[发明专利]基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统及其探测方法

权利要求书

1.一种基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，所述系统包括：

激励激光器模块、无源音叉、气室、光纤微振动传感模块及和气体信息分析模块，无源音叉设于气室内，气室充满含有目标气体1及目标气体2的待测气体；

其中，激励激光器模块用于同时产生两路指定调制频率指定波长的激光1及激光2，并传输至无源音叉两振臂间的夹缝，目标气体1与激光1进行作用产生声波信号1，目标气体2与激光2进行作用产生声波信号2，声波信号1及声波信号2传递给无源音叉，使得无源音叉同时产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振，导致光纤微振动传感模块在前后振动方向及左右振动上距无源音叉振臂的距离发生变化，光纤微振动传感模块分别采集基于上述两个距离变化所引起的干涉光相位差变化，气体信息分析模块进而同时计算目标气体1及目标气体2的气体浓度；

激光1的波长为目标气体1的吸收谱线上的波长，激光1的频率为无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半，激光2的波长为目标气体2的吸收谱线上的波长，激光2的频率为无源音叉在左右方向上的最小反相共振频率的一半；

无源音叉由两个振臂及连接两个振臂的底座连接，振臂材料为硅、二氧化硅、铜或铝，无源音叉基于声波信号1及声波信号2分别产生前后方向上的反相共振及左右方向上的反相共振；

无源音叉的振臂宽度、厚度和长度为w、T和L，两振臂间距为s，一根振臂外侧镀有反射薄膜，薄膜宽度为w，靠近振臂外侧顶部，用于反射探测光；所述无源音叉工作在反相共振模式，两振臂反相运动，无源音叉的共振频率和其参数的关系如下：

式中：E和ρ分别是无源音叉的杨氏模量和密度，v_n是常数，对于基模振动，v₀＝1.194，由公式可知：通过调整无源音叉材料及振臂的厚度和长度可以改变音叉的共振频率；

光纤微振动传感模块包括：

探测光源、两个光纤干涉仪及信号解调模块，探测光源通过光纤和两个光纤干涉仪连接，两个光纤干涉仪通过光纤与信号解调模块连接；

以及设置无源音叉振臂上的两个反射薄膜，两个反射薄膜分别设于无源音叉振臂的两个振动方向，探测光源输出探测激光分别经过两个光纤干涉仪入射至两个反射薄膜，两路探测光又经反射薄膜的反射分别进入两个光纤干涉仪，由于无源音叉振臂在前后方向上及左右方向上的振动引起无源音叉振臂至两个光纤干涉仪间的距离变化，光纤干涉仪采集干涉光的相位差变化，信号解调模块还原出光纤干涉仪的相位变化。

2.如权利要求1所述基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，激励激光器模块包括：

激光器1和激光器2，激光器1及激光器2通过光纤与波分复用器连接，波分复用器通过光纤与光纤准直器连接，激光器1产生指定调制频率指定波长的激光1，激光器2产生指定调制频率指定波长的激光2；

激光1及激光2通过光纤传输至波分复用器，波分复用器将激光1及激光2耦合成一束激光，耦合后的激光束经光纤输出至激光准直器，激光准直器输出的准直激光对准无源音叉两振臂间的夹缝。

3.如权利要求1所述基于无源音叉的全光纤双气体同步探测光声光谱系统，其特征在于，气室包括：

气室本体及设于气室本体上的入射窗及出射窗，入射窗及出射窗布置于激光入射方向上，无源音叉两振臂间的狭缝对准入射窗，使得准直激光从射入光窗射入，透过无源音叉两振臂间的狭缝。