[發明專利]一種測量痕量氣體濃度的裝置及方法

無效

• 申請號: 201210145177.1
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN103389270A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 董磊;拉斐爾·勒維奇;弗蘭克·蒂特爾
• 申請（專利權）人: 張妍;朱凌波
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 北京國楓凱文律師事務所 11366
• 代理人: 楊思東

1.一種測量痕量氣體濃度的裝置，其特征在于，包括：光學組件部分和電信號控制測量部分；

其中，所述光學組件部分包括：激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池，所述樣品池中注入有痕量氣體；所述空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡，以及位于所述兩個聚焦透鏡之間的針孔，光路從所述兩個聚焦透鏡和針孔內通過；所述樣品池中包括石英晶振，以及對稱設置在所述石英晶振兩側的兩個微諧振腔，所述石英晶振和兩個微諧振腔的軸心與光路同軸，所述石英晶振平面與光路相垂直，光路從所述兩個微諧振腔內和石英晶振兩振臂間通過；

其中，所述電信號控制測量部分分別與激光器和石英晶振電連接；在測量所述痕量氣體濃度之前，電信號控制測量部分采用校準模式對石英晶振進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分切換到測量模式，并根據所述石英晶振將聲信號轉化得到的電信號，測量所述痕量氣體濃度。

2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔平面與光路非垂直。

3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔與激光器之間的聚焦透鏡焦點位于所述針孔中心；所述空間光束濾波器的針孔與樣品池之間的聚焦透鏡成像點位于石英晶振兩臂中心。

4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔直徑為50μm至300μm。

5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的每個微諧振腔的長度為大于四分之一個聲波波長小于二分之一個聲波波長，所述的聲波波長是指痕量氣體中，聲波振動一個最小周期所傳播的長度，數值等于聲速除以石英晶振的共振頻率。

6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的微諧振腔內徑為0.6mm至1mm，每個微諧振腔與石英晶振的間隙為30μm至50μm。

7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述樣品池的光路方向上還裝配有入射窗口和出射窗口，并且與光路非垂直。

8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述樣品池上還裝配有進氣口和出氣口，用于注入和排出痕量氣體。

9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電信號控制測量部分包括：

切換模塊，與所述石英晶振電連接，用于切換校準模式和測量模式；

信號發生模塊，與所述切換模塊和激光器電連接，用于發生信號；

鎖相放大器，與所述切換模塊和信號發生模塊電連接，用于設置諧波探測模式，并對探測的信號進行解調，以及得出響應曲線；

數據采集卡，與鎖相放大器電連接，用于采集鎖相放大器得出的響應曲線；

計算機，與信號發生模塊和數據采集卡電連接，用于控制信號發生模塊發出信號，以及分析數據采集卡采集的數據。

10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述的切換模塊包括：與所述石英晶振輸入端電連接的電子開關；與所述電子開關的控制端和一個輸入端電連接的耦合電容；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。

11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述的切換模塊包括：與所述石英晶振輸入端電連接的繼電器；與所述繼電器的常開觸點和第一信號發生器輸出端電連接的耦合電容；與繼電器線圈電連接的三極管；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。

12.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述信號發生模塊包括：輸出端與所述切換模塊電連接的第一信號發生器；觸發輸入端與所述第一信號發生器的觸發輸出端電連接的第二信號發生器；與所述激光器的激光調制輸入端電連接的電子加法器，所述電子加法器還與第二信號發生器的觸發輸出端電連接；與所述電子加法器的一個輸入端電連接的第三信號發生器。

13.如權利要求1至12任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光器為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。