一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107677610A(43)申请公布日2018.02.09(21)申请号201710820332.8(22)申请日2017.09.15(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人陈珂于清旭宫振峰郭珉周新磊(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人温福雪侯明远(51)Int.Cl.G01N21/17(2006.01)G01N21/01(2006.01)权利要求书2页说明书3页附图2页(54)发明名称一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法(57)摘要一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法，属于微量气体检测技术领域。光源激发待测气体分子产生的声波在共振式光声池中的声共振管内相干叠加后有效增强光声信号幅度；同时通过对悬臂梁结构的精密设计以及温度控制对光声池共振频率的微调，使悬臂梁共振频率与光声池的共振频率实现精确匹配，利用悬臂梁的一阶共振进一步增强光声信号；双共振增强光声光谱方法结合锁相放大器实现超高灵敏度气体检测。本发明中悬臂梁与光声池的双共振增强机制使光声信号得到显著放大，且该系统工作频率在kHz量级，极大地降低了1/f噪声，为超低浓度气体检测提供一种极具竞争力的技术方案。CN107677610ACN107677610A权利要求书1/2页1.一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统包括光源(1)、光调制器(2)、共振式光声池(3)、进气口(4)、出气口(5)、悬臂梁传声器(6)、锁相放大器(7)、计算机(8)和恒温箱(9)；光源(1)与共振式光声池(3)之间设置光调制器(2)，光经光调制器(2)调制后入射到共振式光声池(3)；共振式光声池(3)上设有进气口(4)和出气口(5)，用于待测气体的进入和排出；共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)置于恒温箱(9)内部，悬臂梁传声器(6)安装在共振式光声池(3)上，用于探测共振式光声池(3)内气体分子跃迁形成的声波信号，并将声波信号转化为电信号；锁相放大器(7)的信号输入端与悬臂梁传声器(6)相连，参考输入端与光调制器(2)相连，分别用于接收并放大悬臂梁传声器(6)传输的电信号和光调制器(2)传输的调制信号；计算机(8)与锁相放大器(7)相连，用于设置锁相放大器(7)的工作参数并对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。2.根据权利要求1所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的光源(1)是用于气体检测的窄线宽激光器；所述的光调制器(2)是光学斩波器；所述的锁相放大器(7)是数字锁相放大器，用于改善光声信号检测的信噪比。3.根据权利要求1或2所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的共振式光声池(3)是一阶纵向共振光声池，共振频率为1.6kHz，品质因数Q为28。4.根据权利要求3所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的悬臂梁传声器(6)是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的悬臂梁传声器，由光纤悬臂梁传声器探头和光纤声波解调模块构成，其共振频率为1.6kHz，品质因数Q为15；光纤悬臂梁传声器探头采用光纤法布里-珀罗干涉仪结构，由光纤(201)、陶瓷插针(202)、不锈钢外壳(203)和不锈钢悬臂梁膜片(204)构成。5.一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，通过将悬臂梁传声器(6)与共振式光声池(3)的共振频率匹配，实现对光声信号的双共振增强放大；具体步骤如下：首先通过设置恒温箱(9)的温度，对共振式光声池(3)的共振频率进行微调，使共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)的共振频率实现精确匹配；光调制器(2)对来自光源(1)的光进行强度调制后，射入到共振式光声池(3)中；然后将待测气体从进气口(4)通入共振式光声池(3)中，共振式光声池(3)中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；悬臂梁传声器(6)将探测的声波信号转换为电信号后输入到锁相放大器(7)的信号输入端；同时，光调制器(2)将调制信号输入到锁相放大器(7)的参考输入端；计算机(8)设置锁相放大器(7)的工作参数，锁相放大器(7)将接收的信号进行放大，最后计算机(8)对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理、显示，测量后的气体从出气口(5)排出。6.根据权利要求5所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测方法，其特征在于，所述的共振式光声池(3)的一阶共振频率范围为500Hz-10kHz。7.根据权利要求5或6所述的悬臂梁与光声池双共