一种高精度光声光谱检测装置

本发明涉及光学检测，具体地说，涉及一种高精度光声光谱检测装置。

背景技术：

1、气体成分和浓度检测在大气质量监测、工业生产过程控制、临床医学诊断等方面具有重要意义。大气环境中存在多种有害微量气体，例如一氧化碳(co)、二氧化碳(co2)、二氧化硫(so2)、甲烷(ch4)、氮氧化物(nox)、臭氧(o3)等，尽管这些气体含量很低，浓度范围在ppt～ppm的量级，但对大气环境具有重要影响。大气中so2、no2会导致酸雨并腐蚀金属表面；co2、ch4、o3和n2o等是造成温室效应的主要原因，还会进一步导致冰川消融、厄尔诺现象；氮氧化物nox会造成光化学烟雾。高精度实时动态监测这类污染气体的气体浓度对防止大气污染，保护地球，保障人类健康具有重要意义。

2、工业和农业生产过程中产生的微量气体对生产过程本身也具有重要意义。在电力系统中，绝缘油纸是构成大型变压器内绝缘系统的重要组成部分，在长期运行、放电、过热过程中，绝缘油纸将破裂，产生微量的ch4、c2h2、c2h4、co、h2气体，通过分析绝缘油中的溶解气体种类和浓度是判断变压器早期潜伏性故障是最有效的措施之一；在化学工业中，对气体反应物的实时测量是检测化学反应过程的重要手段；在农业生产领域，c2h4作为一种气态植物激素可促进植物的生长发育，通过检测c2h4的释放量可作为分析、监测植物生长发育状态的重要手段。

3、通过检测人体呼吸排出的微量气体的成分和浓度，可获取人体健康状态。例如通过检测肾衰竭患者呼出气体中nh3的含量可对患者血液透析效果作间接评价；通过检测哮喘儿童呼出的气体中no的含量，实现儿童呼吸道炎症的诊断；此外，通过检测病人呼出气体中的二氧化硫、乙烷、丁烷、戊烷，可以判断患者是否患有神经系统疾病。微量气体的检测可为人类疾病的诊断提供另一种参考。

4、高血脂、糖尿病等作为常见的代谢内分泌疾病已经成为人类的无形杀手，严重威胁着人类的健康。患者需要每天使用血糖仪来监测自身的血糖浓度，并且根据监测结果来控制饮食、服用药物来维持身体健康瞳。

5、目前，市场上销售的血糖仪大多都是有创血糖仪。患者在使用血糖仪前需要用微型针扎破手指放出鲜血，在试纸上分析血糖的浓度。这样的操作不仅会给患者带来身心上的痛苦，伤口还有感染的风险。所以，无痛、无感染的无创血糖检测成为学者研究的热点。

6、无创血糖检测的方法有很多种，例如光谱分析法、电化学法、光检测法、代谢热整合法、阻抗法、反向离子法等。其中，一些非光学方法会对人体皮肤产生一定的刺激。因此，利用光学法进行无创血糖检测成为学者们研究的重点。如公开号为cn105232055a的中国专利文献公开了一种基于近红外光谱法进行无创血糖测试的血糖仪，采用近红外光漫反射检测技术，通过红外光谱漫反射以及采集真皮层的扩散反射出的光谱信号。

7、但是，一般的光学检测方法在进行无创血糖检测时，会受到人体组织的影响。激励光源会在人体的组织内发生反射、折射或者散射等现象，导致激励光源衰减严重，致使光声传感器能检测到的有效信号非常微弱。

技术实现思路

1、本发明公开了一种高精度光声光谱检测装置，可以极大提高声压信号的检测精度，实现高精度的检测。

2、一种高精度光声光谱检测装置，包括光源、光声腔、moems微音器、主控板和光探测器；

3、其中，所述的光声腔用于放置待检测物质，光源发射的激光入射到光声腔中，用于使待检测物质产生光声信号；所述的光探测器用于检测和反馈光源的波动；所述的moems微音器设置在光声腔内，通过检测moems微音器中微结构梁的振动幅度实现光声信号的频率检测；

4、所述的moems微音器通过锁相放大电路与主控板连接，所述的光源通过光源驱动电路与主控板连接，所述的光探测器与主控板连接。

5、本发明中，采用光声效应的新型光谱技术，将光信号有效转换成声信号，并通过精密微音器对声音信号的检测计算，最终得到被测物质的成分和浓度等信息。光声信号是由周期性的脉冲光源激发的周期信号，利用微结构梁在周期性光声信号作用下的共振响应，将微结构梁的振动幅度大大放大，同时结合采用压缩态量子光源的激光干涉位移检测技术，可以极大提高光声信号的检测精度，实现高精度的检测。

6、进一步地，所述moems微音器包括微音器光源、光栅、mems微结构、第一光电探测器、第二光电探测器、温度传感器、信号处理电路板；

7、其中，光栅与mems微结构构成等效光栅光阀结构，光栅为固定部分，mems微结构的微结构梁为可动部分；第一光电探测器、第二光电探测器、信号处理板设置在光栅相对于mems微结构的另一侧，用于通过光栅分光干涉检测方法对微结构梁的振动幅度进行探测；温度传感器设置在mems微结构的基底上。

8、光栅分光干涉检测方法对微结构梁的振动幅度进行探测的原理如下：光声信号造成可动部分与固定部分之间的高度差改变，从而影响各级次的衍射光强；通过检测某一衍射级次的光强信号，求出可动部分与固定部分之间的高度差变化，即微结构梁的振动幅度。

