[發明專利]一種光聲傳感裝置及方法

有效

• 申請號: 202110373942.4
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113189013B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 董磊;崔茹悅;武紅鵬
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/31
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 張向瑩

本發明公開了一種光聲傳感裝置及方法，該裝置包括光源模塊、多通池、光聲信號探測及數據處理模塊；所述多通池包括固定在籠式結構的兩個籠板上的球面反射鏡Ⅰ、反射鏡Ⅱ，光源模塊輸出的激勵光束被耦合至多通池內，通過兩個球面反射鏡將激勵光束多次折疊，其軌跡分布在石英音叉的振臂間隙內的同一平面上，并在兩個反射鏡上產生單線分布的光斑圖案；在多通池的光軸中心位置設置一個石英音叉，折疊光束沿著石英音叉對稱軸產生多個聲源，從而使石英音叉可同時受到多個聲源的激勵，有效收集更多的聲波，增強光聲信號輸出。解決了傳統石英增強光聲光譜氣體傳感系統僅有一個聲源導致的聲場探測效率低，光聲信號弱的技術難題。

技術領域

本發明涉及光聲光譜測量技術，具體涉及一種光聲傳感裝置及方法。

背景技術

基于激光吸收光譜的痕量氣體光學傳感技術由于具有選擇性高、靈敏度高、無需任何樣品制備即可在線實時監測等獨特優勢，已被廣泛應用于大氣監測、醫療診斷、工業過程控制等多個領域。幾種基于激光吸收光譜的方法，如可調諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)，腔增強吸收光譜(CEAS)，石英增強光聲光譜(石英增強光聲光譜)等，已被發展用于痕量氣體檢測，從而奠定了具有穩健性和可靠性的氣體傳感器的出現。在這些氣體檢測技術中，石英增強光聲光譜是極具吸引力的一種技術，由于石英增強光聲光譜傳感系統通常使用高Q因子、低成本的石英音叉作為聲探測器，使得石英增強光聲光譜氣體傳感器具有成本效益高、靈敏度高和占用空間小的特點，這些特點是當今氣體傳感器發展的主流趨勢。

在石英增強光聲光譜中，一束調制的激勵光束被聚焦在石英音叉振臂間隙，并與其周圍的目標氣體相互作用時產生一個聲波，激發了石英音叉振臂面內反對稱振動。因此，石英音叉可以被視為一個聲四極結構，使其免疫外部環境聲音。實際上，這個圓柱對稱的聲波不僅是在石英音叉振臂間隙之間產生的，也會沿著激光傳輸路徑產生。然而在傳統石英增強光聲光譜傳感系統中，使用的石英音叉厚度通常只有0.4mm，這導致只有在石英音叉厚度范圍內的聲源發出的聲波才能被有效地采集到。如果能采集到更多的沿著光束路徑產生的聲波，則石英增強光聲光譜信號將得到顯著的改善。

然而石英音叉的幾何設計和制造工藝限制了其厚度的改進。另一種方法是將激勵光束折疊，使得激勵光束能夠反復通過石英音叉，從而在其縫隙間產生多個聲源。這些聲源發出的所有聲波共同驅動兩個石英音叉振臂振動，從而增強信號幅度。2017年，兩個聲源的石英增強光聲光譜氣體傳感系統被研究，其中激勵光束借助平面反射鏡和光環形器兩次通過石英音叉振臂間隙，在其振臂間隙產生兩個點聲源，并且在第一個泛音共振模式下成功激發了石英音叉的兩個共振波腹，最終導致信號的增益系數達到3。然而，在這套系統中兩個波腹上的激勵光束相位必須滿足特定的相位關系，因此，該系統需要額外的相位控制部件，從而導致設備更加復雜。

事實上，由兩個高反射率球面或非球面鏡組成的多通池是增加光束反射次數的有力工具。但一個很大的挑戰是如何讓多通池內被折疊多次的激勵光束都分布在一個平面上，這樣被多次折疊的激勵光束就可以通過石英音叉的振臂間隙，從而在其縫隙間產生多個聲源。這些聲源發出的所有聲波共同驅動兩個石英音叉振臂振動，從而大大增強信號幅度。

發明內容

針對現有技術中不足，本發明的目的在于提供一種光聲傳感裝置及方法，本發明是通過將激勵光束多次折疊穿過石英音叉振臂間隙，設計具有單線型分布密集光斑圖案特點的多通池并使用與之配套的振臂間隙較大的石英音叉，實現對音叉振臂長度范圍內全聲場的高效探測，提高系統對光聲信號的探測性能。從而解決由于傳統石英增強光聲光譜氣體傳感系統僅有一個聲源導致的石英音叉振臂內聲場探測效率低，從而導致光聲信號弱的技術難題。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：