基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光聲光譜測量技術(shù)，具體為一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法及裝置。解決了目前光聲光譜技術(shù)測定氣體濃度時容易受外界電磁環(huán)境干擾的技術(shù)問題。一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；還包括邁克爾遜全光學(xué)探測方法：引入一束探測光，將其分解為兩束，一束入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側(cè)面，發(fā)生反射后與另一束光發(fā)生邁克爾遜干涉，產(chǎn)生等厚干涉條紋；采集一條或多條亮紋隨振臂振動而在該固定接收面所產(chǎn)生的光強變化量，根據(jù)該光強變化量得到待測氣體的濃度。本發(fā)明測量精度非常高，有效避免了電磁環(huán)境的干擾，充分發(fā)揮了邁克爾遜干涉原理的優(yōu)點。
【專利說明】基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光聲光譜測量技術(shù)，具體為一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)以及經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，環(huán)境問題也日益凸顯，無論出于工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控還是人們健康生活，對氣體質(zhì)量的監(jiān)測正變得越來越重要，相關(guān)研究人員也一直為此進行著不懈的努力。激光光聲光譜技術(shù)便是發(fā)展較為成熟的一種氣體探測技術(shù)，它具有探測靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)范圍大以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在空氣質(zhì)量監(jiān)測，石油化工、航天醫(yī)療以及國防科研等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的激光光聲光譜技術(shù)采用麥克風(fēng)作為光聲信號探測器件，很容易受到外界環(huán)境噪聲的影響且采集到的信號并不便于遠距離傳輸分析。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，Kosterev等人創(chuàng)造性的用石英音叉代替麥克風(fēng)作為光聲信號探測器并首次提出石英增強光聲光譜技術(shù)，并于2005年6月2日在美國申請獲得發(fā)明專利(專利說明書為USZOOS /0117155AI )。利用該專利所述儀器探測時，由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出頻率為石英音叉共振頻率A的一半f/2的正弦交流信號通過激光控制器對激光頻率進行調(diào)制，與此同時，激光控制器提供一定大小的直流電流使激光器輸出光波長恰好位于待測氣體的特定吸收線波長處。位于音叉式石英晶振兩振臂間隙附近的待測氣體樣品吸收受調(diào)制的激光后將產(chǎn)生頻率與音叉式石英晶振的共振頻率A相同的聲波。由于聲波的頻率與音叉式石英晶振的共振頻率相同，因此二者會產(chǎn)生共振。音叉的振動在其自身壓電效應(yīng)的特性下會轉(zhuǎn)化為壓電電流，該微弱電流經(jīng)前置放大器放大后傳輸至鎖相放大器進行解調(diào)最終獲得包含待測氣體信息的吸收譜信號。
[0004]該方法目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但仍然有一些應(yīng)用限制。首先，前置放大器必須安置在距離音叉式石英晶振非常近的地方，以避免微弱的壓電信號淹沒在噪聲之中；其次，為了把前置放大器與外界電磁場隔離，接地良好的電磁屏蔽罩必須被使用，否則很容易串入電磁噪聲。這樣，當測量位置處空間很小時，無法安放前置放大器，或者當測量處電磁場干擾很大，這時信噪比就會被惡化，從而無法完成測量。因此迫切的需要一種能夠在強電磁干擾下進行氣體濃度測量的且測量精度高的方法及裝置。