9、优选地，所述的光源为脉冲光源，脉冲光源的频率为ω，ω的范围在50～3000hz，moems微音器的微结构梁的一阶谐振频率为ω0；检测工作在非共振模式下时，脉冲光源的频率为ω与微结构梁的一阶谐振频率为ω0满足以下关系式：ω＜＜ω0。

10、优选地，所述的光源为脉冲光源，脉冲光源的频率为ω，ω的范围在50～3000hz，moems微音器的微结构梁的一阶谐振频率为ω0；检测工作在共振模式下时，脉冲光源的频率为ω与微结构梁的一阶谐振频率为ω0满足以下关系式：

11、

12、其中，m为微结构梁的质量，b为微结构梁的振动阻尼系数。

13、mems微结构梁的共振频率为ω0，当光声腔中的被测气体吸收红外光受热膨胀，在强度被周期性调制的红外光的作用下，光声腔内会产生周期性的声压变化。当脉冲光源的频率为时，mems微结构梁的振动幅度最大，最大振幅为：

14、

15、共振频率位置振幅与静态压力作用下的振幅比值为：

16、最大振幅与静态振幅比值为：

17、

18、假设mems微结构梁的共振频率为ω0＝1000×2π；

19、mems微结构梁的阻尼系数可得通过设定光声腔谐振频率与mems微结构梁的谐振频率相同，相同的光声压力下，梁的振动幅度大大增加，探测灵敏度大大提高。

20、激光光束垂直入射在正弦振幅型、占空比为0.5|[u1]的光栅的表面时，光栅会对入射光产生衍射作用，一部分光束直接被光栅衍射再反射，产生衍射光束1，该光束包含0级、±1级，±3级等；其它部分的光束穿过光栅到达mems微结构反射表面，然后再被mems微结构表面反射并再次穿过光栅，形成衍射光束2，该光束同样包含0级、±1级，±3级等。两个衍射光束1和2，相对应的衍射级次将会发生干涉形成一系列干涉级次光斑。这些干涉光斑包括0级、±1级，±3级等，它们的位置保持固定，但其强度随着光栅与反射面之间的距离的改变而改变。

21、当相干光从激光器垂直入射至光栅表面时，前三级次光强和光栅与mems反射面之间的距离d的关系式为：

22、

23、

24、

25、1级衍射光光强与位移的关系为：

26、i＝(4iin/π2)×sin2(2πd/λ)

27、3级衍射光光强与位移的关系为：

28、i＝(4iin/9π2)×sin2(2πd/λ)

29、式中：iin为入射光功率；d为光栅与mems微结构反射面之间的距离；λ为入射光的波长。衍射光强通过光电探测器转换成电流信号，通过检测光强变化，就可以得到位移变化。一级衍射光强i与光栅和mems微结构面的距离d，则光强i对位移d的1阶导数为

30、

31、当d等于λ/8的奇数倍时，光强对位移的灵敏度最大。

32、在本发明中，令d的初始值d0为λ/8的奇数倍。当有外界压力作用时，一级衍射光的光强将发生改变，探测光强即可得到压力大小。

33、优选地，所述mems微结构的材料为单晶硅、石英晶体或者硬质合金等等弹性模量大、性能稳定的材料。

34、所述微结构包括微结构基底、中心平面和支撑梁结构，其中，中心平面与微结构基底通过沿圆周对称分布的支撑梁相连接，中心平面在压力作用下沿着垂直于平面方向运动。

35、本发明中，所述的高精度光声光谱检测装置可用于检测气体成分，或者用于非侵入式检测人体或者生物体内生物指标。

36、当高精度光声光谱检测装置用于检测气体成分时，所述的光声腔使用圆柱谐振腔体结构或者是多边形柱腔体结构；腔体内壁镀有反射膜，光源发射的照射光束在腔体内部可多次反射，所述光声腔的共振频率与光源的频率相同。

37、可选择的，所述光声腔的周围分布多个不同波长的光源，用于完成光声腔内气体对多个波长的光声信号的探测，通过分析不同波长光声信号实现对光声腔内多种气体成分的精确检测。

38、可选择的，所述光声腔的周围分布多个波长相同的光源，用于增强光声腔内气体产生的光声信号，提高检测灵敏度。

39、当高精度光声光谱检测装置用于非侵入式检测人体或者生物体内生物指标时，所述的光声腔使用椭球体腔体结构；光源经过激光聚焦透镜汇聚在生物组织血管上的聚焦点位于椭球体腔体的一个焦点上，产生的辐射超声波在腔体内壁反射，汇聚于椭球体腔体另一个焦点处的moems微音器上。

40、可选择的，所述的光声腔周围分布多个不同波长的光源，用于完成光声腔内对多个波长的光声信号的探测，通过分析不同波长光声信号实现对生物体内多种成分的精确检测。

41、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

42、1、本发明中采用了moems微音器，为全光学传感方式，具有检测精度高且不受电场和磁场的影响和干扰，受温度变化影响非常小，适用于复杂电磁环境下高精度的检测。

43、2、本发明通过圆柱形光声腔谐振腔获得谐振放大的周期性光声信号以及椭球体声腔实现对光声信号的汇聚，周期性光声信号作用在mems微结构梁上，由于mems微结构梁的谐振频率与光声信号频率相同，mems微结构梁产生共振，振动幅度被极大的放大，mems梁的位移通过光栅分光激光干涉检测方法探测，具有非常高的探测灵敏度。