[發明專利]一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統及方法

在審

• 申請號: 201510077979.7
• 申請日: 2015-02-14
• 公開（公告）號: CN104655587A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 董敬濤;陳堅;吳周令
• 申請（專利權）人: 合肥知常光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/31
• 代理公司: 合肥天明專利事務所 34115
• 代理人: 金凱;宋倩

技術領域

本發明涉及氣體吸收光譜測量技術領域，具體是一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統及方法。

背景技術

隨著經濟發展，一方面交通、工業產生的大量煙氣進入大氣中，使大氣污染日益嚴重，另一方面瓦斯、甲醛等有害氣體充斥著人們生活的各個方面，時刻危害著人們的生命和健康，因此對有害氣體的分析測量尤其重要。

目前，分析測量氣體的主要技術有：熱導法、電化學法、氣相色譜法和紅外線吸收法。

熱導法根據不同氣體具有不同熱傳導能力的原理，通過測定混合氣體導熱系數來推算其中某些組分的含量。熱導法應用范圍較廣，可用于分析氫氣、氨氣、二氧化碳、二氧化硫和低濃度可燃性氣體等。但是熱導法對氣體的壓力波動、流量波動十分敏感，介質中水汽、顆粒等雜質對測量結果影響較大，所以必須安裝復雜的采樣預處理系統。

電化學法根據化學反應所引起的離子量的變化或電流變化來測量氣體成分，具有體積小、檢測速度快、便攜、可現場檢測和連續檢測等優點。但是電化學法使用成本較大，在實際檢測中還會存在取樣流量、氣體交叉干擾以及預處理等問題。

氣相色譜法是將一定量的氣體分析物注入到色譜柱中，分析物中的各種不同組分由于分子類型不同就會在不同的時間到達柱的末端，從而得到分離。檢測器通過檢測色譜柱的流出流從而確定每一個組分的含量。氣相色譜法分離效率高、靈敏度高、應用范圍廣，但是在對組分直接進行定性分析時，必須用已知物或已知數據與相應的色譜峰進行對比，或與其它方法（如質譜、光譜）聯用，才能獲得直接肯定的結果，在定量分析時，常要用已知物的純樣品對檢測后輸出的信號進行校正。

紅外線吸收法是根據不同組分氣體對不同波長的紅外線具有選擇性吸收的特性而進行分析測量。測量這種吸收光譜可判別出氣體的種類；測量吸收強度可確定被測氣體的濃度。紅外線吸收法的使用范圍寬，不僅可分析氣體成分，也可分析溶液成分，且靈敏度較高，反應迅速，能在線連續指示，也可組成調節系統，因此該方法一直以來都是氣體分析檢測技術最重要的發展方向之一。

依據這一原理，人們已建立了以光聲光譜為代表的高靈敏度吸收測量技術。光聲光譜檢測是用一束強度周期性調制的單色光照射到密封于光聲池中的樣品上，樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品和周圍介質產生周期性加熱，導致介質產生周期性壓力波動，這種壓力波動可用靈敏的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測，這就是光聲效應。通過改變入射光波長則可測到隨波長而變的光聲光譜。但是光聲光譜技術受到周圍環境噪聲和振動的影響而受限于各種復雜環境的應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統及方法，可廣泛應用于室內室外的氣體污染等環境監測領域，具有高靈敏度、寬光譜、抗噪聲、體積小、重量輕等優點。

本發明的技術方案為：

一種基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，該系統包括泵浦激光器、光束調制裝置、光程池、反射聚焦裝置、MEMS微懸臂梁、探測激光器、位置敏感探測器、鎖相放大器和中央處理器，所述光程池用于容納被測氣體樣品，所述MEMS微懸臂梁由基座以及固定在基座上的雙層結構組成，所述雙層結構包括黑硅材料層以及形成于黑硅材料層上的金屬材料層；所述泵浦激光器的輸出端通過光束調制裝置與光程池的入光口光路連接，所述光程池的出光口通過反射聚焦裝置與MEMS微懸臂梁的黑硅材料層光路連接，所述探測激光器的輸出端與MEMS微懸臂梁的金屬材料層光路連接，所述位置敏感探測器設置在金屬材料層的反射光路上，所述光束調制裝置和位置敏感探測器的輸出端與鎖相放大器的輸入端連接，所述鎖相放大器的輸出端與中央處理器的輸入端連接。

所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，該系統還包括光束整形裝置，所述光束整形裝置設置在泵浦激光器與光束調制裝置之間的光路上。

所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，該系統還包括前置信號預處理裝置，其輸入端與位置敏感探測器的輸出端連接，其輸出端與鎖相放大器的輸入端連接；所述前置信號預處理裝置包括前置放大器和濾波器。

所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，該系統還包括泵浦激光器控制裝置，所述泵浦激光器控制裝置的輸出端與泵浦激光器的輸入端連接。

所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，所述泵浦激光器選用可調諧激光器或超連續激光器。

所述的基于MEMS的超高靈敏氣體吸收光譜測量系統，所述光程池內設有第一反射鏡和第二反射鏡。