專利名稱：一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于馬赫曾德干涉儀的全光學(xué)的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)， 具體講是一種利用馬赫曾德干涉儀德一個(gè)臂作為光學(xué)微音器進(jìn)行光聲光譜氣體檢測的系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
[0002]光聲效應(yīng)是基于物質(zhì)吸收調(diào)制光后通過無輻射熱馳豫放熱而激發(fā)出聲波的效 應(yīng)，早在1880年Bell等就發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)。在諸多進(jìn)行氣體濃度檢測的吸收光譜法度 中，光聲光譜技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)測試范圍廣。光聲技術(shù)是檢測物質(zhì)通過無輻射躍遷直 接吸收的光能信號(hào)，而不是測量透射過樣品的光能信號(hào)，這樣樣品對(duì)入射光的反射、散 射不會(huì)影響到測量結(jié)果，完全不透明和高散射的樣品也能測量，測量范圍幾乎遍及樣品 的所有狀態(tài)，比如氣、液、固、凝膠、粉末、薄膜、膠體等，但早期由于光聲效應(yīng)太 弱，一致沒有得到重視，直到20實(shí)際70年代，隨著激光技術(shù)和微弱信號(hào)探測技術(shù)的發(fā) 展，特別是1971年Kreuzer利用可調(diào)諧激光器做光源，測得濃度低至10-7 μ g/L的氣體吸 收譜，并從理論上分析了使用激光光源和高靈敏度微弱信號(hào)探測器可對(duì)氣體光聲光譜檢 出限數(shù)量級(jí)達(dá)到10-13，在此以后，光聲光譜測量得以迅速發(fā)展。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是光 聲信號(hào)強(qiáng)度在樣品吸收光能沒達(dá)到飽和的情況下，與入射光強(qiáng)度成正比，隨著激光技術(shù) 的發(fā)展，提高入射光的能量以增加檢測靈敏度變得相對(duì)容易。[0003]由于光聲光譜分析儀具有的高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、實(shí)時(shí)檢測等突出優(yōu)點(diǎn)，使 得人們對(duì)光聲光譜檢測技術(shù)有極大興趣，不斷開發(fā)新光源，研究聲傳感技術(shù)和微弱信號(hào) 檢測技術(shù)，完善光聲光譜理論，使得基于光聲光譜技術(shù)的分析儀各方面性能有了顯著提 高，近幾年來，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、軍事戰(zhàn)場上對(duì)微量氣體監(jiān)測領(lǐng)域相繼開發(fā)了 不少基于光聲光譜的氣體檢測裝置。光聲光譜氣體分析儀主要由六部分組成單色光 源、調(diào)制器、光聲池、聲傳感器、信號(hào)放大及檢測，數(shù)據(jù)記錄和傳輸。商用定型的光聲 光譜儀很少，在實(shí)際應(yīng)用中一般需要根據(jù)研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)室的條件自行設(shè)計(jì)搭建。光 聲效應(yīng)激發(fā)的光聲信號(hào)由高靈敏度的聲傳感器來探測，通常使用駐極體式電容微音器。 一般設(shè)計(jì)的光聲光譜儀其單色光源、信號(hào)的放大和檢測系統(tǒng)位于現(xiàn)場，但在一些特殊場 合，如1)強(qiáng)磁電和放射性的環(huán)境，由于物理特性制約著普通麥克風(fēng)的操作，外部的強(qiáng)電 磁場的影響能夠引起這些設(shè)備功能的喪失甚至破壞他們。傳統(tǒng)的微音器，包括電容器、 駐極體和動(dòng)態(tài)的微音器，使用依靠含電容器或線圈的電子線路。這些在微音器中的電子 組件對(duì)電子的或電磁的干擾是非常敏感的；幻瓦斯環(huán)境，比如在煤礦挖掘現(xiàn)場?，F(xiàn)場 中電火花是禁止出現(xiàn)的，這意味著需要將相干光源的激發(fā)放在遠(yuǎn)程，將光源遠(yuǎn)程放置， 通過光纖導(dǎo)入到光聲池中，也就意味著電子的微音器存在安全的隱患；；3)在環(huán)境污染物 監(jiān)測和戰(zhàn)場環(huán)境中毒物檢測應(yīng)用中，因?yàn)闅怏w檢測設(shè)備分散布置，現(xiàn)場往往不能提供電 源，這就需要提供現(xiàn)場無源、結(jié)構(gòu)小巧、集成度和高靈敏性高的光聲池，以實(shí)現(xiàn)檢測的 便捷。