[发明专利]共振光声光谱检测系统与方法

说明书

本发明涉及一种共振式光声信号检测装置，该装置采用闭环控制的方法，动态地调整可调谐声传感器的谐振频率，使其与光声池的谐振频率相同，达到共振，有效地提高了系统的检测灵敏度。

技术领域

本发明属于微量气体检测领域，具体的涉及一种高灵敏光声光谱检测系统与方法，该系统采用可调谐声传感器与谐振式光声池实现共振，大幅提高了气体检测的灵敏度，属光声光谱检测领域。

背景技术

近年来，随着全球自然灾害污染源（森林火灾、火山爆发和自然尘等）的频发以及人为污染源（化工燃料燃烧、工厂气体排放、交通运输及农业活动等）的加重，大气污染问题已经引起人们的广泛关注。其中污染源状态分为气溶胶和气体两种状态，相较于气溶胶状态的污染源而言，气体污染源的浓度以及成分分析的监测处理技术对科技人员挑战更大，光声光谱检测技术在大气污染的检测过程中得到了重要的应用。这种检测技术不仅对于气体污染物特性的检测有着自身的巨大优势，还在电力系统变压器油的监测分析中得到了充分的体现。随着国民经济的快速发展，各行各业对于电力的需求持续上升，现今，电力系统也正朝着超高压，大容量和自动化方向而发展。目前国内外高电压、大容量电力变压器普遍采用充油式变压器。为保障电网的安全运行，必须对大型充油变压器等电气设备的健康状况进行预防性检验和在线监测。

近年来，随着光源，选频器件，光声池，声传感器，微弱信号检测以及信号处理等技术的不断发展，光声光谱检测得到快速发展，使得基于光声光谱的微弱信号检测系统逐渐应用到各行各业（火灾监测、工厂排放废气监测、矿井气体浓度监测等）。对于混合气体的浓度以及组分分析其检测优势主要表现在以下几个方面：1）非接触性测量，不需要消耗载气；2）不需要分离气体；3）检测速度快，可实现连续测量；4）直接测量气体吸收光能的大小，检测灵敏度高，检测范围宽。

传统的基于共振式光声池的光声光谱的检测系统是通过宽频带，高能量的光源产生与气体特征吸收波长相匹配光束，光经过斩波器调制，进入光声池，池中气体分子吸收后发生无辐射跃迁产生声信号，通过声传感器来提取光声信号，信号分析与处理系统接收后再进行频谱分析。这种较为传统的检测方法是利用斩波器使入射光频率与光声池谐振频率达到匹配实现共振获得高Q值来放大光声信号，其系统检测灵敏度并不能完全满足现今对于微量气体高精度检测的要求。因此一种能够进一步增强光声信号、实现双共振式的光学检测系统具有重要的应用价值。

目前已有这方面的尝试，该技术采用固定谐振频率的悬臂梁声传感器，通过调节光声池的温度来改变光声池的谐振频率，并实现声传感器与光声池的谐振频率达到共振。这种方法的缺点是光声池具有较大体积与质量，温度补偿的速度很慢，并且很难达到均匀，而一些影响谐振频率漂移的因素都是很快速的，如压力波动等，因此该方法的共振效果很差。一种调节快速、高精确度的匹配方式对于目前的光声光谱检测技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于可调谐声传感器，实现光声池与声传感器谐振频率共振的光声光谱检测系统，旨在解决在检测过程中的因光声池的谐振频率与声传感器谐振频率不匹配导致光声信号较弱、检测灵敏度较低的问题，以得到更高精度的光声光谱检测能力，使其更有效地应用于超微量气体的检测领域。

由于光声池与声传感器Q值比较高，两者实现共振系统Q值更高，因而微小的频率漂移将对光声信号产生显著的影响。这些漂移的速度相对较快，因此将采用可调谐MEMS声传感器来实现频率的跟踪锁定。

在光声光谱的声探测技术中，目前最灵敏手段的是采用MEMS器件结合光学检测的方法。本发明在这种技术的基础上，设计多种方式来实现声传感器的调谐。一种方式是利用涂覆压电薄膜来调节声传感器的谐振频率；另一种方式是用施加应力载荷的方式改变传感器频率的原理实现可调谐；再一种方式是改变MEMS声传感器的几何结构，有调节范围大，简单快速容易调节的优点。