[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

说明书

本发明公开一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，包括：激励激光器模块、无源音叉模块、气室模块及干涉式光纤传感模块，无源音叉模块设于充满目标气体的气室内，激励激光器模块产生指定调制频率的指定波长的激光，传输至气室，目标气体与激光作用产生声波信号，声波信号经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；通过干涉光的相位变化来拾取无源音叉的振动信号，恢复出激励激光与痕量气体作用产生的光声信号，进而提取出二次谐波信号，具有灵敏度高、体积小、组网容易、前端不带电、本征安全、抗电磁干扰和耐高温等优点。

技术领域

本发明属于光声光谱技术领域，更具体地，本发明涉及一种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。

背景技术

痕量气体测量在污染监测、工业过程控制、电力设施在线监测、煤矿安全监测、生物工程和医疗诊断等领域有着重要的应用。基于光谱学的气体传感方法以精度高、选择性好、寿命长、响应时间短、实时监测和维护费用低等特点，近年来成为各国学者研究的热点。最常用的基于光谱学的气体传感方法包括非分散红外吸收光谱、可调谐二极管激光光谱、腔增强吸收光谱和光声光谱。相比于其他吸收光谱技术，光声光谱技术是一种间接的吸收光谱技术，具有诸多优势：不使用光电探测器，激励激光波长不受限制；探测灵敏度与光和样品相互作用长度关系不大，而是和激光功率以及声传感器灵敏度成正比；零背景特性允许放大器以零信号为基准工作在一个较大的动态范围内。

目前光声光谱技术分为共振光声光谱、悬臂增强型光声光谱和石英音叉谐振增强光声光谱。共振光声光谱通常采用带声学共振腔的光声池和电学声传感器或者光纤麦克风，但由于光声池尺寸较大，限制了仪器的小型化；悬臂增强型光声光谱采用微型硅悬臂梁和迈克尔逊干涉仪，灵敏度高、抗电磁干扰，但成本高、结构复杂、体积较大且不易与光声池匹配；石英音叉谐振增强光声光谱采用石英音叉作为光声信号探测器，具有品质因子(Q)高、结构简单和成本低的优点，但石英音叉产生的压电电流需要低噪声前置放大器进行放大，无法适用于强电磁干扰和易燃易爆等特殊场景，而且石英音叉共振频率过高(32.768kHz)、振臂间距过小(0.3mm)，不利于痕量气体传感。因此，提出一种体积小、灵敏度高、抗电磁干扰和本征安全的光声光谱系统，实现痕量气体测量，尤其是强电磁干扰和易燃易爆等特殊场景下痕量气体的高精度测量十分有意义。

发明内容

本发明提供一种无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种基于无源音叉的干涉式全光纤光声光谱系统，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。

进一步的，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。