專利名稱：一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光聲光譜技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
光聲光譜技術(shù)(photoacoustic spectroscopy)是一種基于光聲效應(yīng)發(fā)展起來的光譜技術(shù)。光聲光譜測(cè)量的是物體吸收光能的大小，可以測(cè)量傳統(tǒng)光譜方法難以測(cè)量的光散射強(qiáng)和不透明物體，而且樣品無論是晶體、粉末、膠體等均可測(cè)量，具有靈敏度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在物理、化學(xué)、化工、地質(zhì)學(xué)、生物，醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，已有的光聲光譜測(cè)量方法主要分兩類，一類對(duì)樣品進(jìn)行采樣，將樣品引入樣品池中進(jìn)行測(cè)量。如西南科技大學(xué)劉先勇等在中國(guó)專利CN1928531《光聲光譜法檢測(cè)甲烷氣體濃度的方法》中采用光聲池與微音器組合對(duì)甲烷氣體光聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院云玉新在中國(guó)專利CN102721645A《便攜式Sf6氣體分解物光聲光譜檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法》中采用微音器對(duì)光聲池中氣體產(chǎn)生的光聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所高曉明等在中國(guó)專利CNlO 181362IA《基于聲諧振腔的石英音叉增強(qiáng)型光聲光譜氣體傳感裝置》中使用聲諧振腔與石英音叉組合對(duì)氣體的光聲光譜進(jìn)行測(cè)量。上述方法均需要對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行采樣，將其引入樣品池中方可進(jìn)行測(cè)量，操作復(fù)雜，難以滿足快速、在線、在開放環(huán)境下檢測(cè)的要求，并且微音器的信噪比低，難以實(shí)現(xiàn)被測(cè)物與測(cè)量裝置有一定距離的光譜遙測(cè)。所以難以用于機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合危險(xiǎn)物品的檢測(cè)。第二類是使用石英晶體的壓電特性直接獲取電信號(hào)。比如Charles W Van.Neste等在美國(guó)專利 US7924423B2 “Reverse photoacoustic standoff spectroscopy，，中羅列了對(duì)光聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)通常使用的檢測(cè)裝置，比如微音器、懸臂梁、薄膜，MEMS器件等。并舉例使用石英音叉對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，石英音叉在光聲信號(hào)作用下發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生壓電信號(hào)，此信號(hào)即包含物質(zhì)光譜信息。AnatoliyA.Kosterev等在美國(guó)專利US7245380B2，“Quartz-enh ancedphotoacoustic spectroscopy”中使用石英音叉對(duì)被測(cè)物體光聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并利用石英晶體的壓電特性直接獲取電信號(hào)。使用石英晶體的壓電特性直接獲取電信號(hào)方便簡(jiǎn)潔，但是存在檢測(cè)靈敏不夠高，溫度對(duì)壓電系數(shù)影響較大而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差等缺點(diǎn)。難以用于機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合危險(xiǎn)物品的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法及裝置，不需要樣品制備和預(yù)濃縮過程，不需要光聲池，可以直接在開放環(huán)境下遠(yuǎn)距離對(duì)物品進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):—種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，包括以下操作:I)將波長(zhǎng)連續(xù)改變的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的光，光強(qiáng)變化的頻率與石英微音叉的共振頻率一致，然后將該光照射到待測(cè)物體上；2)光在待測(cè)物體上發(fā)生反射，利用凹面反射鏡來收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)，石英微音叉產(chǎn)生共振；由于被測(cè)物體對(duì)不同波長(zhǎng)的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅隨入射光波長(zhǎng)的變化而發(fā)生變化；3)將第二束光照射到石英微音叉上，光束將在石英微音叉上發(fā)生反射，反射光束的光點(diǎn)位置會(huì)隨著石英微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)；在第二束光的反射光路中設(shè)置折疊光路，折疊光路擴(kuò)大光程，使光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度擴(kuò)大；4)在折疊光路的出口利用光點(diǎn)位置傳感器對(duì)光點(diǎn)位置進(jìn)行探測(cè)，將光點(diǎn)位置信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，并對(duì)所得電信號(hào)進(jìn)行處理，得到石英微音叉與入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。