[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

本發明公開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，包括：激勵激光器模塊、無源音叉、目標氣體的氣室內，激勵激光器模塊產生三個指定調制頻率的指定波長的激光，目標氣體與激光在氣室內作用產生三個頻率的聲波信號，聲波信號共振增強后使無源音叉產生不同共振頻率的反相共振，導致干涉式光纖傳感模塊距無源音叉振臂的距離發生變化，干涉式光纖傳感模塊采集基于所述距離變化引起的干涉光相位差變化；氣體信息分析模塊從相位差變化中提取出三個對應調制頻率的二次諧波信號，進而得到三種目標氣體的濃度信息，具有靈敏度高、體積小、前端不帶電、本征安全、抗電磁干擾和耐高溫等優點。

技術領域

本發明屬于光聲光譜技術領域，更具體地，本發明涉及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及其探測方法。

背景技術

多氣體在線測量在環境監測、工業控制、農業生產、生物工程和醫療診斷等領域有著重要的應用。石英增強光聲光譜是一種間接的吸收光譜技術，具有諸多優勢：外形緊湊，成本低；不使用光電探測器，激勵激光波長不受限制；探測靈敏度與光和樣品相互作用長度關系不大，而是和激光功率以及聲傳感器靈敏度成正比；零背景特性允許放大器以零信號為基準工作在一個較大的動態范圍內。

但由于石英音叉無法識別被探測到的聲波來自于哪些受激分子，傳統的石英增強光聲光譜無法實現同步氣體監測。即使一個激光器波長能夠覆蓋兩種目標氣體，激光器也不得不在兩種氣體之間進行波長切換，使探測存在延時。采用定制低頻石英音叉的石英增強光聲光譜利用基頻和一次泛頻實現了雙氣體同步探測，但一次泛頻頻率通常比較高，與氣體分子弛豫率不匹配。同時，無論采用商用標準石英音叉(32.768kHz)還是定制石英音叉，石英增強光聲光譜均需要對微弱的壓電電流進行低噪聲前置放大，無法適用于強電磁干擾、高溫和易燃易爆等特殊環境。

發明內容

本發明提供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，旨在改善上述問題。

本發明是這樣實現的，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，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共振頻率的反相共振，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。

進一步的，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；