[0005]傳統(tǒng)的光聲光譜技術(shù)中，采用激光器、光束聚焦器、氣體池、音叉式石英晶振等組成的用于激發(fā)待測氣體產(chǎn)生聲波的方法稱為基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；音叉式石英晶振包括一對通過下部固定在一起、間隔一定且豎直設(shè)置的振臂，兩振臂相對的一面稱作內(nèi)側(cè)面，與內(nèi)側(cè)面相對的一面稱為外側(cè)面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決目前光聲光譜技術(shù)測定氣體濃度時容易受外界電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致測量精度不高的技術(shù)問題，提供一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法及裝置。
[0007]本發(fā)明所述基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；還包括邁克爾遜全光學(xué)探測方法；所述邁克爾遜全光學(xué)探測方法采用以下步驟:引入一束探測光，將其分解為兩束，一束入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側(cè)面，發(fā)生反射后與另一束光發(fā)生邁克爾遜干涉，產(chǎn)生等厚干涉條紋；通過采用與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌使一條或多條亮紋透射至一個固定接收面而將其余部分遮擋，采集一條或多條亮紋隨振臂振動而在該固定接收面所產(chǎn)生的光強變化量，根據(jù)該光強變化量得到待測氣體的濃度；所述一條或多條亮紋的光強變化量八1=1±— I+，式中1±、I+分別是采集到的一條或多條亮紋的光強最大值和最小值；所述采集到的一條或多條亮紋的光強變化量△ I與音叉式石英晶振的振幅成線性關(guān)系，而音叉式石英晶振的振幅與待測氣體的濃度y成線性關(guān)系，可知一條或多條亮紋的光強變化量△ I與待測氣體濃度y成線性關(guān)系；設(shè)亮紋的光強變化量Λ I與某一種待測氣體濃度y的關(guān)系式為y=kA I+b，式中k，b為待定常數(shù)；至少取兩份濃度已知的該種待測氣體樣品，分別測出至少兩份待測氣體樣品吸收激光能量后產(chǎn)生聲波引起的探測光發(fā)生邁克爾遜干涉所產(chǎn)生的一條或多條亮紋的光強變化量，根據(jù)至少兩組[y，Δ I]值擬合出k和b，即得到一條或多條亮紋的光強變化量Δ I與待測氣體濃度y的定量關(guān)系，據(jù)此就可以用于測定該種氣體的濃度；選擇不同氣體的樣品，擬合出每種氣體對應(yīng)的k，b值，就可用于測定這些氣體的濃度。
[0008]傳統(tǒng)的石英增強光聲光譜技術(shù)是靠壓電效應(yīng)把音叉的兩振臂的振動轉(zhuǎn)化為電流，通過前置放大器放大后進行檢測。本發(fā)明中，區(qū)別于傳統(tǒng)的石英增強光聲光譜技術(shù)，采用了一種邁克爾遜全光學(xué)探測方法，該方法引入了一束探測光，將該探測光分為兩束，將一束光打在音叉式石英晶振的一個振臂的外側(cè)面的反射膜上，反射膜反射后的光與另一束光發(fā)生邁克爾遜干涉形成若干條明暗交替的等厚干涉條紋。將一束光分解為兩束并使這兩束光產(chǎn)生邁克爾遜干涉的方法是本領(lǐng)域公知常識，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易實現(xiàn)的。通過采用與等厚干涉條紋相匹配的條紋狀光闌使一條或多條亮紋透過，而將其余部分的光遮住，采集透過條紋狀光闌后的一條或多條亮紋隨振臂振動過程中對于一個固定接收面所產(chǎn)生的光強變化量；由于該光強變化量與振臂的振動幅度成線性關(guān)系，而振臂振幅與待測氣體的濃度呈正比關(guān)系，因此光強變化量就與待測氣體的濃度呈正比關(guān)系，這樣根據(jù)光強變化量就可以得出待測氣體的濃度。