所述根據(jù)待測(cè)物體的吸收光譜就能夠分辨出待測(cè)物體的種類，判斷出待測(cè)物體是否為危險(xiǎn)物品。所述的光均為由激光器發(fā)射的激光。所述將光點(diǎn)位置信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)是用光點(diǎn)位置傳感器來完成，光點(diǎn)位置傳感器根據(jù)光點(diǎn)位置的變化輸出相應(yīng)的電信號(hào)，并將電信號(hào)用放大器放大。獲得待測(cè)物體的吸收光譜的操作為:可變波長(zhǎng)激光器發(fā)出的光線照射到待測(cè)物體，待測(cè)物體會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光波表現(xiàn)不同程度的吸收；待測(cè)物體對(duì)某一波長(zhǎng)的光波吸收程度強(qiáng)，則導(dǎo)致經(jīng)凹面鏡收集后照射到石英微音叉的光強(qiáng)減弱，結(jié)果使石英微音叉振幅減小，反之，則使石英微音叉振幅增大；改變照射到待測(cè)物體上光的出射波長(zhǎng)，得到石英微音叉振幅隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，在振幅小的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收強(qiáng)，振幅大的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收弱，據(jù)此獲得物質(zhì)的吸收光譜。所述的MEMS石英微音叉的大小尺寸為毫米級(jí)，真空環(huán)境下其品質(zhì)因子Q達(dá)到90000 100000，在空氣中時(shí)由于阻尼作用品質(zhì)因子Q會(huì)有一定程度的降低。一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，包括波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元、石英微音叉聚焦單元、石英微音叉振幅探測(cè)單元和信號(hào)檢測(cè)單元；波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元向待測(cè)物體發(fā)射波長(zhǎng)連續(xù)改變、光強(qiáng)變化頻率與石英微音叉的共振頻率一致的光；石英微音叉聚焦單元收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)；石英微音叉振幅探測(cè)單元將第二束光照射到石英微音叉上，并擴(kuò)大石英微音叉的反射光的光程，得到反應(yīng)石英微音叉振幅的光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)單元將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。所述的波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元包括:波長(zhǎng)可變激光器、光強(qiáng)調(diào)制器，以及激光器與光強(qiáng)調(diào)制器控制接口，光強(qiáng)調(diào)制器將波長(zhǎng)可變激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的激光；所述的石英微音叉聚焦單元包括:凹面鏡和石英微音叉，凹面鏡反射收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上；石英微音叉振幅探測(cè)單元包括:微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器、折疊光路和光點(diǎn)位置傳感器，微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器將第二束光照射到石英微音叉上，折疊光路設(shè)置在石英微音叉反射第二束光的反射光路上，光點(diǎn)位置傳感器設(shè)置在折疊光路的出口處，檢測(cè)光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)單元包括:放大器、濾波器和檢測(cè)單元，光點(diǎn)位置傳感器將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)發(fā)送給放大器、濾波器，經(jīng)放大、濾波后，檢測(cè)單元得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。所述的石英微音叉是MEMS石英微音叉。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:本發(fā)明提供的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法及裝置，不需要樣品制備和預(yù)濃縮過程，不需要光聲池，可以直接在開放環(huán)境下遠(yuǎn)距離對(duì)物品進(jìn)行測(cè)量:將波長(zhǎng)連續(xù)改變的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的光，光強(qiáng)變化的頻率與石英微音叉的共振頻率一致，然后將該光照射到待測(cè)物體上；將被測(cè)物體反射的光利用凹面鏡收集后照射到石英微音叉上，由于光強(qiáng)變化頻率與石英微音叉的共振頻率一致，石英微音叉將發(fā)生共振。