[發(fā)明專利]一種測量痕量氣體濃度的裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210145177.1
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN103389270A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董磊;拉斐爾·勒維奇;弗蘭克·蒂特爾
• 申請（專利權(quán)）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(wù)所 11366
• 代理人: 楊思東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電領(lǐng)域，特別是涉及一種測量痕量氣體濃度的裝置及方法。

背景技術(shù)

痕量氣體檢測在污染監(jiān)控、石油勘探、工業(yè)過程控制、航天工業(yè)及醫(yī)學(xué)診斷等多個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。但是現(xiàn)有測量痕量氣體濃度技術(shù)的分辨率較低、測量精度較差，不能滿足實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種測量痕量氣體濃度的裝置及方法，用以解決現(xiàn)有測量痕量氣體濃度技術(shù)的分辨率較低、測量精度較差，故而不能滿足實(shí)際需求的問題。

本發(fā)明的裝置包括：光學(xué)組件部分和電信號控制測量部分；其中，所述光學(xué)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(shè)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(gè)聚焦透鏡，以及位于所述兩個(gè)聚焦透鏡之間的針孔，光路從所述兩個(gè)聚焦透鏡和針孔內(nèi)通過；所述樣品池中包括石英晶振，以及對稱設(shè)置在所述石英晶振兩側(cè)的兩個(gè)微諧振腔，所述石英晶振和兩個(gè)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(gè)微諧振腔內(nèi)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(zhǔn)模式對石英晶振進(jìn)行校準(zhǔn)；在測量所述痕量氣體濃度時(shí)，電信號控制測量部分切換到測量模式，并根據(jù)所述石英晶振將聲信號轉(zhuǎn)化得到的電信號，測量所述痕量氣體的濃度。

進(jìn)一步，空間光束濾波器的針孔平面與光路非垂直。空間光束濾波器的針孔與激光器之間的聚焦透鏡焦點(diǎn)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(diǎn)位于石英晶振兩臂中心。空間光束濾波器的針孔直徑為50μm至300μm。

進(jìn)一步，每個(gè)微諧振腔的長度為大于四分之一個(gè)聲波波長小于二分之一個(gè)聲波波長。微諧振腔內(nèi)徑為0.6mm至1mm，每個(gè)微諧振腔與石英晶振的間隙為30μm至50μm。

進(jìn)一步，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。

進(jìn)一步，樣品池上還裝配有進(jìn)氣口和出氣口，用于注入和排出痕量氣體。

進(jìn)一步，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(zhǔn)模式和測量模式；信號發(fā)生模塊，與所述切換模塊和激光器電連接，用于發(fā)生信號；鎖相放大器，與所述切換模塊和信號發(fā)生模塊電連接，用于設(shè)置諧波探測模式，并對探測的信號進(jìn)行解調(diào)，以及得出響應(yīng)曲線；數(shù)據(jù)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(yīng)曲線；計(jì)算機(jī)，與信號發(fā)生模塊和數(shù)據(jù)采集卡電連接，用于控制信號發(fā)生模塊發(fā)出信號，以及分析數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)。切換模塊包括：與所述石英晶振輸入端電連接的電子開關(guān)；與所述電子開關(guān)的控制端和一個(gè)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(yùn)放及放大電阻，并且所述集成運(yùn)放的輸出端電連接鎖相放大器。或者，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(diǎn)和第一信號發(fā)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(yùn)放及放大電阻，并且所述集成運(yùn)放的輸出端電連接鎖相放大器。信號發(fā)生模塊包括：輸出端與所述切換模塊電連接的第一信號發(fā)生器；觸發(fā)輸入端與所述第一信號發(fā)生器的觸發(fā)輸出端電連接的第二信號發(fā)生器；與所述激光器的激光調(diào)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(fā)生器的觸發(fā)輸出端電連接；與所述電子加法器的一個(gè)輸入端電連接的第三信號發(fā)生器。

進(jìn)一步，激光器為中紅外量子級聯(lián)激光器，發(fā)射出中紅外激光。

本發(fā)明的方法包括：石英晶振校準(zhǔn)的步驟：在校準(zhǔn)模式下，用電信號激發(fā)石英晶振振動，以一次諧波探測模式對由石英晶振振動產(chǎn)生的電信號進(jìn)行探測，經(jīng)解調(diào)后分析得出所述石英晶振的共振頻率；切換模式的步驟：切換到測量模式，并根據(jù)所述的石英晶振共振頻率，將一次諧波探測模式切換到二次諧波探測模式；測量痕量氣體濃度的步驟：將紅外線光束的頻率調(diào)至所述石英晶振共振頻率的二分之一，并以二次諧波探測模式對由石英晶振將聲信號轉(zhuǎn)化得到的電信號進(jìn)行探測；其中，石英晶振校準(zhǔn)的步驟、切換模式的步驟以及測量痕量氣體濃度的步驟，采用本發(fā)明的測量痕量氣體濃度的裝置來實(shí)施。