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的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于馬赫曾德干涉儀的全光學的光聲光譜氣體檢測系統，具體講 是一種利用馬赫曾德干涉儀德一個臂作為光學微音器進行光聲光譜氣體檢測的系統。
背景技術：
光聲效應是基于物質吸收調制光后通過無輻射熱馳豫放熱而激發出聲波的效應， 早在1880年Bell等就發現了光聲效應。在諸多進行氣體濃度檢測的吸收光譜法度中，光聲 光譜技術具有以下優點測試范圍廣。光聲技術是檢測物質通過無輻射躍遷直接吸收的光 能信號，而不是測量透射過樣品的光能信號，這樣樣品對入射光的反射、散射不會影響到測 量結果，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，比如 氣、液、固、凝膠、粉末、薄膜、膠體等，但早期由于光聲效應太弱，一致沒有得到重視，直到20 實際70年代，隨著激光技術和微弱信號探測技術的發展，特別是1971年Kreuzer利用可調 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探測器可對氣體光聲光譜檢出限數量級達到10-13，在此以后，光聲 光譜測量得以迅速發展。另一個優點就是光聲信號強度在樣品吸收光能沒達到飽和的情 況下，與入射光強度成正比，隨著激光技術的發展，提高入射光的能量以增加檢測靈敏度變 得相對容易。由于光聲光譜分析儀具有的高靈敏度、大動態范圍、實時檢測等突出優點，使得人 們對光聲光譜檢測技術有極大興趣，不斷開發新光源，研究聲傳感技術和微弱信號檢測技 術，完善光聲光譜理論，使得基于光聲光譜技術的分析儀各方面性能有了顯著提高，近幾年 來，在工農業生產、環境監測、軍事戰場上對微量氣體監測領域相繼開發了不少基于光聲光 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、調制器、光聲池、 聲傳感器、信號放大及檢測，數據記錄和傳輸。商用定型的光聲光譜儀很少，在實際應用中 一般需要根據研究對象及實驗室的條件自行設計搭建。光聲效應激發的光聲信號由高靈敏 度的聲傳感器來探測，通常使用駐極體式電容微音器。一般設計的光聲光譜儀其單色光源、 信號的放大和檢測系統位于現場，但在一些特殊場合，如1)強磁電和放射性的環境，由于 物理特性制約著普通麥克風的操作，外部的強電磁場的影響能夠引起這些設備功能的喪失 甚至破壞他們。傳統的微音器，包括電容器、駐極體和動態的微音器，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電子的或電磁的干擾是非常敏感的；2)瓦 斯環境，比如在煤礦挖掘現場。現場中電火花是禁止出現的，這意味著需要將相干光源的激 發放在遠程，將光源遠程放置，通過光纖導入到光聲池中，也就意味著電子的微音器存在安 全的隱患；3)在環境污染物監測和戰場環境中毒物檢測應用中，因為氣體檢測設備分散布 置，現場往往不能提供電源，這就需要提供現場無源、結構小巧、集成度和高靈敏性高的光 聲池，以實現檢測的便捷。<中國電機工程學報>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的
3新型微量氣體檢測技術，具有靈敏度高，選擇性好，動態檢測范圍大等優點，但這種檢測技 術受限于測量環境，當存在外部的電磁場時，嚴重影響到測量精度，甚至檢測設備的功能會喪失。
發明內容
為了克服現有技術存在的缺陷和不足，本發明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。本發明的技術方案是按以下方式實現的—種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統，包括相干光源1、11、調制器、 光聲池、兩個2*2耦合器、馬赫曾德干涉儀和相位解調系統，相干光源I連接到調制器，調制 器通過普通光纖連接到光聲池激發待測氣體，產生微小聲音，構成聲音激發光路；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耦合器同向兩個輸入端上，2*2耦合器經普通光纖 連接到相位解調系統上。所述的相位解調系統是通用的相位解調儀，如加拿大Avensys公司生產的型號為 DPSK的相位解調儀。本發明氣體檢測系統在使用時，將本發明系統中的光聲池置于需要檢測的氣體環 境或將氣體抽取到光聲池中。