被測(cè)物體對(duì)不同波長(zhǎng)的光波的吸收程度不同，所以石英微音叉的振幅將會(huì)隨入射光波波長(zhǎng)而發(fā)生變化；同時(shí)，利用另一束激光照射到石英微音叉的臂上，此束光將在石英微音叉上發(fā)生反射，反射的激光束的光點(diǎn)位置將會(huì)隨著微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)，反射光再經(jīng)過折疊光路(起擴(kuò)大光程的作用，使光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度擴(kuò)大)加長(zhǎng)光程后照射到光點(diǎn)位置探測(cè)器上，通過檢測(cè)光點(diǎn)的移動(dòng)，就可以獲得石英微音叉振幅的大小，可以知道被測(cè)物體對(duì)該波長(zhǎng)光波的吸收強(qiáng)弱，不斷改變可變波長(zhǎng)激光器的輸出波長(zhǎng)就可以獲得被測(cè)物體的吸收光譜。進(jìn)一步，采用利用MEMS工藝加工的MEMS石英微音叉來進(jìn)行測(cè)量。由于MEMS石英微音叉具有很高的品質(zhì)因子Q，并且采用MEMS微細(xì)加工工藝加工的微小音叉結(jié)構(gòu)，可以使反射光的能量密度很高，所以可以大幅度提高該裝置的靈敏度和抗干擾能力。MEMS石英微音叉的體積非常小，可以提高反射光的光能密度和探測(cè)靈敏度，同時(shí)MEMS石英微音叉具有很高的共振品質(zhì)因子，可以提高抗干擾能力，具有探測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本發(fā)明利用“ MEMS石英微音叉的共振特性”來探測(cè)光聲，可以有效地提高檢測(cè)的信噪比，并且MEMS石英微音叉體積微小，光能密度高，結(jié)合采用了光學(xué)方法對(duì)MEMS石英微音叉的振幅進(jìn)行探測(cè)，所以裝置具有很高的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)光聲光譜的遙測(cè)。本發(fā)明利用“ MEMS石英微音叉的共振特性”來探測(cè)光聲信號(hào)，由可變波長(zhǎng)激光器每一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的石英微音叉的振幅來獲得被測(cè)物體的光聲光譜。不僅使裝置的抗干擾能力顯著提高，還可以實(shí)現(xiàn)光聲光譜的遙測(cè)。由于檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比(SNR)與共振品質(zhì)因子的平方根(Q1/2)成正比，而MEMS石英微音叉的共振品質(zhì)因子Q要比現(xiàn)有的光聲光譜測(cè)量所采用的“共振光聲池”高1000多倍，所以本發(fā)明的方法與傳統(tǒng)的光聲光譜方法相比，可以有效地提高檢測(cè)的信噪比，并可以實(shí)現(xiàn)開放空間的光聲光譜遙測(cè)。本發(fā)明不限于僅用于機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合的危險(xiǎn)品檢測(cè)，也可以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全檢測(cè)等多種領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的測(cè)量流程圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖；圖3是石英微音叉振幅的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。參見圖1，一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，包括以下操作:I)將波長(zhǎng)連續(xù)改變的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的光，光強(qiáng)變化的頻率與石英微音叉的共振頻率一致，然后將該光照射到待測(cè)物體上；2)光在待測(cè)物體上發(fā)生反射，利用凹面反射鏡來收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)，石英微音叉產(chǎn)生共振；由于被測(cè)物體對(duì)不同波長(zhǎng)的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅隨入射光波長(zhǎng)的變化而發(fā)生變化；3)將第二束光照射到石英微音叉上，光束將在石英微音叉上發(fā)生反射，反射光束的光點(diǎn)位置會(huì)隨著石英微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)；在第二束光的反射光路中設(shè)置折疊光路，折疊光路擴(kuò)大光程，使光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度擴(kuò)大；4)在折疊光路的出口利用傳感器對(duì)光點(diǎn)位置進(jìn)行探測(cè)，并將光點(diǎn)位置信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。進(jìn)一步，根據(jù)待測(cè)物體的吸收光譜就能夠分辨出待測(cè)物體的種類，判斷出待測(cè)物體是否為危險(xiǎn)物品。具體的，步驟I)、步驟3)所述的光均為由激光器發(fā)射的激光。