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专利号: 2021103393426
申请人: 安徽工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-07-17
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统,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、目标气体2和目标气体3的待测气体;

其中,激励激光器模块用于同时产生三路指定调制频率指定波长的激光1、激光2和激光3,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,目标气体3与激光3进行作用产生声波信号3,声波信号1、声波信号2和声波信号3传递给无源音叉,使得无源音叉在前后方向上同时产生不同振动频率的反相共振,导致光纤微振动传感模块在前后振动方向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三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、目标气体2和目标气体3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的调制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的调制频率略小于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半,激光3的波长为目标气体3的吸收谱线上的波长,激光3的调制频率略大于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半。

2.如权利要求1所述无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统,其特征在于,激励激光器模块包括:

激光器1、激光器2和激光器3,激光器1、激光器2和激光器3通过光纤分别与光纤准直器

1、光纤准直器2及光纤准直器3连接,及设于无源音叉两振臂间的夹缝的微声学谐振管1及微声学谐振管2,微声学谐振管1的共振频率为激光2调制频率的两倍,微声学谐振管2的共振频率为激光3调制频率的两倍;

激光器1产生指定调制频率指定波长的激光1,激光1输出至光纤准直器1,光纤准直器1出射的准直激光1直接射入无源音叉两振臂间的夹缝,与目标气体1作用产生声波信号1,直接传递给无源音叉,引起无源音叉在前后方向上的反相共振,无源音叉的共振频率与激光1的调制频率相等;

激光器2产生指定调制频率指定波长的激光2,激光2输出至光纤准直器2,光纤准直器2出射的准直激光2入射到微声学谐振管1,与目标气体2作用产生的声波信号2经过微声学谐振管1放大后传递给无源音叉共振,引起无源音叉在前后方向上的反相共振,无源音叉的共振频率与激光2的调制频率相等;

激光器3产生指定调制频率指定波长的激光3,激光3输出至光纤准直器3,光纤准直,3出射的准直激光3入射到微声学谐振管2,与目标气体3作用产生的声波信号3经过微声学谐振管2放大后传递给无源音叉共振,引起无源音叉在前后方向上的反相共振,无源音叉的共振频率与激光3的调制频率相等。

3.如权利要求1或2所述无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统,其特征在于,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、声波信号2和声波信号3在前后方向上产生不同振动频率的反相共振。

4.如权利要求1所述无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统,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摄入,透过无源音叉两振臂间的狭缝。

5.如权利要求1所述无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统,其特征在于,光纤微振动传感模块包括:

探测光源、光纤干涉仪及信号解调模块,探测光源通过光纤和光纤干涉仪连接,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反射薄膜,反射薄膜设于无源音叉振臂的振动方向,探测光源输出探测激光经过光纤干涉仪入射至反射薄膜,探测光又经反射薄膜的反射进入光纤干涉仪,由于无源音叉振臂在前后方向上的振动引起无源音叉振臂至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。

6.一种无源音叉共振增强的全光纤三气体探测光声光谱系统的气体浓度探测方法,其特征在于,所述方法具体包括如下步骤:S1、基于气室内待测的目标气体1、目标气体2和目标气体3的吸收谱线分别确定激光1、激光2和激光3的波长;

S2、基于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率分别确定激光1、激光2和激光3的调制频率,激光1的调制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的调制频率略小于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半,激光3的调制频率略大于无源音叉在前后方向上的最小反相共振频率的一半;

S3、激励激光器模块同时输出相应调制频率和波长的激光1、激光2和激光3,将激光1、激光2和激光3入射至无源音叉两振臂间的狭缝,分别与气室内的目标气体1、目标气体2和目标气体3作用,同时产生声波信号1、声波信号2和声波信号3;

S4、声波信号1直接传递给无源音叉,声波信号2和声波信号3分别经过两个微声学谐振管放大后传递给无源音叉,无源音叉基于声波信号1、声波信号2和声波信号3在前后方向上同时产生三个频率的反相振动,引起光纤干涉仪距无源音叉振臂的距离发生变化;

S5、光纤干涉仪分别采集基于对应距离变化而引起的干涉光相位差变化,通过锁相放大器提取二次谐波信号,进而得到目标气体1、目标气体2和目标气体3的气体浓度。