一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置，将波长连续改变的连续光调制为光强按一定频率变化的光，光强变化的光照射到待测物体上；将被测物体反射的光利用凹面镜收集后照射到石英微音叉上，石英微音叉的振幅将会随入射光波波长而发生变化；利用另一束激光照射到石英微音叉的臂上，反射的激光束的光点位置将会随着微音叉的振动而移动，反射光再经过折叠光路加长光程后照射到光点位置探测器上，通过检测光点的移动，就可以获得石英微音叉振幅的大小，不断改变可变波长激光器的输出波长就可以获得被测物体的吸收光谱。本发明专利技术不需要样品制备和预浓缩过程，不需要光声池，可以直接在开放环境下远距离对物品进行测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光声光谱
,涉及一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置。
技术介绍
光声光谱技术(photoacoustic spectroscopy)是一种基于光声效应发展起来的光谱技术。光声光谱测量的是物体吸收光能的大小，可以测量传统光谱方法难以测量的光散射强和不透明物体，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，具有灵敏度高、适用范围广等优点。在物理、化学、化工、地质学、生物，医学等方面有广泛的应用前景。经文献检索发现，已有的光声光谱测量方法主要分两类，一类对样品进行采样，将样品引入样品池中进行测量。如西南科技大学刘先勇等在中国专利CN1928531《光声光谱法检测甲烷气体浓度的方法》中采用光声池与微音器组合对甲烷气体光声信号进行检测。山东电力集团公司电力科学研究院云玉新在中国专利CN102721645A《便携式Sf6气体分解物光声光谱检测装置及检测方法》中采用微音器对光声池中气体产生的光声信号进行检测。中国科学院安徽光学精密机械研究所高晓明等在中国专利CNlO 181362IA《基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置》中使用声谐振腔与石英音叉组合对气体的光声光谱进行测量。上述方法均需要对被测物体进行采样，将其引入样品池中方可进行测量，操作复杂，难以满足快速、在线、在开放环境下检测的要求，并且微音器的信噪比低，难以实现被测物与测量装置有一定距离的光谱遥测。所以难以用于机场等场合危险物品的检测。第二类是使用石英晶体的压电特性直接获取电信号。比如Charles W Van.Neste等在美国专利 US7924423B2 “Reverse photoacoustic standoff spectroscopy，，中罗列了对光声信号进行检测通常使用的检测装置，比如微音器、悬臂梁、薄膜，MEMS器件等。并举例使用石英音叉对声音信号进行探测，石英音叉在光声信号作用下发生振动，产生压电信号，此信号即包含物质光谱信息。AnatoliyA.Kosterev等在美国专利US7245380B2，“Quartz-enh ancedphotoacoustic spectroscopy”中使用石英音叉对被测物体光声信号进行检测，并利用石英晶体的压电特性直接获取电信号。使用石英晶体的压电特性直接获取电信号方便简洁，但是存在检测灵敏不够高，温度对压电系数影响较大而导致测量结果偏差等缺点。难以用于机场等场合危险物品的检测。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置，不需要样品制备和预浓缩过程，不需要光声池，可以直接在开放环境下远距离对物品进行测量。本专利技术是通过以下技术方案来实现:—种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，包括以下操作:I)将波长连续改变的连续光调制为光强按一定频率变化的光，光强变化的频率与石英微音叉的共振频率一致，然后将该光照射到待测物体上；2)光在待测物体上发生反射，利用凹面反射镜来收集待测物体的反射光，并将反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中产生光声效应，石英微音叉产生共振；由于被测物体对不同波长的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅随入射光波长的变化而发生变化；3)将第二束光照射到石英微音叉上，光束将在石英微音叉上发生反射，反射光束的光点位置会随着石英微音叉的振动而移动；在第二束光的反射光路中设置折叠光路，折叠光路扩大光程，使光点位置移动幅度扩大；4)在折叠光路的出口利用光点位置传感器对光点位置进行探测，将光点位置信号通过光电转换变为电信号，并对所得电信号进行处理，得到石英微音叉与入射光波长的变化所对应的振幅，进而获得待测物体的吸收光谱。所述根据待测物体的吸收光谱就能够分辨出待测物体的种类，判断出待测物体是否为危险物品。所述的光均为由激光器发射的激光。所述将光点位置信号通过光电转换变为电信号是用光点位置传感器来完成，光点位置传感器根据光点位置的变化输出相应的电信号，并将电信号用放大器放大。获得待测物体的吸收光谱的操作为:可变波长激光器发出的光线照射到待测物体，待测物体会对不同波长的光波表现不同程度的吸收；待测物体对某一波长的光波吸收程度强，则导致经凹面镜收集后照射到石英微音叉的光强减弱，结果使石英微音叉振幅减小，反之，则使石英微音叉振幅增大；改变照射到待测物体上光的出射波长，得到石英微音叉振幅随波长变化的规律，在振幅小的地方，待测物体对光的吸收强，振幅大的地方，待测物体对光的吸收弱，据此获得物质的吸收光谱。所述的MEMS石英微音叉的大小尺寸为毫米级，真空环境下其品质因子Q达到90000 100000，在空气中时由于阻尼作用品质因子Q会有一定程度的降低。一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测装置，包括波长可变激光发射及光强调制单元、石英微音叉聚焦单元、石英微音叉振幅探测单元和信号检测单元；波长可变激光发射及光强调制单元向待测物体发射波长连续改变、光强变化频率与石英微音叉的共振频率一致的光；石英微音叉聚焦单元收集待测物体的反射光，并将反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中产生光声效应；石英微音叉振幅探测单元将第二束光照射到石英微音叉上，并扩大石英微音叉的反射光的光程，得到反应石英微音叉振幅的光点位置移动幅度信号；信号检测单元将光点位置移动幅度信号经过光电转换，得到石英微音叉随入射光波长的变化所对应的振幅，进而获得待测物体的吸收光谱。