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)使用的探測光的頻率以及實現(xiàn)邁克爾遜干涉所用部件的位置關(guān)系就可以很容易的計算出條紋狀光闌上所開條紋孔的大小、位置以及光闌的放置位置；振臂不動時，光闌正好使等厚干涉條紋的一條或幾條亮紋透過，而將其余部分擋住，這樣當振臂振動時，條紋就會垂直于條紋排列方向隨著振臂振動而來回移動，透過光闌的亮紋的一部分就會被遮住，透過光闌的光強就會發(fā)生顯著變化。該方法的優(yōu)點是不再需要傳統(tǒng)裝置中的高靈敏前置放大器，且能夠被用于測量空間狹小或受限的情況下，也可以用來檢測在強電磁干擾下的光聲信號；而且由于采用了邁克爾遜干涉的原理，該方法能夠?qū)⒁舨媸绞⒕д裾癖鄣恼駝臃韧ㄟ^條紋的移動以十分精確的形式表現(xiàn)出來，這大大提高了氣體濃度的測量精度，充分發(fā)揮了邁克爾遜干涉儀測量精確度高的優(yōu)點。
[0009]進一步的，采集一個或多個亮紋對于一個固定接收面的光強變化量時，是采集的一個或多個亮紋的光強曲率變化最大處對于固定接收面的光強變化量。[0010]實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，振臂振動引起的光程差的改變非常小，而干涉條紋的光強分布如圖5所示(實線)，如果在亮條紋的最大光強處即峰頂處進行采集，在水平方向產(chǎn)生微小位移時由于峰頂比較平緩，光強變化并不顯著，這直接損失了部分探測靈敏度。由圖5分析可知當亮紋在水平方向產(chǎn)生微小位移時強度變化量最大處位于光強曲線的斜率最大處(圖中虛線中間位置)。因此，我們讓條紋狀光闌上的條孔(開口)僅能使光強曲線的斜率最大處的光通過，如圖5所示，其開口處為圖中虛線位置，這使得原本緊密排列不易區(qū)分的亮暗條紋的移動在光電探測器上以光強曲線的斜率最大處的光強變化方式顯現(xiàn)出來。實驗結(jié)果顯示，在此操作下由于光強變化明顯，且水平方向的移動幅度與光強變化量成完美的線性關(guān)系，因此系統(tǒng)的靈敏度和線性度都有大幅度的提高。所述亮紋的光強曲率變化最大處可通過光電探測器測量其光強的分布特性并通過計算得出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易的通過實驗以及相關(guān)計算找到該位置，在光闌上開出相應(yīng)的條孔并將光闌放置在該位置，光闌的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計以及放置位置使測量所得結(jié)果更為精確，進一步發(fā)揮了邁克爾遜干涉儀測量精確度高的優(yōu)點。
[0011]本發(fā)明所述基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，包括激發(fā)光發(fā)射裝置和計算機系統(tǒng)；激發(fā)光發(fā)射裝置的出射光路上依次設(shè)有光束聚焦器和氣體池，氣體池內(nèi)設(shè)有音叉式石英晶振；計算機系統(tǒng)的一個信號輸出端與激發(fā)光發(fā)射裝置的控制端相連接；還包括邁克爾遜全光學(xué)探測裝置；所述邁克爾遜全光學(xué)探測裝置包括探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片、平面鏡、貼在音叉式石英晶振的振臂外側(cè)面的反射膜、光電探測器、函數(shù)發(fā)生器以及鎖相放大器；所述光電探測器的信號輸出端與鎖相放大器的一個信號輸入端相連接；鎖相放大器的另一個信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器的一個信號輸出端相連接；鎖相放大器的信號輸出端與計算機系統(tǒng)的信號輸入端相連接；計算機系統(tǒng)的另一個信號輸出端與探測光發(fā)射裝置的控制端相連接；激發(fā)光發(fā)射裝置的調