一种光声传感装置及方法

文档序号:26097943发布日期:2021-07-30 18:08阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种光声传感装置,其特征在于: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ⅰ(1)、反射镜ⅱ(2)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ⅰ(1)、反射镜ⅱ(2)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ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)的间距,在反射镜ⅰ(1)或反射镜ⅱ(2)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(3)、跨阻抗前置放大器(7)、锁相放大器(8)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ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)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(5)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ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)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(3)的振臂间隙内的同一平面上,并在反射镜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(9)连接将电信号解调后传输给计算机(9)。

2.根据权利要求1所述的一种光声传感装置,其特征在于:所述多通池的反射镜ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)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。

3.根据权利要求2所述的一种光声传感装置,其特征在于:在所述多通池中被折叠多次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ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)上产生单线分布的光斑图案,具体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(1)和反射镜ⅱ(2)的镜面间距为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(2)或反射镜ⅰ(1)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ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)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。

4.根据权利要求3所述的一种光声传感装置,其特征在于: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(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。

5.根据权利要求1所述的一种光声传感装置,其特征在于:所述石英音叉(3)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(3)振臂间隙。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的光声传感装置进行气体浓度检测的方法,其特征在于: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(1)和反射镜ⅱ(2)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(3)振臂间隙内的同一平面上,并在反射镜ⅰ(1)和反射镜ⅱ(2)上产生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,导致音叉振臂被感应,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(8);

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。


技术总结
本发明公开了一种光声传感装置及方法,该装置包括光源模块、多通池、光声信号探测及数据处理模块;所述多通池包括固定在笼式结构的两个笼板上的球面反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ,光源模块输出的激励光束被耦合至多通池内,通过两个球面反射镜将激励光束多次折叠,其轨迹分布在石英音叉的振臂间隙内的同一平面上,并在两个反射镜上产生单线分布的光斑图案;在多通池的光轴中心位置设置一个石英音叉,折叠光束沿着石英音叉对称轴产生多个声源,从而使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。解决了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声场探测效率低,光声信号弱的技术难题。

技术研发人员:董磊;崔茹悦;武红鹏
受保护的技术使用者:山西大学
技术研发日:2021.04.07
技术公布日:2021.07.30
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