由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收程度不同，所以由凹面鏡收集到的光強(qiáng)會(huì)隨著波長(zhǎng)變化，光強(qiáng)變化進(jìn)而導(dǎo)致石英微音叉的振幅發(fā)生變化。石英微音叉叉臂發(fā)生微幅振動(dòng)時(shí)，將導(dǎo)致檢測(cè)激光束反光面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使出射檢測(cè)激光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，反射激光束會(huì)隨石英微音叉的振動(dòng)而偏轉(zhuǎn)。在一定距離處用光點(diǎn)位置傳感器對(duì)出射光進(jìn)行探測(cè)，就將石英微音叉叉臂的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為光點(diǎn)的移動(dòng)。光點(diǎn)位置傳感器輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光點(diǎn)位置傳感器的位置有關(guān)。輸出信號(hào)即代表了光點(diǎn)位置，由光點(diǎn)位置可推算出音叉振幅，為了光點(diǎn)位置信號(hào)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號(hào)并進(jìn)行放大，所以用光點(diǎn)位置傳感器來探測(cè)光點(diǎn)位置的變化，根據(jù)光點(diǎn)位置的變化輸出相應(yīng)的電信號(hào)，并將電信號(hào)用放大器放大。進(jìn)一步，參見圖3，獲得待測(cè)物體的吸收光譜的方法為:可變波長(zhǎng)激光器發(fā)出的光線照射到待測(cè)物質(zhì)，待測(cè)物體會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光波表現(xiàn)不同程度的吸收；待測(cè)物體對(duì)某一波長(zhǎng)的光波吸收程度強(qiáng)，則導(dǎo)致經(jīng)凹面鏡收集后照射到石英微音叉的光強(qiáng)減弱，結(jié)果使石英微音叉振幅減小，反之，則使石英微音叉振幅增大；在改變照射到待測(cè)物體上光的出射波長(zhǎng)，得到石英微音叉振幅隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，在振幅小的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收強(qiáng)，振幅大的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收弱，據(jù)此獲得物質(zhì)的吸收光譜。所述的石英微音叉是采用MEMS微細(xì)加工工藝加工而得到的石英微小音叉。MEMS石英微音叉的體積非常小，可以提高反射光的光能密度和探測(cè)靈敏度，同時(shí)MEMS石英微音叉具有很高的共振品質(zhì)因子，可以提高抗干擾能力，具有探測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。參見圖2，一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，包括波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元、石英微音叉聚焦單元、石英微音叉振幅探測(cè)單元和信號(hào)檢測(cè)單元；波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元向待測(cè)物體發(fā)射波長(zhǎng)連續(xù)改變、光強(qiáng)變化頻率與石英微音叉的共振頻率一致的光；石英微音叉聚焦單元收集被待物反射的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)；石英微音叉振幅探測(cè)單元將第二束光照射到石英微音叉上，并擴(kuò)大石英微音叉的反射光程，得到反應(yīng)石英微音叉振幅的光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)單元將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，從而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。所述的波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元包括:波長(zhǎng)可變激光器(波長(zhǎng)可變激光器在計(jì)算機(jī)控制下不斷改變波長(zhǎng)，波長(zhǎng)300nm到1200nm可調(diào))、光強(qiáng)調(diào)制器(頻率O到50KHz精確可調(diào)，可精細(xì)調(diào)整直至石英微音叉發(fā)生共振)，以及激光器與光強(qiáng)調(diào)制器控制接口，光強(qiáng)調(diào)制器將波長(zhǎng)可變激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的激光；所述的石英微音叉聚焦單元包括:凹面鏡和石英微音叉，凹面鏡反射收集被待物反射的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上；調(diào)制后的光照射到被測(cè)物體上，光束在被測(cè)物體上發(fā)生反射，用凹面鏡收集被測(cè)物體的反射光，并將反射光聚集在一個(gè)石英微音叉上，石英微音叉將產(chǎn)生光聲效應(yīng)，由于光強(qiáng)變化的頻率與石英微音叉的共振頻率一致，石英微音叉將產(chǎn)生共振。由于被測(cè)物體對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收程度不同，所以照射到MEMS石英微音叉上的光強(qiáng)會(huì)隨著被測(cè)物的吸收程度不同而改變，光強(qiáng)的改變會(huì)導(dǎo)致MEMS石英微音叉的振幅發(fā)生變化。