[发明专利]一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于马赫曾德干涉仪的全光学的光声光谱气体检测系统，具体讲是一种利用马赫曾德干涉仪德一个臂作为光学微音器进行光声光谱气体检测的系统。

背景技术

光声效应是基于物质吸收调制光后通过无辐射热驰豫放热而激发出声波的效应，早在1880年Bell等就发现了光声效应。在诸多进行气体浓度检测的吸收光谱法度中，光声光谱技术具有以下优点：测试范围广。光声技术是检测物质通过无辐射跃迁直接吸收的光能信号，而不是测量透射过样品的光能信号，这样样品对入射光的反射、散射不会影响到测量结果，完全不透明和高散射的样品也能测量，测量范围几乎遍及样品的所有状态，比如：气、液、固、凝胶、粉末、薄膜、胶体等，但早期由于光声效应太弱，一致没有得到重视，直到20实际70年代，随着激光技术和微弱信号探测技术的发展，特别是1971年Kreuzer利用可调谐激光器做光源，测得浓度低至10-7μg/L的气体吸收谱，并从理论上分析了使用激光光源和高灵敏度微弱信号探测器可对气体光声光谱检出限数量级达到10-13，在此以后，光声光谱测量得以迅速发展。另一个优点就是：光声信号强度在样品吸收光能没达到饱和的情况下，与入射光强度成正比，随着激光技术的发展，提高入射光的能量以增加检测灵敏度变得相对容易。

由于光声光谱分析仪具有的高灵敏度、大动态范围、实时检测等突出优点，使得人们对光声光谱检测技术有极大兴趣，不断开发新光源，研究声传感技术和微弱信号检测技术，完善光声光谱理论，使得基于光声光谱技术的分析仪各方面性能有了显著提高，近几年来，在工农业生产、环境监测、军事战场上对微量气体监测领域相继开发了不少基于光声光谱的气体检测装置。光声光谱气体分析仪主要由六部分组成：单色光源、调制器、光声池、声传感器、信号放大及检测，数据记录和传输。商用定型的光声光谱仪很少，在实际应用中一般需要根据研究对象及实验室的条件自行设计搭建。光声效应激发的光声信号由高灵敏度的声传感器来探测，通常使用驻极体式电容微音器。一般设计的光声光谱仪其单色光源、信号的放大和检测系统位于现场，但在一些特殊场合，如1)强磁电和放射性的环境，由于物理特性制约着普通麦克风的操作，外部的强电磁场的影响能够引起这些设备功能的丧失甚至破坏他们。传统的微音器，包括电容器、驻极体和动态的微音器，使用依靠含电容器或线圈的电子线路。这些在微音器中的电子组件对电子的或电磁的干扰是非常敏感的；2)瓦斯环境，比如在煤矿挖掘现场。现场中电火花是禁止出现的，这意味着需要将相干光源的激发放在远程，将光源远程放置，通过光纤导入到光声池中，也就意味着电子的微音器存在安全的隐患；3)在环境污染物监测和战场环境中毒物检测应用中，因为气体检测设备分散布置，现场往往不能提供电源，这就需要提供现场无源、结构小巧、集成度和高灵敏性高的光声池，以实现检测的便捷。

<中国电机工程学报>2008，28(34)：p40～46.作者为云玉新、陈伟根、孙才新、潘翀，名称为“变压器油中甲烷气体的光声光谱检测方法”文章中提出了一种基于光声效应的新型微量气体检测技术，具有灵敏度高，选择性好，动态检测范围大等优点，但这种检测技术受限于测量环境，当存在外部的电磁场时，严重影响到测量精度，甚至检测设备的功能会丧失。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于马赫曾德干涉仪的全光的光声光谱气体检测的方法和系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于马赫曾德干涉仪的光声光谱气体检测系统，包括相干光源I、II、调制器、光声池、两个2*2耦合器、马赫曾德干涉仪和相位解调系统，相干光源I连接到调制器，调制器通过普通光纤连接到光声池激发待测气体，产生微小声音，构成声音激发光路；相干光源II通过普通光纤连接到2*2耦合器上组成检测光路，其特征在于马赫曾德干涉仪的一个臂作为探测声音的传感器固定在光声池里成为测试臂，另一臂作为参考臂连接在2*2耦合器上；测试臂和参考臂各自连接到另一2*2耦合器同向两个输入端上，2*2耦合器经普通光纤连接到相位解调系统上。

所述的相位解调系统是通用的相位解调仪，如加拿大Avensys公司生产的型号为DPSK的相位解调仪。