[發(fā)明專利]基于石英增強(qiáng)光聲光譜的全光學(xué)氣體探測(cè)方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310305128.4
• 申請(qǐng)日: 2013-07-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103411898A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董磊;武紅鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山西大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/27
• 分類號(hào): G01N21/27
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光聲光譜測(cè)量技術(shù)，具體是一種基于石英增強(qiáng)光聲光譜的全光學(xué)氣體探測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也日益凸顯，無(wú)論出于工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控還是人們健康生活，對(duì)氣體質(zhì)量的監(jiān)測(cè)正變得越來(lái)越重要，相關(guān)研究人員也一直為此進(jìn)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(cè)技術(shù)，它具有探測(cè)靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大以及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)，石油化工、航天醫(yī)療以及國(guó)防科研等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的光聲光譜技術(shù)（QEPAS）采用麥克風(fēng)作為光聲信號(hào)探測(cè)器件，它的光聲池體積較大，并且很容易受到外界環(huán)境噪聲的影響。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(hào)探測(cè)器，首次提出石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)，并于2005?年?6?月?2?日在美國(guó)申請(qǐng)獲得發(fā)明專利（專利說(shuō)明書為?USZOOS?/?0117155AI?）。利用該專利所述儀器探測(cè)時(shí)，由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出頻率為石英音叉共振頻率f₀的一半?f₀/2?的正弦交流信號(hào)通過(guò)激光控制器對(duì)激光頻率進(jìn)行調(diào)制，與此同時(shí)，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(zhǎng)恰好位于待測(cè)氣體的特定吸收線波長(zhǎng)處。位于音叉式石英晶振兩振臂間隙附近的待測(cè)氣體樣品吸收受調(diào)制的激光后將產(chǎn)生頻率與石英音叉的共振頻率?f₀相同的聲波。由于聲波的頻率與石英晶振的共振頻率相同，因此二者會(huì)產(chǎn)生共振。音叉的振動(dòng)在其自身壓電效應(yīng)的特性下會(huì)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(jìn)行解調(diào)最終獲得包含待測(cè)氣體信息的吸收譜信號(hào)。

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(hào)淹沒(méi)在噪聲之中；其次，為了把前置放大器與外界電磁場(chǎng)隔離，接地良好的電磁屏蔽罩必須被使用，否者很容易串入電磁噪聲。這樣，當(dāng)測(cè)量位置處空間很小時(shí)（空間不足以安放前置放大器），或者當(dāng)測(cè)量處電磁場(chǎng)干擾很大，這時(shí)信噪比會(huì)迅速惡化，從而無(wú)法完成測(cè)量。

??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(cè)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(duì)通過(guò)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(duì)的一面稱作內(nèi)側(cè)面，與內(nèi)側(cè)面相對(duì)的一面稱為外側(cè)面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決目前石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)中探測(cè)信號(hào)易受電磁環(huán)境干擾且器件布置易受空間大小影響的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于石英增強(qiáng)光聲光譜的全光學(xué)氣體探測(cè)方法及裝置。

本發(fā)明所述的一種基于石英增強(qiáng)光聲光譜的全光學(xué)氣體探測(cè)方法是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于石英增強(qiáng)光聲光譜的全光式微量氣體探測(cè)方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發(fā)生方法；還包括全光學(xué)探測(cè)方法；所述全光學(xué)探測(cè)方法采用以下步驟：引入一束探測(cè)光入射至音叉式石英晶振的任意一個(gè)振臂的外側(cè)面，音叉式石英晶振的振臂在待測(cè)氣體吸收激發(fā)光能量后產(chǎn)生的聲波的作用下發(fā)生共振，引起入射至振臂上的入射光的入射方向及其反射光的反射方向發(fā)生變化；采集固定在空間位置上的一個(gè)接收面接收到的反射光因反射方向變化引起的強(qiáng)度變化信息，根據(jù)該強(qiáng)度變化信息得到待測(cè)氣體的濃度；所述入射光與反射光所在平面呈豎直平面且該平面垂直于音叉式石英晶振的振臂側(cè)面；所述接收面接收到的反射光的強(qiáng)度變化量I_大－I_小=ΔI，式中I_大、I_小分別是接收面接收到的反射光的強(qiáng)度最大值和最小值；所述反射光的強(qiáng)度變化量ΔI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(cè)氣體的濃度y成線性關(guān)系，可知反射光的強(qiáng)度變化量ΔI與待測(cè)氣體濃度y成線性關(guān)系；設(shè)反射光的強(qiáng)度變化量ΔI與某一種待測(cè)氣體濃度y的關(guān)系式為y=kΔI+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(cè)氣體樣品，分別測(cè)出至少兩份待測(cè)氣體樣品吸收激光能量后產(chǎn)生聲波引起的探測(cè)光反射后的光強(qiáng)變化量，根據(jù)至少兩組[y,?ΔI]值擬合出k和b，即得到反射光強(qiáng)度的變化量ΔI與待測(cè)氣體濃度y的定量關(guān)系；據(jù)此就可以用于測(cè)定該種氣體的濃度；選擇不同氣體的樣品，擬合出該種氣體對(duì)應(yīng)的k，b值，就可用于測(cè)定該種氣體的濃度；所述用于探測(cè)的入射光與音叉式石英晶振的振臂外側(cè)面的法線所成角度為10~80°。