所述的波长可变激光发射及光强调制单元包括:波长可变激光器、光强调制器，以及激光器与光强调制器控制接口，光强调制器将波长可变激光器发出的连续光调制为光强按一定频率变化的激光；所述的石英微音叉聚焦单元包括:凹面镜和石英微音叉，凹面镜反射收集待测物体的反射光，并将反射光聚焦到石英微音叉上；石英微音叉振幅探测单元包括:微音叉振动探测激光器、折叠光路和光点位置传感器，微音叉振动探测激光器将第二束光照射到石英微音叉上，折叠光路设置在石英微音叉反射第二束光的反射光路上，光点位置传感器设置在折叠光路的出口处，检测光点位置移动幅度信号；信号检测单元包括:放大器、滤波器和检测单元，光点位置传感器将光点位置移动幅度信号转换为电信号，将电信号发送给放大器、滤波器，经放大、滤波后，检测单元得到石英微音叉随入射光波长的变化所对应的振幅，进而获得待测物体的吸收光谱。所述的石英微音叉是MEMS石英微音叉。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果:本专利技术提供的基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法及装置，不需要样品制备和预浓缩过程，不需要光声池，可以直接在开放环境下远距离对物品进行测量:将波长连续改变的连续光调制为光强按一定频率变化的光，光强变化的频率与石英微音叉的共振频率一致，然后将该光照射到待测物体上；将被测物体反射的光利用凹面镜收集后照射到石英微音叉上，由于光强变化频率与石英微音叉的共振频率一致，石英微音叉将发生共振。被测物体对不同波长的光波的吸收程度不同，所以石英微音叉的振幅将会随入射光波波长而发生变化；同时，利用另一束激光照射到石英微音叉的臂上，此束光将在石英微音叉上发生反射，反射的激光束的光点位置将会随着微音叉的振动而移动，反射光再经过折叠光路(起扩大光程的作用，使光点位置移动幅度扩大)加长光程后照射到光点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，包括以下操作：1）将波长连续改变的连续光调制为光强按一定频率变化的光，光强变化的频率与石英微音叉的共振频率一致，然后将该光照射到待测物体上；2）光在待测物体上发生反射，利用凹面反射镜来收集待测物体的反射光，并将反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中产生光声效应，石英微音叉产生共振；由于被测物体对不同波长的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅随入射光波长的变化而发生变化；3）将第二束光照射到石英微音叉上，光束将在石英微音叉上发生反射，反射光束的光点位置会随着石英微音叉的振动而移动；在第二束光的反射光路中设置折叠光路，折叠光路扩大光程，使光点位置移动幅度扩大；4）在折叠光路的出口利用光点位置传感器对光点位置进行探测，将光点位置信号通过光电转换变为电信号，并对所得电信号进行处理，得到石英微音叉与入射光波长的变化所对应的振幅，进而获得待测物体的吸收光谱。

【技术特征摘要】
1.一种基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，包括以下操作: 1)将波长连续改变的连续光调制为光强按一定频率变化的光，光强变化的频率与石英微音叉的共振频率一致，然后将该光照射到待测物体上； 2)光在待测物体上发生反射，利用凹面反射镜来收集待测物体的反射光，并将反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中产生光声效应，石英微音叉产生共振；由于被测物体对不同波长的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅随入射光波长的变化而发生变化； 3)将第二束光照射到石英微音叉上，光束将在石英微音叉上发生反射，反射光束的光点位置会随着石英微音叉的振动而移动；在第二束光的反射光路中设置折叠光路，折叠光路扩大光程，使光点位置移动幅度扩大； 4)在折叠光路的出口利用光点位置传感器对光点位置进行探测，将光点位置信号通过光电转换变为电信号，并对所得电信号进行处理，得到石英微音叉与入射光波长的变化所对应的振幅，进而获得待测物体的吸收光谱。2.如权利要求1所述的基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，根据待测物体的吸收光谱就能够分辨出待测物体的种类，判断出待测物体是否为危险物品O3.如权利要求1所述的基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，步骤I)、步骤3)所述的光均为由激光器发射的激光。4.如权利要求1所述的基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，所述将光点位置信号通过光电转换变为电信号是用光点位置传感器来完成，光点位置传感器根据光点位置的变化输出相应的电信号，并将电信号用放大器放大。5.如权利要求1所述的基于石英微音叉光声效应的光声光谱遥测方法，其特征在于，获得待测物体的吸收光谱的操作为:` 可变波长激光器发出的光线照射到待测物体，待测物体会对不同波长的光波表现不同程度的吸收；待测物体对某一波长的光波吸收程度强，则导致经凹面镜收集后照射到石英微音叉的光强减弱，结果使石英微音叉振幅减小，反之，则使石英微音叉振幅增大； 改变照射到待测物体上光的出射波长，得到石英微音叉振幅随波长变化的规律，在振幅小的地方，待测物体对光的吸收强，振幅大的地方，待测物体对光的吸收弱，据此获得物质的吸收光谱。6.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾书海，张周强，马斌山，陈花玲，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61