[发明专利]基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统及其探测方法

权利要求书

1.一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，所述系统包括：

激励激光器模块、无源音叉模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于气室内，气室充满目标气体；其中，激励激光器模块用于产生指定调制频率的指定波长的激光，并传输至气室内，气室内的目标气体与激光进行作用产生声波信号，声波信号经无源音叉模块内微声学谐振腔收集和放大后传递给无源音叉，使其产生反相共振，导致干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化，干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，进而探测目标气体的气体浓度；

激光的波长为目标气体的吸收谱线上的波长，激光的调制频率为无源音叉的反相共振频率的一半；

所述无源音叉由两个振臂及连接两个振臂的底座连接，振臂材料为硅、石英或金属；

反相共振为前后方向上的反相共振或左右方向上的反相共振；

无源音叉的振臂宽度、厚度和长度为w、T和L，两振臂间距为s，一根振臂外侧镀有反射薄膜，薄膜宽度为w，靠近振臂外侧顶部，用于反射探测光；所述无源音叉工作在反相共振模式，两振臂反相运动，无源音叉的共振频率和其参数的关系如下：

式中：E和ρ分别是无源音叉的杨氏模量和密度，v_n是常数，对于基模振动，v₀＝1.194，由公式可知：通过调整无源音叉材料及振臂的厚度和长度可以改变音叉的共振频率；

干涉式光纤传感模块包括：探测光源、光纤干涉仪及设于无源音叉振臂振动方向上的反射薄膜，探测光源通过光纤和光纤干涉仪连接，探测光源输出的探测光经光纤进入光纤干涉仪，从光纤准直器出射的准直探测光对准无源音叉振臂上的反射薄膜，探测光被反射薄膜反射回来，无源音叉振臂的振动引起光纤准直器到无源音叉振臂的距离变化，进而引起光纤干涉仪输出干涉光的相位差变化；

所述干涉式光纤传感模块还包括：光电探测器，光电探测器通过光纤与光纤干涉仪连接，光电探测器通过信号电缆与多功能输入/输出装置连接，多功能输入/输出装置通过信号电缆与解调器、加法器以及激励激光器模块连接；

光电探测器将光纤干涉仪检测到干涉光信号转变为电压信号，输出至多功能输入/输出装置，多功能输入/输出装置输出正弦波和方波信号经加法器进入调制线，调制线与激光器电流源上的调制接口连接，实现调制频率为无源音叉共振频率一半的激光波长调制，将光电探测器输出的光电信号送入解调器，得到二次谐波信号，进而计算出目标气体的浓度。

2.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，激励激光器模块包括：激光管、激光器电流源、温度控制器和光纤准直器，激光管通过光纤与光纤准直器连接；

激光器电流源具有调制接口，调制指定频率的指定波长的激光，激光管输出相应的激光，温度控制器保持激光管的温度恒定，出射激光经过光纤到达光纤准直器，经光纤准直器输出激光准直射入气室。

3.如权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，其特征在于，无源音叉模块包括：无源音叉和微声学谐振管，微声学谐振管由微型金属或者陶瓷管构成，一阶纵向共振频率和无源音叉的反相共振频率一致，微声学谐振管的谐振腔的延伸方向对准准直激励激光射出方向，气室内的目标气体吸收光纤准直器输出激光，产生声波信号，声波信号经微声学谐振管收集后传递至无源音叉，无源音叉产反相共振。

4.一种基于权利要求1所述基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统的气体浓度探测方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、基于气室内待测目标气体的吸收谱线确定激励激光的波长；

S2、基于无源音叉的反相共振频率来确定激励激光的调制频率；

S3、激励激光器模块调制出相应波长和频率的激励激光，将激励激光入射至气室内，与气室内的目标气体作用后产生声波信号；

S4、微声学谐振腔采集和放大该声波信号后传递给无源音叉，使其产生反相共振，引起干涉式光纤传感模块距无源音叉振臂的距离发生变化；

S5、干涉式光纤传感模块采集基于所述距离变化引起的干涉光相位差变化，通过正交锁相算法提取二次谐波信号，进而得到目标气体的气体浓度。

5.如权利要求4所述的气体浓度探测方法，其特征在于，通过减小无源音叉的振臂厚度T，增加振臂长度L，控制无源音叉的共振频率在20kHz以下。