相干光源I產生單色光后，通過調制器，光強產生周期性的變 化，通過較長的普通光纖連接到遠端的光聲池，注入光聲池，與待測氣體作用，產生聲音。相 干光源II將產生的相干光通過較長的普通光纖注入2*2耦合器，即進入馬赫曾德干涉儀， 干涉儀的測試臂封裝好后固定在光聲池內，而參考臂留在光聲池外，兩臂再通過另一 2*2 耦合器發生干涉，干涉后的信號通過較長的普通光纖傳回相位解調系統。利用馬赫曾德干 涉儀的一個臂作為傳感器來探測聲音，單色光進入光聲池，待測氣體吸收光后，產生微小聲 音，聲壓引起干涉儀一個臂的臂長等發生變化，而另一臂作為參考不發生變化，兩臂產生光 程差，干涉以后，產生明暗條紋的變化，即產生相位的變化，通過后續的相位解調系統，檢測 出相位的變化，從而確定聲壓，進而推出氣體的濃度。現有技術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，經過調制器的調制變成光強周期性改變的單色光，進入光聲池，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變為電信號，該電信號由鎖相放大器或Boxcar積分器來 檢測，并記錄下來，也可以送給遠程計算機分析處理或存盤。本發明的具體作用原理如下相干光源產生的可被探測氣體吸收的單色光，經過 調制后形成光強周期性改變的激光，進入光聲池后，被氣體吸收，產生聲波，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，折射率等發生改變，引起干涉儀兩臂的光程 差發生改變，干涉后的相位發生改變，再通過相位解調系統，我們可以將相位的變化解調出 來，這樣相位的變化反應了聲壓的強度，而聲壓的強度和氣體的濃度有著直接的關系，通過 合適的算法即可表示出氣體的濃度。本發明具有以下的優點在具有光聲光譜方法高靈敏度的同時，無電子組件連接
4在光纖探頭上，任何的電磁性或靜電干擾對微音器不起作用，可在強電磁、放射性環境中正 常使用；全光纖的聲音探測系統，不與瓦斯等易燃易爆氣體發生作用，可用于特殊氣體環境 的檢測；基于光纖的系統，便于多個復用，組成網絡，實現多點的遠距離監控。
圖1是現有技術所用光聲光譜氣體檢測的結構示意圖。其中1、相干光源、2、調制器、3、光聲池、4、微音器、5、信號放大及檢測部分，6、數 據記錄和傳輸部分。圖2是本發明氣體檢測系統的結構示意圖。其中7、相干光源1、8、調制器、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、相位解調系統。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。實施例本發明實施例如圖2所示，包括相干光源I 7、1111、調制器8、光聲池10、兩個2*2 耦合器13、16、馬赫曾德干涉儀和相位解調系統18，相干光源I 7連接到調制器8，調制器8 通過普通光纖9連接到光聲池10里激發待測氣體，產生微小聲音，構成聲音激發光路；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 向兩個輸入端上，2*2耦合器16經普通光纖17連接到相位解調系統18上。
權利要求
一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統，包括相干光源I、II、調制器、光聲池、兩個2*2耦合器、馬赫曾德干涉儀和相位解調系統，相干光源I連接到調制器，調制器通過普通光纖連接到光聲池激發待測氣體，產生微小聲音，構成聲音激發光路；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耦合器同向兩個輸入端上，2*2耦合器經普通光纖連接到相位解調系統上。
全文摘要
一種基于馬赫曾德干涉儀的光聲光譜氣體檢測系統，屬氣體檢測技術，包括相干光源I、II及相位解調系統等，相干光源I連接到調制器，調制器通過普通光纖連接到光聲池里，光強周期性變化的單色光作用于待測氣體，產生微小聲音；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耦合器經普通光纖連接到相位解調系統上。本發明可在強電磁、放射性環境中正常使用，可用于特殊氣體環境的檢測；便于多個復用，組成網絡，實現多點的監控。
文檔編號G01N21/17GK101936879SQ201010238620
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者公培軍, 孔德龍, 宋復俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學