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器的另一個信號輸出端相連接；所述半反半透鏡片和貼在音叉式石英晶振的振臂外側(cè)面的反射膜順次位于探測光發(fā)射裝置的出射光路上，平面鏡位于半反半透鏡片正面的反射光路上；所述光電探測器位于半反半透鏡片背面的反射光路上；探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片、平面鏡以及貼在音叉式石英晶振的振臂外側(cè)面的反射膜組成一個產(chǎn)生等厚干涉條紋的邁克爾遜干涉儀；所述光電轉(zhuǎn)換裝置與半反半透鏡片之間依次設(shè)有一個凸透鏡和與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌；所述條紋狀光闌上開有一個或多個與干涉條紋相配合的條孔；所述條紋狀光闌的位置和條孔的結(jié)構(gòu)能使一條或多條亮紋的光強曲率變化最大處的光透過，而將其余部分的光及暗紋遮住。
[0012]如圖1所示，激發(fā)光發(fā)射裝置發(fā)出激光光束，并在光束聚焦器的作用下被聚焦，調(diào)節(jié)音叉式石英晶振的位置使上述匯聚光的焦點位于音叉兩振臂之間并使該光束與音叉無任何接觸的穿過；與此同時，探測光發(fā)射裝置發(fā)出一定波長的光，該激光經(jīng)半反半透鏡片作用后分為兩束光，其中一束透過半反半透鏡片后于音叉振臂外表面照射在石英音叉的任一振臂上并以原光路反射至半反半透鏡片背面后被其反射至光電探測器；另一束經(jīng)半反半透鏡片正面反射作用的光沿垂直于入射激光的方向被反射至平面鏡并被平面鏡再次反射，最終沿原光路返回并穿過半反半透鏡片到達凸透鏡，與第一束光發(fā)生邁克爾遜干涉并產(chǎn)生等厚干涉條紋。所述探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片、平面鏡以及貼在振臂外側(cè)面上的反射膜之間的組成一個邁克爾遜干涉儀，這四種裝置的位置關(guān)系是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，屬于現(xiàn)有技術(shù)；凸透鏡對干涉后的光束進行擴束，使干涉條紋能夠清楚的被觀測到；條紋狀光闌將經(jīng)過半反半透鏡片后形成的等厚干涉條紋進行選擇性的透過，僅僅使等厚條紋亮紋的光強曲線變化最大處的光透過，光電探測器將探測到的透過光闌的亮紋的光強變化信號轉(zhuǎn)化為電信號并實時傳輸至與之相連的鎖相放大器，該鎖相放大器同時接收函數(shù)發(fā)生器送來的同步信號對光電探測器信號進行解調(diào)并將結(jié)果傳輸至與之直接相連的計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)在相應(yīng)軟件的支持下最終獲得待測氣體濃度；所述相應(yīng)軟件是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于編寫的。
[0013]進一步的，半反半透鏡片與音叉式石英晶振的振臂外側(cè)面的反射膜之間順次設(shè)有小孔光闌和匯聚透鏡；平面鏡與半反半透鏡片之間設(shè)有光學(xué)衰減器。
[0014]如圖2所示，為增加激光的利用效率、增強信噪比，增加了相應(yīng)的基礎(chǔ)光學(xué)器件，具體為:在半反半透鏡片與石英音叉之間添加了小孔光闌和匯聚透鏡，這是因為音叉振臂表面定向反射率不高，即使粘貼了反射膜用于增強反射率，其反射光仍然為發(fā)散較嚴重的一個光斑，這使得音叉振臂反射光中真正參與形成邁克爾遜干涉效應(yīng)的光僅占很少的一部分，其余大部分反射光不但沒有被有效利用反而直接照射在光電探測器上以背景噪聲的形式對探測形成了干擾，因此在此處添加了匯聚透鏡盡可能的將反射光匯聚，被放置在匯聚透鏡焦點處附近的小孔光闌可以過濾掉未被匯聚的雜光，從而提高了光電探測器的信噪比；另外，正如之前所述，音叉振臂的反射光中有很大部分會損失掉，而另一束參與邁克爾遜干涉的光由于反射發(fā)生在定向反射率很高的平面鏡的表面因此光強損失極小，這就造成了形成邁克爾遜干涉的兩束光的光強差異很大，其結(jié)果便是形成的干涉結(jié)果被較強的一束光掩蓋不便于觀察探測，為克服這一缺陷，我們在半反半透鏡片和平面鏡之間添置了光學(xué)衰減片，通過調(diào)節(jié)其透射率控制該路反射光的光強，以得到最佳的邁克爾遜干涉效果。