[0004]<中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)>2008，28(34) p40 46.作者為云玉新、陳偉根、孫才 新、潘柳，名稱為“變壓器油中甲烷氣體的光聲光譜檢測方法”文章中提出了一種基 于光聲效應(yīng)的新型微量氣體檢測技術(shù)，具有靈敏度高，選擇性好，動(dòng)態(tài)檢測范圍大等優(yōu) 點(diǎn)，但這種檢測技術(shù)受限于測量環(huán)境，當(dāng)存在外部的電磁場時(shí)，嚴(yán)重影響到測量精度， 甚至檢測設(shè)備的功能會(huì)喪失。發(fā)明內(nèi)容[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本實(shí)用新型提出了一種基于馬赫曾德干 涉儀的全光的光聲光譜氣體檢測的方法和系統(tǒng)。[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的[0007]—種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源I、II、調(diào)制 器、光聲池、兩個(gè)2*2耦合器、馬赫曾德干涉儀和相位解調(diào)系統(tǒng)，相干光源I連接到調(diào)制 器，調(diào)制器通過普通光纖連接到光聲池激發(fā)待測氣體，產(chǎn)生微小聲音，構(gòu)成聲音激發(fā)光 路；相干光源II通過普通光纖連接到2*2耦合器上組成檢測光路，其特征在于馬赫曾德 干涉儀的一個(gè)臂作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里成為測試臂，另一臂作為參考臂 連接在2*2耦合器上；測試臂和參考臂各自連接到另一 2*2耦合器同向兩個(gè)輸入端上， 2*2耦合器經(jīng)普通光纖連接到相位解調(diào)系統(tǒng)上。[0008]所述的相位解調(diào)系統(tǒng)是通用的相位解調(diào)儀，如加拿大Avensys公司生產(chǎn)的型號(hào)為 DPSK的相位解調(diào)儀。[0009]本實(shí)用新型氣體檢測系統(tǒng)在使用時(shí)，將本實(shí)用新型系統(tǒng)中的光聲池置于需要檢 測的氣體環(huán)境或?qū)怏w抽取到光聲池中。相干光源I產(chǎn)生單色光后，通過調(diào)制器，光強(qiáng)產(chǎn) 生周期性的變化，通過較長的普通光纖連接到遠(yuǎn)端的光聲池，注入光聲池，與待測氣體 作用，產(chǎn)生聲音。相干光源II將產(chǎn)生的相干光通過較長的普通光纖注入2*2耦合器，即 進(jìn)入馬赫曾德干涉儀，干涉儀的測試臂封裝好后固定在光聲池內(nèi)，而參考臂留在光聲池 外，兩臂再通過另一 2*2耦合器發(fā)生干涉，干涉后的信號(hào)通過較長的普通光纖傳回相位 解調(diào)系統(tǒng)。利用馬赫曾德干涉儀的一個(gè)臂作為傳感器來探測聲音，單色光進(jìn)入光聲池， 待測氣體吸收光后，產(chǎn)生微小聲音，聲壓引起干涉儀一個(gè)臂的臂長等發(fā)生變化，而另一 臂作為參考不發(fā)生變化，兩臂產(chǎn)生光程差，干涉以后，產(chǎn)生明暗條紋的變化，即產(chǎn)生相 位的變化，通過后續(xù)的相位解調(diào)系統(tǒng)，檢測出相位的變化，從而確定聲壓，進(jìn)而推出氣 體的濃度。[0010]現(xiàn)有技術(shù)所用的光聲光譜氣體檢測原理如圖1所示，相干光源輻射出能夠被待 測氣體吸收的單色光，經(jīng)過調(diào)制器的調(diào)制變成光強(qiáng)周期性改變的單色光，進(jìn)入光聲池， 氣體吸收單色光后，引起它的周期性無輻射弛豫，宏觀上表現(xiàn)為壓力的周期性變化， 即形成聲波；聲傳感器探測到壓力波后將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，該電信號(hào)由鎖相放大器或 Boxcar積分器來檢測，并記錄下來，也可以送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)分析處理或存盤。[0011]本實(shí)用新型的具體作用原理如下相干光源產(chǎn)生的可被探測氣體吸收的單色 光，經(jīng)過調(diào)制后形成光強(qiáng)周期性改變的激光，進(jìn)入光聲池后，被氣體吸收，產(chǎn)生聲波， 受到聲壓的影響，封裝好的馬赫曾德干涉儀的傳感臂的長度，折射率等發(fā)生改變，引起 干涉儀兩臂的光程差發(fā)生改變，干涉后的相位發(fā)生改變，再通過相位解調(diào)系統(tǒng)，我們可以將相位的變化解調(diào)出來，這樣相位的變化反應(yīng)了聲壓的強(qiáng)度，而聲壓的強(qiáng)度和氣體的 濃度有著直接的關(guān)系，通過合適的算法即可表示出氣體的濃度。[0012]本實(shí)用新型具有以下的優(yōu)點(diǎn)在具有光聲光譜方法高靈敏度的同時(shí)，無電子組 件連接在光纖探頭上，任何的電磁性或靜電干擾對(duì)微音器不起作用，可在強(qiáng)電磁、放射 性環(huán)境中正常使用；全光纖的聲音探測系統(tǒng)，不與瓦斯等易燃易爆氣體發(fā)生作用，可用 于特殊氣體環(huán)境的檢測；基于光纖的系統(tǒng)，便于多個(gè)復(fù)用，組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的遠(yuǎn)距 離監(jiān)控。


