[發明專利]無源音叉共振增強的全光纖三氣體探測光聲光譜系統及其探測方法

有效

• 申請號: 202110339342.6
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113267453B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 張剛;葛強;李世麗;曹京;王明方;朱建灰;崔琰琰
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 鐘雪

1.一種無源音叉共振增強的全光纖三氣體探測光聲光譜系統，其特征在于，所述系統包括：

激勵激光器模塊、無源音叉、氣室、光纖微振動傳感模塊及和氣體信息分析模塊，無源音叉設于氣室內，氣室充滿含有目標氣體1、目標氣體2和目標氣體3的待測氣體；

其中，激勵激光器模塊用于同時產生三路指定調制頻率指定波長的激光1、激光2和激光3，并傳輸至無源音叉兩振臂間的夾縫，目標氣體1與激光1進行作用產生聲波信號1，目標氣體2與激光2進行作用產生聲波信號2，目標氣體3與激光3進行作用產生聲波信號3，聲波信號1、聲波信號2和聲波信號3傳遞給無源音叉，使得無源音叉在前后方向上同時產生不同振動頻率的反相共振，導致光纖微振動傳感模塊在前后振動方向上距無源音叉振臂的距離發生變化，光纖微振動傳感模塊分別采集基于上述三個距離變化所引起的干涉光相位差變化，氣體信息分析模塊進而同時計算目標氣體1、目標氣體2和目標氣體3的氣體濃度；

激光1的波長為目標氣體1的吸收譜線上的波長，激光1的調制頻率為無源音叉在前后方向上的最小反相共振頻率的一半，激光2的波長為目標氣體2的吸收譜線上的波長，激光2的調制頻率略小于無源音叉在前后方向上的最小反相共振頻率的一半，激光3的波長為目標氣體3的吸收譜線上的波長，激光3的調制頻率略大于無源音叉在前后方向上的最小反相共振頻率的一半；

無源音叉由兩個振臂及連接兩個振臂的底座連接，振臂材料為硅、二氧化硅、銅或鋁，無源音叉基于聲波信號1、聲波信號2和聲波信號3在前后方向上產生不同振動頻率的反相共振；

無源音叉的振臂寬度、厚度和長度為w、T和L，兩振臂間距為s，一根振臂外側鍍有反射薄膜，薄膜寬度為w，靠近振臂外側頂部，用于反射探測光，所述無源音叉工作在反相共振模式，兩振臂反相運動，無源音叉的共振頻率和其參數的關系如下：

式中：M_eff和K_eff分別是無源音叉的有效質量和有效彈性系數，其中M_eff＝0.24267ρLTw，K_eff＝0.2575T³wE/L³，E和ρ分別是無源音叉的楊氏模量和密度，由公式可知：通過調整無源音叉材料及振臂的厚度和長度可以改變音叉的共振頻率；

光纖微振動傳感模塊包括：探測光源、光纖干涉儀及信號解調模塊，探測光源通過光纖和光纖干涉儀連接，光纖干涉儀通過光纖與信號解調模塊連接；

以及設置無源音叉振臂上的反射薄膜，反射薄膜設于無源音叉振臂的振動方向，探測光源輸出探測激光經過光纖干涉儀入射至反射薄膜，探測光又經反射薄膜的反射進入光纖干涉儀，由于無源音叉振臂在前后方向上的振動引起無源音叉振臂至光纖干涉儀間的距離變化，光纖干涉儀采集干涉光的相位差變化，信號解調模塊還原出光纖干涉儀的相位變化。

2.如權利要求1所述無源音叉共振增強的全光纖三氣體探測光聲光譜系統，其特征在于，激勵激光器模塊包括：

激光器1、激光器2和激光器3，激光器1、激光器2和激光器3通過光纖分別與光纖準直器1、光纖準直器2及光纖準直器3連接，及設于無源音叉兩振臂間的夾縫的微聲學諧振管1及微聲學諧振管2，微聲學諧振管1的共振頻率為激光2調制頻率的兩倍，微聲學諧振管2的共振頻率為激光3調制頻率的兩倍；

激光器1產生指定調制頻率指定波長的激光1，激光1輸出至光纖準直器1，光纖準直器1出射的準直激光1直接射入無源音叉兩振臂間的夾縫，與目標氣體1作用產生聲波信號1，直接傳遞給無源音叉，引起無源音叉在前后方向上的反相共振，無源音叉的共振頻率與激光1的調制頻率相等；

激光器2產生指定調制頻率指定波長的激光2，激光2輸出至光纖準直器2，光纖準直器2出射的準直激光2入射到微聲學諧振管1，與目標氣體2作用產生的聲波信號2經過微聲學諧振管1放大后傳遞給無源音叉共振，引起無源音叉在前后方向上的反相共振，無源音叉的共振頻率與激光2的調制頻率相等；

激光器3產生指定調制頻率指定波長的激光3，激光3輸出至光纖準直器3，光纖準直器3出射的準直激光3入射到微聲學諧振管2，與目標氣體3作用產生的聲波信號3經過微聲學諧振管2放大后傳遞給無源音叉共振，引起無源音叉在前后方向上的反相共振，無源音叉的共振頻率與激光3的調制頻率相等。