[0015]本發(fā)明通過在光聲光譜技術(shù)中弓丨入了邁克爾遜全光學(xué)探測方法以及裝置，有效避免了電磁環(huán)境對測量的干擾；條紋狀光闌的設(shè)計實現(xiàn)了通過測量亮條紋的強度變化量進而獲知氣體濃度，測量精度非常高，充分發(fā)揮了邁克爾遜干涉原理的優(yōu)點。本發(fā)明還可以在探測光路上設(shè)置所需的各種部件，增強了測量的靈活性，進一步提高了測量的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2本發(fā)明所述裝置的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3音叉式石英晶振的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4本發(fā)明所述裝置對待測氣體進行測量后待測氣體的吸收譜線。
[0020]圖5等厚干涉條紋與條紋狀光闌的位置關(guān)系示意圖。
[0021]圖6條紋狀光闌的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]1-激發(fā)光源，2-光源驅(qū)動器，3-光束聚焦器，4-音叉式石英晶振，5-激光探測光源，6-探測光源驅(qū)動器，7-半反半透鏡片，8-平面鏡，9-光電探測器，10-鎖相放大器，11-函數(shù)發(fā)生器，12-計算機系統(tǒng)，13-小孔光闌，14-匯聚透鏡，15-光學(xué)衰減片，16-凸透鏡，17-條紋狀光闌，18-條孔。【具體實施方式】
[0023]一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；還包括邁克爾遜全光學(xué)探測方法；所述邁克爾遜全光學(xué)探測方法采用以下步驟:引入一束探測光，將其分解為兩束，一束入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側(cè)面，發(fā)生反射后與另一束光發(fā)生邁克爾遜干涉，產(chǎn)生等厚干涉條紋；通過采用與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌使一條或多條亮紋透射至一個固定接收面而將其余部分遮擋，采集一條或多條亮紋隨振臂振動而在該固定接收面所產(chǎn)生的光強變化量，根據(jù)該光強變化量得到待測氣體的濃度；所述一條或多條亮紋的光強變化量八1=1±— I+，式中1±、I+分別是采集到的一條或多條亮紋的光強最大值和最小值；所述采集到的一條或多條亮紋的光強變化量△ I與音叉式石英晶振的振幅成線性關(guān)系，而音叉式石英晶振的振幅與待測氣體的濃度I成線性關(guān)系，可知一條或多條亮紋的光強變化量△ I與待測氣體濃度I成線性關(guān)系；設(shè)亮紋的光強變化量Λ I與某一種待測氣體濃度y的關(guān)系式為y=kA I+b，式中k，b為待定常數(shù)；至少取兩份濃度已知的該種待測氣體樣品，分別測出至少兩份待測氣體樣品吸收激光能量后產(chǎn)生聲波引起的探測光發(fā)生邁克爾遜干涉所產(chǎn)生的一條或多條亮紋的光強變化量，根據(jù)至少兩組[y，Δ I]值擬合出k和b，即得到一條或多條亮紋的光強變化量Λ I與待測氣體濃度y的定量關(guān)系，據(jù)此就可以用于測定該種氣體的濃度；選擇不同氣體的樣品，擬合出每種氣體對應(yīng)的k，b值，就可用于測定這些氣體的濃度。
[0024]采集一個或多個亮紋對于一個固定接收面的光強變化量時，是采集的一個或多個亮紋的光強曲率變化最大處對于固定接收面的光強變化量。