[0013]圖1是現(xiàn)有技術(shù)所用光聲光譜氣體檢測的結(jié)構(gòu)示意圖。[0014]其中1、相干光源、2、調(diào)制器、3、光聲池、4、微音器、5、信號(hào)放大及檢測 部分，6、數(shù)據(jù)記錄和傳輸部分。[0015]圖2是本實(shí)用新型氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0016]其中7、相干光源I、8、調(diào)制器、9、普通光纖，10、光聲池、11、相干光源 II，12、普通光纖，13、2*2耦合器，14、測試臂，15、參考臂，16、2*2耦合器，17、普通光纖，18、相位解調(diào)系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
[0017]
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，但不限于此。[0018]實(shí)施例[0019]本實(shí)用新型實(shí)施例如圖2所示，包括相干光源I 7、1111、調(diào)制器8、光聲池10、 兩個(gè)2*2耦合器13、16、馬赫曾德干涉儀和相位解調(diào)系統(tǒng)18，相干光源I 7連接到調(diào)制 器8，調(diào)制器8通過普通光纖9連接到光聲池10里激發(fā)待測氣體，產(chǎn)生微小聲音，構(gòu)成聲 音激發(fā)光路；相干光源II 11通過普通光纖12連接到2*2耦合器13上組成檢測光路，其 特征在于馬赫曾德干涉儀的一個(gè)臂作為探測聲音的傳感器固定在光聲池10里成為測試臂 14，另一臂作為參考臂15連接在2*2耦合器13上；測試臂14和參考臂15各自連接到另 一 2*2耦合器16同向兩個(gè)輸入端上，2*2耦合器16經(jīng)普通光纖17連接到相位解調(diào)系統(tǒng) 18上。權(quán)利要求1. 一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，包括相干光源I、II、調(diào)制 器、光聲池、兩個(gè)2*2耦合器、馬赫曾德干涉儀和相位解調(diào)系統(tǒng)，相干光源I連接到調(diào)制 器，調(diào)制器通過普通光纖連接到光聲池激發(fā)待測氣體，產(chǎn)生微小聲音，構(gòu)成聲音激發(fā)光 路；相干光源II通過普通光纖連接到2*2耦合器上組成檢測光路，其特征在于馬赫曾德 干涉儀的一個(gè)臂作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里成為測試臂，另一臂作為參考臂 連接在2*2耦合器上；測試臂和參考臂各自連接到另一 2*2耦合器同向兩個(gè)輸入端上， 2*2耦合器經(jīng)普通光纖連接到相位解調(diào)系統(tǒng)上。
專利摘要一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，屬氣體檢測技術(shù)，包括相干光源I、II及相位解調(diào)系統(tǒng)等，相干光源I連接到調(diào)制器，調(diào)制器通過普通光纖連接到光聲池里，光強(qiáng)周期性變化的單色光作用于待測氣體，產(chǎn)生微小聲音；相干光源II通過普通光纖連接到2*2耦合器上，組成檢測光路，其特征在于馬赫曾德干涉儀的一個(gè)臂作為探測聲音的傳感器固定在光聲池里成為測試臂，另一臂作為參考臂連接在2*2耦合器上；測試臂和參考臂各自連接到另一2*2耦合器同向的兩端上，2*2耦合器經(jīng)普通光纖連接到相位解調(diào)系統(tǒng)上。本實(shí)用新型可在強(qiáng)電磁、放射性環(huán)境中正常使用，可用于特殊氣體環(huán)境的檢測；便于多個(gè)復(fù)用，組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的監(jiān)控。
文檔編號(hào)G01N21/17GK201811917SQ20102027358
公開日2011年4月27日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者公培軍, 孔德龍, 宋復(fù)俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學(xué)