石英微音叉振幅探測(cè)單元包括:微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器、折疊光路和光點(diǎn)位置傳感器，微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器將第二束光照射到石英微音叉上，折疊光路設(shè)置在石英微音叉反射第二束光的反射光路上，光點(diǎn)位置傳感器設(shè)置在折疊光路的出口處，檢測(cè)光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)；另一束激光照射到石英微音叉上，激光束將在石英微音叉上發(fā)生反射，反射激光束的光點(diǎn)位置將會(huì)隨著石英微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)，折疊光路起擴(kuò)大光程的作用，可以使光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度擴(kuò)大。信號(hào)檢測(cè)單元包括:放大器、濾波器和檢測(cè)單元，光點(diǎn)位置傳感器將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)發(fā)送給放大器、濾波器，經(jīng)放大、濾波后，檢測(cè)單元得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，從而獲得待測(cè)物體的吸收光譜；具體的可得到石英微音叉振幅隨波長(zhǎng)變化的曲線，由此曲線就可以獲得被測(cè)物體的吸收光譜。所述的石英微音叉是MEMS石英微音叉。具體的所述的MEMS石英微音叉的大小尺寸為毫米級(jí)，真空環(huán)境下其品質(zhì)因子Q達(dá)到90000 100000 ;在空氣中時(shí)由于阻尼作用品質(zhì)因子Q會(huì)有一定程度的降低。以上是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，具體形式不限于本實(shí)例，MEMS石英微音叉的具體結(jié)構(gòu)可以有所變化，光強(qiáng)調(diào)制方法可依后續(xù)部分對(duì)調(diào)制光的需求而采用不同形式。
權(quán)利要求
1.一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，包括以下操作: 1)將波長(zhǎng)連續(xù)改變的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的光，光強(qiáng)變化的頻率與石英微音叉的共振頻率一致，然后將該光照射到待測(cè)物體上； 2)光在待測(cè)物體上發(fā)生反射，利用凹面反射鏡來收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)，石英微音叉產(chǎn)生共振；由于被測(cè)物體對(duì)不同波長(zhǎng)的光波的吸收程度不同，石英微音叉的振幅隨入射光波長(zhǎng)的變化而發(fā)生變化； 3)將第二束光照射到石英微音叉上，光束將在石英微音叉上發(fā)生反射，反射光束的光點(diǎn)位置會(huì)隨著石英微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)；在第二束光的反射光路中設(shè)置折疊光路，折疊光路擴(kuò)大光程，使光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度擴(kuò)大； 4)在折疊光路的出口利用光點(diǎn)位置傳感器對(duì)光點(diǎn)位置進(jìn)行探測(cè)，將光點(diǎn)位置信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，并對(duì)所得電信號(hào)進(jìn)行處理，得到石英微音叉與入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。
2.如權(quán)利要求1所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，根據(jù)待測(cè)物體的吸收光譜就能夠分辨出待測(cè)物體的種類，判斷出待測(cè)物體是否為危險(xiǎn)物品O
3.如權(quán)利要求1所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，步驟I)、步驟3)所述的光均為由激光器發(fā)射的激光。
4.如權(quán)利要求1所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，所述將光點(diǎn)位置信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)是用光點(diǎn)位置傳感器來完成，光點(diǎn)位置傳感器根據(jù)光點(diǎn)位置的變化輸出相應(yīng)的電信號(hào)，并將電信號(hào)用放大器放大。
5.如權(quán)利要求1所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，獲得待測(cè)物體的吸收光譜的操作為:` 可變波長(zhǎng)激光器發(fā)出的光線照射到待測(cè)物體，待測(cè)物體會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光波表現(xiàn)不同程度的吸收；待測(cè)物體對(duì)某一波長(zhǎng)的光波吸收程度強(qiáng)，則導(dǎo)致經(jīng)凹面鏡收集后照射到石英微音叉的光強(qiáng)減弱，結(jié)果使石英微音叉振幅減小，反之，則使石英微音叉振幅增大； 改變照射到待測(cè)物體上光的出射波長(zhǎng)，得到石英微音叉振幅隨波長(zhǎng)變化的規(guī)律，在振幅小的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收強(qiáng)，振幅大的地方，待測(cè)物體對(duì)光的吸收弱，據(jù)此獲得物質(zhì)的吸收光譜。