[0025]一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，包括激發(fā)光發(fā)射裝置和計算機系統(tǒng)12 ;激發(fā)光發(fā)射裝置的出射光路上依次設(shè)有光束聚焦器3和氣體池，氣體池內(nèi)設(shè)有音叉式石英晶振4 ;計算機系統(tǒng)12的一個信號輸出端與激發(fā)光發(fā)射裝置的控制端相連接；還包括邁克爾遜全光學(xué)探測裝置；所述邁克爾遜全光學(xué)探測裝置包括探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片7、平面鏡8、貼在音叉式石英晶振4的振臂外側(cè)面的反射膜、光電探測器9、函數(shù)發(fā)生器11以及鎖 相放大器10 ;所述光電探測器9的信號輸出端與鎖相放大器10的一個信號輸入端相連接；鎖相放大器10的另一個信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器11的一個信號輸出端相連接；鎖相放大器10的信號輸出端與計算機系統(tǒng)12的信號輸入端相連接；計算機系統(tǒng)12的另一個信號輸出端與探測光發(fā)射裝置的控制端相連接；激發(fā)光發(fā)射裝置的調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器11的另一個信號輸出端相連接；所述半反半透鏡片7和貼在音叉式石英晶振4的振臂外側(cè)面的反射膜順次位于探測光發(fā)射裝置的出射光路上，平面鏡8位于半反半透鏡片7正面的反射光路上；所述光電探測器9位于半反半透鏡片7背面的反射光路上；探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片7、平面鏡8以及貼在音叉式石英晶振4的振臂外側(cè)面的反射膜組成一個產(chǎn)生等厚干涉條紋的邁克爾遜干涉儀；所述光電轉(zhuǎn)換裝置9與半反半透鏡片7之間依次設(shè)有一個凸透鏡16和與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌17 ;所述條紋狀光闌17上開有一個或多個與干涉條紋相配合的條孔18 ;所述條紋狀光闌17的位置和條孔18的結(jié)構(gòu)能使一條或多條亮紋的光強曲率變化最大處的光透過，而將其余部分的光及暗紋遮住。
[0026]半反半透鏡片7與音叉式石英晶振4的振臂外側(cè)面的反射膜之間順次設(shè)有小孔光闌13和匯聚透鏡14 ;平面鏡8與半反半透鏡片7之間設(shè)有光學(xué)衰減器15。
[0027]所述音叉式石英晶振4的振臂外側(cè)面所貼反射膜為薄錫紙。[0028]所述激發(fā)光發(fā)射裝置包括激發(fā)光源I和與之配套的光源驅(qū)動器2 ;所述光源驅(qū)動器2調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器11的另一個信號輸出端相連接；光源驅(qū)動器2的控制端與計算機系統(tǒng)12的一個信號輸出端相連接。
[0029]所述探測光發(fā)射裝置包括激光探測光源5和與之配套的探測光源驅(qū)動器6 ;所述探測光源驅(qū)動器6控制端與計算機系統(tǒng)的另一個信號輸出端相連接。
[0030]實際測量中探測光使用中心波長為632.8nm的氦氖激光光束，匯聚透鏡14焦距為75mm，反射膜貼在從振臂頂端向下0.3-1.5mm之間，在這一區(qū)域振臂振動幅度較大且振動幅度與亮紋的強度變化量成正比關(guān)系。光束聚焦器3焦距為IOmm ;凸透鏡16焦距為40mm，用于將等厚干涉條紋擴束，首叉式石英晶振4的振動頻率為32.768kHzο圖4為實驗所用首叉式石英晶振4的尺寸及微觀示意圖。
[0031]由干涉理論可知，要使同一位置亮暗條紋完全轉(zhuǎn)變，形成干涉的兩束光的光程差需改變二分之一波長即316.4nm (氦氖激光光束波長的一半)，但相關(guān)計算顯示實驗中音叉振臂的水平振動幅度最大僅約為幾十納米，遠達不到亮暗條紋交替變換的條件，因此設(shè)置只讓亮紋的一側(cè)光強曲率變化最大處透過的光闌，并測量亮紋的強度變化量，該變化量就可以準確代表振臂的振動幅度。讓亮紋一側(cè)的光強變化曲率最大處的條紋狀光闌的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
[0032]本申請中邁克爾遜干涉條紋為等厚干涉條紋，即不同位置的亮條紋的強度分布完全一致，因此無論是對一條亮紋還是同時對多條干涉亮條紋進行探測，探測到的總強度均與氣體濃度成線性相關(guān)。
