基于声波直接耦合-多光程光声池的光声光谱检测系统

1.本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于新型的声波直接耦合-多光程光声池的光声光谱检测系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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，属于微量气体检测技术领域。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。本发明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；
7.本发明专利：提出一种基于声波直接耦合-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。


技术实现要素：

8.本发明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-多光程光声池的光声光谱检测系统。本发明的技术方案如下：
9.一种基于新型的声波直接耦合-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-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-多光程光声池在声波直接耦合-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管(sld)光源发出探测光经过所述环形器后进入所述的探测光准直器(所述的探测光准直器的透射端面镀有增反膜，能够实现对透射探测光的部分反射)平行射入所述声波直接耦合-多光程光声池内部，所述的由声波信号反作用于待测痕量气体引起的气体折射率变化信息，通过改变探测光在所述光声池内的光程加载到探测光上，所述探测光在所述的声波直接耦合-多光程光声池的内地面发生反射，光声池底部反射光与所述探测光准直器透射端面反射光通过探测所述光准直器重新耦合进所述探测光准直器尾部传输光纤中，再经过所述环形器照射到所述电荷耦合器件ccd上发生干涉，最后把所述电荷耦合器件ccd转换的电信号传入电脑进行处理得到反射光携带的痕量气体折射率变化信息，进一步解调出痕量气体折射率变化所声波信息，最后通过反演得到痕量气体的浓度信息，进而实现对痕量气体的的检测。
10.进一步，所述的声波直接耦合-多光程光声池为圆环型结构，池底和四周镀有高反射膜，左侧与所述的激发光准直器耦合引入激发激光，所述激发激光能在光声池内进行多次反射充分与待测痕量气体作用，上方为进气口与出气口引入待测气体，下方与所述的时候探测光准直器耦合引入探测激光，所述的探测光准直器透射端面与光声池内上表面构成刚性法布里珀罗标准具(fpe)结构，所述探测激光在光声池内上表面发生反射重新回到探测光准直器中。
11.本发明的优点及有益效果如下：
12.声波直接耦合-多光程光声池最重要的创新就是使用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，通过把声波振动引起的气体折射率变化直接加载到探测光的方式来把声波直接耦合进探测光，实现对声波信号的测量。相比与传统光声光谱检测系统使用麦克风来检测声波，本发明能大幅度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。其次，与光声池设计为非共振式的环形结构，其内壁表面镀有金膜，能够实现激光发在光声池内表面多次反射，增加激发光的有效光程，相比于传统共振式的光声池本发明能大大减小光声池体积和提高检测灵敏度。
附图说明
13.图1是本发明提供优选实施例的基于新型的声波直接耦合-多光程光声池的光声光谱检测系统的结构框图。
14.附图2是本发明实施例的环形光声池模拟光纤路径
15.附图3是本发明实施例的光纤fpe型声波直接耦合-多光程光声池结构图附图中标记及对应的零部件名称：
16.1-调制器，2-dfb激光光源，3-隔离器，4-声波直接耦合-多光程光声池，5-环形器，6-低相干超辐射发光二极管(sld)光源，7-电荷耦合器件ccd，8-计算机，9-激发激光，10-光声池池体，11-激发光准直器，12-进气口，13-刚性fpe结构，14-出气口，15-金膜，16-探测光准直器
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
18.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
19.进一步，所述的声波直接耦合-多光程光声池为圆环型结构，池底和四周镀有高反射膜，左侧与所述的激发光准直器耦合引入激发激光，所述激发激光能在光声池内进行多次反射充分与待测痕量气体作用，上方为进气口与出气口引入待测气体，下方与所述的时候探测光准直器耦合引入探测激光，所述的探测光准直器透射端面与光声池内上表面构成刚性法布里珀罗标准具(fpe)结构，所述探测激光在光声池内上表面发生反射重新回到探测光准直器中。
20.如附图1所示，本实施例的基于新型的声波直接耦合-环形多光程光声池的光声光谱检测系统包括调制器1、dfb激光光源2、隔离器3、声波直接耦合-环形多光程光声池4、环形器5、低相干超辐射发光二极管(sld)光源6、电荷耦合器件ccd 7、计算机8。
21.dfb激光光源2在调制器1的作用下发出激发光通过隔离器3最后进入声波直接耦合-环形多光程光声池4。如附图2激发激光9在所述环形多光程光声池池体内壁10发生多次反射，充分的与声波直接耦合-环形多光程光声池4中的痕量气体发生作用产生声音信号，所述声音信号反作用于所述痕量气体改变了所述痕量气体的折射率。低相干超辐射发光二极管(sld)光源6发出探测激光通过环形器5和探测光准直器16进入声波直接耦合-环形多光程光声池4，如附图3所示探测激光由探测光准直器16准直后入射到所述声波直接耦合-多光程光声池4，所述多光程光声池池体10内壁镀有金膜15所以反射率很高，探测光准直器16透射端面镀有反射膜能实现部分反射和部分透射，故探测光准直器16透射端面与所述多光程光声池的内壁构成刚性fpe结构13，所述探测激光加载所述光声池中痕量气体的折射率变化信息后在所述光声池内壁发生反射，所述刚性fpe结构13两表面反射光通过所述探测光准直器16重新耦合进光纤再经过环形器5在电荷耦合器件ccd 7处发生干涉，所述干涉信号被电荷耦合器件ccd 7转换为电信号传入计算机8进行处理得到反射光携带的痕量气体折射率变化信息，进一步解调出痕量气体折射率变化所携带的声波信息，最后通过标准气体标定法得到痕量气体的浓度信息，进而实现对痕量气体的的检测。
22.附图2是本实施例的多光程光声池模拟光纤路径，所述多光程光声池内表面经过镀金处理具有高反射率，激发激光9入射到多光程光声池池体内壁10上发射多次发生增加与所述光声池的痕量气体接触的光程。
23.附图3是实施例的光纤fpe型声波直接耦合—多光程光声池结构，所述多光程光声内表面镀有金膜能够对激发光准直器11所射入的激发光和探测光准直器16所射入的探测光进行反射，进气口12和出气口14能够满足待测气体的输入。所述光声池内表面和所述探测光准直器端面构成刚性fpe结构13，探测光准直器16固定在所述光声池上，该准直器采用特殊结构设计(在探测光准直器的出射端面镀上部分发射膜，使其能够在出射端面实现对探测光的部分反射)，端面无增透膜且具有一定的反射率，可将端面反射光和所述池内反射光再汇聚进入传输光纤中。
24.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
25.以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。