[发明专利]一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法

权利要求书

1.一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统包括光源(1)、光调制器(2)、共振式光声池(3)、进气口(4)、出气口(5)、悬臂梁传声器(6)、锁相放大器(7)、计算机(8)和恒温箱(9)；光源(1)与共振式光声池(3)之间设置光调制器(2)，光经光调制器(2)调制后入射到共振式光声池(3)；所述的共振式光声池(3)是一阶纵向共振光声池，共振频率为1.6kHz，品质因数Q为28；悬臂梁传声器(6)是基于光纤法布里-珀罗干涉仪结构的悬臂梁传声器，由光纤悬臂梁传声器探头和光纤声波解调模块构成，其共振频率为1.6kHz，品质因数Q为15；所述的光纤悬臂梁传声器探头采用光纤法布里-珀罗干涉仪结构，由光纤(201)、陶瓷插针(202)、不锈钢外壳(203)和不锈钢悬臂梁膜片(204)构成；陶瓷插针(202)和不锈钢悬臂梁膜片(204)之间的空气间隙构成法布里-珀罗腔；共振式光声池(3)上设有进气口(4)和出气口(5)，用于待测气体的进入和排出；共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)置于恒温箱(9)内部，悬臂梁传声器(6)安装在共振式光声池(3)上，用于探测共振式光声池(3)内气体分子跃迁形成的声波信号，并将声波信号转化为电信号；锁相放大器(7)的信号输入端与悬臂梁传声器(6)相连，参考输入端与光调制器(2)相连，分别用于接收并放大悬臂梁传声器(6)传输的电信号和光调制器(2)传输的调制信号；计算机(8)与锁相放大器(7)相连，用于设置锁相放大器(7)的工作参数并对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理和显示。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统，其特征在于，所述的光源(1)是用于气体检测的窄线宽激光器；所述的光调制器(2)是光学斩波器；所述的锁相放大器(7)是数字锁相放大器，用于改善光声信号检测的信噪比。

3.一种如权利要求1所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统的检测方法，其特征在于，通过将悬臂梁传声器(6)与共振式光声池(3)的共振频率匹配，实现对光声信号的双共振增强放大；具体步骤如下：

首先通过设置恒温箱(9)的温度，对共振式光声池(3)的共振频率进行微调，使共振式光声池(3)和悬臂梁传声器(6)的共振频率实现精确匹配；光调制器(2)对来自光源(1)的光进行强度调制后，射入到共振式光声池(3)中；然后将待测气体从进气口(4)通入共振式光声池(3)中，共振式光声池(3)中的气体分子吸收光能后发生无辐射跃迁，跃迁产生的热能使气体发生周期性运动并形成声波；悬臂梁传声器(6)将探测的声波信号转换为电信号后输入到锁相放大器(7)的信号输入端；同时，光调制器(2)将调制信号输入到锁相放大器(7)的参考输入端；计算机(8)设置锁相放大器(7)的工作参数，锁相放大器(7)将接收的信号进行放大，最后计算机(8)对锁相放大器(7)输出的光声信号测量值进行采集、处理、显示，测量后的气体从出气口(5)排出。

4.根据权利要求3所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统的 检测方法，其特征在于，所述的共振式光声池(3)的一阶共振频率范围为500Hz-10kHz。

5.根据权利要求4所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统的 检测方法，其特征在于，所述的光调制器(2)的调制频率与共振式光声池(3)的一阶共振频率相等。

6.根据权利要求3或4所述的悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统的 检测方法，其特征在于，所述的恒温箱(9)的温度调节范围为20-50℃，用于对共振式光声池(3)的共振频率进行微调。