[0033]圖4為將激發(fā)光源的工作溫度設(shè)定在12.5°C的情況下，函數(shù)發(fā)生器11輸出的正弦信號通過光源驅(qū)動器2對激發(fā)光源I進行調(diào)制，同時計算機系統(tǒng)12控制光源驅(qū)動器2，使其供給激發(fā)光源I的工作電流以0.4mA步間增加的方式在50miTl40mA的范圍內(nèi)均勻改變(每次改變的延遲時間均為2000ms)，以此獲得的待測氣體的吸收譜線，圖中兩條曲線分別為圖1、圖2所述裝置掃描獲得的吸收線。
【權(quán)利要求】
1.一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；其特征在于，還包括邁克爾遜全光學(xué)探測方法；所述邁克爾遜全光學(xué)探測方法采用以下步驟:引入一束探測光，將其分解為兩束，一束入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側(cè)面，發(fā)生反射后與另一束光發(fā)生邁克爾遜干涉，產(chǎn)生等厚干涉條紋；通過采用與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌使一條或多條亮紋透射至一個固定接收面而將其余部分遮擋，采集一條或多條亮紋隨振臂振動而在該固定接收面所產(chǎn)生的光強變化量，根據(jù)該光強變化量得到待測氣體的濃度；所述一條或多條亮紋的光強變化量△ 1=1±— I+，式中1±、1+分別是采集到的一條或多條亮紋的光強最大值和最小值；所述采集到的一條或多條亮紋的光強變化量△ I與音叉式石英晶振的振幅成線性關(guān)系，而音叉式石英晶振的振幅與待測氣體的濃度y成線性關(guān)系，可知一條或多條亮紋的光強變化量△ I與待測氣體濃度y成線性關(guān)系；設(shè)亮紋的光強變化量△ I與某一種待測氣體濃度y的關(guān)系式為y=kA I+b，式中k，b為待定常數(shù)；至少取兩份濃度已知的該種待測氣體樣品，分別測出至少兩份待測氣體樣品吸收激光能量后產(chǎn)生聲波引起的探測光發(fā)生邁克爾遜干涉所產(chǎn)生的一條或多條亮紋的光強變化量，根據(jù)至少兩組[y，Δ I]值擬合出k和b，即得到一條或多條亮紋的光強變化量△ I與待測氣體濃度y的定量關(guān)系，據(jù)此就可以用于測定該種氣體的濃度；選擇不同氣體的樣品，擬合出每種氣體對應(yīng)的k，b值，就可用于測定這些氣體的濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的 基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測方法，其特征在于，采集一個或多個亮紋對于一個固定接收面的光強變化量時，是采集的一個或多個亮紋的光強曲率變化最大處對于固定接收面的光強變化量。
3.一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，用于實現(xiàn)如權(quán)利要求2所述的方法，包括激發(fā)光發(fā)射裝置和計算機系統(tǒng)(12);激發(fā)光發(fā)射裝置的出射光路上依次設(shè)有光束聚焦器(3)和氣體池，氣體池內(nèi)設(shè)有音叉式石英晶振(4);計算機系統(tǒng)(12)的一個信號輸出端與激發(fā)光發(fā)射裝置的控制端相連接；其特征在于還包括邁克爾遜全光學(xué)探測裝置；所述邁克爾遜全光學(xué)探測裝置包括探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片(7)、平面鏡(8)、貼在音叉式石英晶振(4)的振臂外側(cè)面的反射膜、光電探測器(9)、函數(shù)發(fā)生器(11)以及鎖相放大器(10);所述光電探測器(9)的信號輸出端與鎖相放大器(10)的一個信號輸入端相連接；鎖相放大器(10)的另一個信號輸入端與函數(shù)發(fā)生器(11)的一個信號輸出端相連接；鎖相放大器(10)的信號輸出端與計算機系統(tǒng)(12)的信號輸入端相連接；