可发生自再现模式，因此，在所述的多通池中，激励光束经过59次反射后，从反射镜ⅰ1上的入射孔逃出多通池。

其中，所述石英音叉3的振臂长度和间距分别为10mm和800μm。振臂间隙(800μm)大于激励光束在石英音叉振臂所在平面的光斑直径(600μm)，这样的振臂间距和振臂长度可确保所述的多通池中的被多次折叠的激励光束的轨迹都落在石英音叉3的振臂间隙内并且与其无接触，因此不会产生光热噪声。

所述的石英音叉3被放置在多通池的光轴中心位置，正如图2所示。在石英音叉3所在的x-y平面上的光斑的投影面积小于～8mm²，可以保证石英音叉3和多通池之间有很好的耦合效率。所述的跨阻抗前置放大器7的两个信号端分别与石英音叉3的两个引脚相连，将声信号转为电信号输出后再进行放大。所述锁相放大器8的信号输入端与跨阻抗前置放大器7的信号输出端相连。锁相放大器8相对于同步信号以2f模式解调信号，2f光谱的解调信号被传送到计算机9进行分析和显示。由于目标气体的浓度与其2f光谱的信号峰值成正比，因此可通过数学计算获得目标气体的浓度。

下面通过在常压和室温下检测固定浓度的水蒸气，优化本发明的光声传感装置性能。选定的h2o目标吸收线位于7181cm^-1。由于石英增强光声光谱信号在很大程度上取决于激光聚焦点在石英音叉轴的位置，因此必须根据输出信号优化石英音叉3进入所述的多通池的耦合深度。通过使用步长为1μm的三维线性位移台将多通池沿着石英音叉3对称轴顶部(a点)移动到底部(b点)，如图5所示。这个光声传感装置的信号幅值与多通池垂直耦合深度的函数关系被绘制在图5中。当多通池的耦合深度约为9mm时，信号幅值可达到最大。

在所述多通池和石英音叉3最佳耦合距离为9mm时，评估了本发明的光声传感装置的信号增益因子。测量8500ppm的h2o/n2的2f信号峰值为2.14mv，如图6所示。为了与传统石英增强光声光谱进行比较，将多通池从所述的传感装置中移除，使激光束单次经过石英音叉3的振臂间隙。在相同条件下，沿石英音叉对称轴从顶部(a点)扫描到底部(b点)，距离随着2f信号峰值的变化关系如图7(a)所示，在激光束距离a点约～1.2mm处，2f信号最高幅值达到112.5μv，如图6所示。因此，相比于基于石英增强光声光谱技术的传统光声传感装置，本发明的光声传感装置的信号强度被提高～19倍，如图6所示。

如图7所示，对发明的光声传感装置的信号强度被提高的结果进行理论分析。如果考虑到线性增强机制，则所述装置预期的信号增益因子应该是～60，由于所使用的多通池提供了60次的光束传输在所述的石英音叉3振臂间隙。然而，实际的信号增益系数比预期小3倍。为此，我们提出了一个理论模型来解释这种结果。s[i]定义为图7(a)所示的传统单声源石英增强光声传感装置的信号，在～1.2mm处的最大石英增强光声光谱信号被归一化到单位1。变量i为石英音叉3对称轴的坐标。为方便数值计算，将其离散化，i为整数，其中一个整数表示三维线性位移台的1μm步长。g(i)被定义为激光强度，其数值取决于在石英音叉3对称轴的坐标i是否存在激励光束，因此，其数值等于rⁿ⁽ⁱ⁾(0≤n≤59)或0，其中r＝0.98是多通池的镜面反射率，n(i)是激励光束的反射次数。入射激励光束为第一束激励光束，还未曾发生任何反射(n＝0)，此时对应的g(i)为最大，被归一化为单位1。石英音叉两个振臂之间的60束激光束的强度随i变化的图示在图7(b)中显示。实际上，多通池插入石英音叉3的过程可以描述为卷积操作:

其中m是移动距离，f[m]是光声传感装置在不同的多通池和石英音叉3耦合深度的信号幅值。这个卷积计算过程和结果分别被展示在图7(c)和图7(d)。f[m]的阶梯模式是由于激光强度g[i]的离散分布导致的。当m＝8988时，也就是多通池和石英音叉3的耦合深度等于9mm，这个信号幅值最大为19.8。考虑到传统的光声传感装置的信号被归一化，如图7(a)所示，因此这个计算的信号增益因子是19.8，这和所述的实验结果几乎一致。

利用本发明的光声传感装置进行气体浓度检测的方法，包括以下步骤：

s1、首先调整入射激励光束的光斑直径、入射角度和位置、反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2的曲率半径、尺寸、镜面间距，以保证被多次折叠的激励光束分布在石英音叉3振臂间隙内的同一平面上，并在反射镜ⅰ1和反射镜ⅱ2上产生所述的单线分布的光斑图案；

s2、激励光源5输出的对应目标气体的吸收线由计算机9生成的斜坡信号和正弦信号进行扫描和调制，激励光源5的调制频率为石英音叉3的共振频率f0的一半，从而使目标气体吸收激光能量并基于光声效应释放声波信号，声波周期性膨胀、收缩，导致石英音叉3振臂被感应，从而产生压电信号；

s3、跨阻抗前置放大器7对石英音叉3产生的压电信号进行放大并转变为电信号传输到锁相放大器；

s4、锁相放大器8以激励光源5调制频率的二倍频率对所述电信号进行解调，获得目标气体的2f光谱；

s5、所述的2f光谱的信号峰值与目标气体的浓度成正比，在计算机9上通过数学计算获得目标气体的浓度。

在实际气体浓度检测中，所述激励光源5可以根据目标气体的不同；选择具有待测气体的目标吸收线的光源作为激励光源。

本发明通过将石英音叉3振臂间的光束进行折叠，从而在音叉振臂3间激励更多的点声源，这使得石英音叉3振臂间隙内声感区测声效率低的问题得到有效解决。结果表明，在石英音叉3振臂间隙间每增加一次光束传输，则石英音叉3对声波的感应就越加强烈，也就意味着对气体浓度的检测能力越强。通过使用普通球面反射镜设计多通池使得经过石英音叉3振臂的光束被多次折叠的成本较低。这种紧凑型高灵敏的光声传感装置及方法在防护及大气检测和工业控制过程以及医疗诊断方面具有许多用途。