6.如權(quán)利要求1所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法，其特征在于，所述的石英微音叉是采用MEMS微細(xì)加工工藝加工而得到的石英微小音叉。
7.一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，其特征在于，包括波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元、石英微音叉聚焦單元、石英微音叉振幅探測(cè)單元和信號(hào)檢測(cè)單元; 波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元向待測(cè)物體發(fā)射波長(zhǎng)連續(xù)改變、光強(qiáng)變化頻率與石英微音叉的共振頻率一致的光； 石英微音叉聚焦單元收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上，在石英微音叉中產(chǎn)生光聲效應(yīng)； 石英微音叉振幅探測(cè)單元將第二束光照射到石英微音叉上，并擴(kuò)大石英微音叉反射光的光程，得到反應(yīng)石英微音叉振幅的光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)；信號(hào)檢測(cè)單元將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，從而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。
8.如權(quán)利要求7所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，其特征在于，所述的波長(zhǎng)可變激光發(fā)射及光強(qiáng)調(diào)制單元包括:波長(zhǎng)可變激光器、光強(qiáng)調(diào)制器，以及激光器與光調(diào)制器控制接口，光強(qiáng)調(diào)制器將波長(zhǎng)可變激光器發(fā)出的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的激光； 所述的石英微音叉聚焦單元包括:凹面鏡和石英微音叉，凹面鏡反射收集待測(cè)物體的反射光，并將反射光聚焦到石英微音叉上； 石英微音叉振幅探測(cè)單元包括:微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器、折疊光路和光點(diǎn)位置傳感器，微音叉振動(dòng)探測(cè)激光器將第二束光照射到石英微音叉上，折疊光路設(shè)置在石英微音叉反射第二束光的反射光路上，光點(diǎn)位置傳感器設(shè)置在折疊光路的出口處，檢測(cè)光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)； 信號(hào)檢測(cè)單元包括:放大器、濾波器和檢測(cè)單元，光點(diǎn)位置傳感器將光點(diǎn)位置移動(dòng)幅度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)發(fā)送給放大器、濾波器，經(jīng)放大、濾波后，檢測(cè)單元得到石英微音叉隨入射光波長(zhǎng)的變化所對(duì)應(yīng)的振幅，進(jìn)而獲得待測(cè)物體的吸收光譜。
9.如權(quán)利要求8所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，其特征在于，所述的石英微音叉是MEMS石英微音叉。
10.如權(quán)利要求9所述的基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)裝置，其特征在于，所述的MEMS石英 微音叉的大小尺寸為毫米級(jí)，真空環(huán)境下其品質(zhì)因子Q達(dá)到90000 100000。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于石英微音叉光聲效應(yīng)的光聲光譜遙測(cè)方法及裝置，將波長(zhǎng)連續(xù)改變的連續(xù)光調(diào)制為光強(qiáng)按一定頻率變化的光，光強(qiáng)變化的光照射到待測(cè)物體上；將被測(cè)物體反射的光利用凹面鏡收集后照射到石英微音叉上，石英微音叉的振幅將會(huì)隨入射光波波長(zhǎng)而發(fā)生變化；利用另一束激光照射到石英微音叉的臂上，反射的激光束的光點(diǎn)位置將會(huì)隨著微音叉的振動(dòng)而移動(dòng)，反射光再經(jīng)過折疊光路加長(zhǎng)光程后照射到光點(diǎn)位置探測(cè)器上，通過檢測(cè)光點(diǎn)的移動(dòng)，就可以獲得石英微音叉振幅的大小，不斷改變可變波長(zhǎng)激光器的輸出波長(zhǎng)就可以獲得被測(cè)物體的吸收光譜。本發(fā)明不需要樣品制備和預(yù)濃縮過程，不需要光聲池，可以直接在開放環(huán)境下遠(yuǎn)距離對(duì)物品進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/17GK103105365SQ20131001526
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者賈書海, 張周強(qiáng), 馬斌山, 陳花玲 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)