計算機系統(tǒng)(12)的另一個信號輸出端與探測光發(fā)射裝置的控制端相連接；激發(fā)光發(fā)射裝置的調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器(11)的另一個信號輸出端相連接；所述半反半透鏡片(7)和貼在音叉式石英晶振(4)的振臂外側(cè)面的反射膜順次位于探測光發(fā)射裝置的出射光路上，平面鏡(8)位于半反半透鏡片(7)正面的反射光路上；所述光電探測器(9)位于半反半透鏡片(7)背面的反射光路上；探測光發(fā)射裝置、半反半透鏡片(7)、平面鏡(8)以及貼在音叉式石英晶振(4)的振臂外側(cè)面的反射膜組成一個產(chǎn)生等厚干涉條紋的邁克爾遜干涉儀；所述光電轉(zhuǎn)換裝置(9)與半反半透鏡片(7)之間依次設(shè)有一個凸透鏡(16)和與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌(17);所述條紋狀光闌(17)上開有一個或多個與干涉條紋相配合的條孔(18);所述條紋狀光闌(17)的位置和條孔(18)的結(jié)構(gòu)能使一條或多條亮紋的光強曲率變化最大處的光透過，而將其余部分的光及暗紋遮住。
4.如權(quán)利要求3所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，半反半透鏡片(7)與音叉式石英晶振(4)的振臂外側(cè)面的反射膜之間順次設(shè)有小孔光闌(13)和匯聚透鏡(14);平面鏡(8)與半反半透鏡片(7)之間設(shè)有光學(xué)衰減器(15)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述音叉式石英晶振(4)的振臂外側(cè)面所貼反射膜為薄錫紙。
6.如權(quán)利要求3或4所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述激發(fā)光發(fā)射裝置包括激發(fā)光源(I)和與之配套的光源驅(qū)動器(2);所述光源驅(qū)動器(2)調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器(11)的另一個信號輸出端相連接；光源驅(qū)動器(2)的控制端與計算機系統(tǒng)(12)的一個信號輸出端相連接。
7.如權(quán)利要求5所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述激發(fā)光發(fā)射裝置包括激發(fā)光源(I)和與之配套的光源驅(qū)動器(2 );所述光源驅(qū)動器(2 )調(diào)制端與函數(shù)發(fā)生器(11)的另一個信號輸出端相連接；光源驅(qū)動器(2)的控制端與計算機系統(tǒng)(12)的一個信號輸出端相連接。
8.如權(quán)利要求3或4所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述探測光發(fā)射裝置包括激光探測光源(5)和與之配套的探測光源驅(qū)動器(6);所述探測光源驅(qū)動器(6)控制端與計算機系統(tǒng)的另一個信號輸出端相連接。
9.如權(quán)利要求5所 述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述探測光發(fā)射裝置包括激光探測光源(5 )和與之配套的探測光源驅(qū)動器(6 );所述探測光源驅(qū)動器(6)控制端與計算機系統(tǒng)的另一個信號輸出端相連接。
10.如權(quán)利要求7所述的基于邁克爾遜干涉原理的全光學(xué)氣體探測裝置，其特征在于，所述探測光發(fā)射裝置包括激光探測光源(5 )和與之配套的探測光源驅(qū)動器(6 );所述探測光源驅(qū)動器(6)控制端與計算機系統(tǒng)的另一個信號輸出端相連接。
【文檔編號】G01N21/39GK103543125SQ201310494334
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】董磊, 武紅鵬, 劉研研 申請人:山西大學(xué)