[發明專利]基于邁克爾遜干涉原理的全光學氣體探測方法及裝置

有效

• 申請號: 201310494334.4
• 申請日: 2013-10-21
• 公開（公告）號: CN103543125A
• 公開（公告）日: 2014-01-29
• 發明（設計）人: 董磊;武紅鵬;劉研研
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

??本發明涉及光聲光譜測量技術，具體為一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學氣體探測方法及裝置。

背景技術

隨著科學技術以及經濟社會的不斷發展，環境問題也日益凸顯，無論出于工業生產監控還是人們健康生活，對氣體質量的監測正變得越來越重要，相關研究人員也一直為此進行著不懈的努力。激光光聲光譜技術便是發展較為成熟的一種氣體探測技術，它具有探測靈敏度高、動態響應范圍大以及響應速度快等優點，在空氣質量監測，石油化工、航天醫療以及國防科研等領域都有著廣泛應用。

傳統的激光光聲光譜技術采用麥克風作為光聲信號探測器件，很容易受到外界環境噪聲的影響且采集到的信號并不便于遠距離傳輸分析。隨著相關技術的發展，Kosterev等人創造性的用石英音叉代替麥克風作為光聲信號探測器并首次提出石英增強光聲光譜技術，并于2005?年?6?月?2?日在美國申請獲得發明專利（專利說明書為?USZOOS?/?0117155AI?）。利用該專利所述儀器探測時，由函數發生器發出頻率為石英音叉共振頻率f₀的一半?f₀/2?的正弦交流信號通過激光控制器對激光頻率進行調制，與此同時，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恰好位于待測氣體的特定吸收線波長處。位于音叉式石英晶振兩振臂間隙附近的待測氣體樣品吸收受調制的激光后將產生頻率與音叉式石英晶振的共振頻率?f₀相同的聲波?。由于聲波的頻率與音叉式石英晶振的共振頻率相同，因此二者會產生共振。音叉的振動在其自身壓電效應的特性下會轉化為壓電電流，該微弱電流經前置放大器放大后傳輸至鎖相放大器進行解調最終獲得包含待測氣體信息的吸收譜信號。

該方法目前已經得到廣泛的應用，但仍然有一些應用限制。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淹沒在噪聲之中；其次，為了把前置放大器與外界電磁場隔離，接地良好的電磁屏蔽罩必須被使用，否則很容易串入電磁噪聲。這樣，當測量位置處空間很小時，無法安放前置放大器，或者當測量處電磁場干擾很大，這時信噪比就會被惡化，從而無法完成測量。因此迫切的需要一種能夠在強電磁干擾下進行氣體濃度測量的且測量精度高的方法及裝置。

傳統的光聲光譜技術中，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待測氣體產生聲波的方法稱為基于音叉式石英晶振的氣體共振發生方法；音叉式石英晶振包括一對通過下部固定在一起、間隔一定且豎直設置的振臂，兩振臂相對的一面稱作內側面，與內側面相對的一面稱為外側面。

發明內容

本發明為解決目前光聲光譜技術測定氣體濃度時容易受外界電磁環境干擾導致測量精度不高的技術問題，提供一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學氣體探測方法及裝置。

本發明所述基于邁克爾遜干涉原理的全光學氣體探測方法是采用以下技術方案實現的：一種基于邁克爾遜干涉原理的全光學氣體探測方法，包括基于音叉式石英晶振的氣體共振發生方法；還包括邁克爾遜全光學探測方法；所述邁克爾遜全光學探測方法采用以下步驟：引入一束探測光，將其分解為兩束，一束入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側面，發生反射后與另一束光發生邁克爾遜干涉，產生等厚干涉條紋；通過采用與等厚干涉條紋相配合的條紋狀光闌使一條或多條亮紋透射至一個固定接收面而將其余部分遮擋，采集一條或多條亮紋隨振臂振動而在該固定接收面所產生的光強變化量，根據該光強變化量得到待測氣體的濃度；所述一條或多條亮紋的光強變化量ΔI=I_大－I_小，式中I_大、I_小分別是采集到的一條或多條亮紋的光強最大值和最小值；所述采集到的一條或多條亮紋的光強變化量ΔI與音叉式石英晶振的振幅成線性關系，而音叉式石英晶振的振幅與待測氣體的濃度y成線性關系，可知一條或多條亮紋的光強變化量ΔI與待測氣體濃度y成線性關系；設亮紋的光強變化量ΔI與某一種待測氣體濃度y的關系式為y=kΔI+b，式中k，b為待定常數；至少取兩份濃度已知的該種待測氣體樣品，分別測出至少兩份待測氣體樣品吸收激光能量后產生聲波引起的探測光發生邁克爾遜干涉所產生的一條或多條亮紋的光強變化量，根據至少兩組[y,?ΔI]值擬合出k和b，即得到一條或多條亮紋的光強變化量ΔI與待測氣體濃度y的定量關系，據此就可以用于測定該種氣體的濃度；選擇不同氣體的樣品，擬合出每種氣體對應的k，b值，就可用于測定這些氣體的濃度。