[發明專利]一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201910267695.2
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN109975214B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 馬欲飛;佟瑤;何應;于欣;彭江波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/39
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置，其特征在于：包括激光器控制模塊(1)、半導體激光器(2)、準直聚焦透鏡組(3)、聲波增強與探測模塊(4)、控制與數據采集系統(5)以及計算機(6)，所述激光器控制模塊(1)、半導體激光器(2)、準直聚焦透鏡組(3)、聲波增強與探測模塊(4)、控制與數據采集系統(5)以及計算機(6)沿光束傳播方向依次設置；所述激光器控制模塊(1)用于設置半導體激光器(2)的工作溫度與電流；所述半導體激光器(2)用于輸出激光束；所述準直聚焦透鏡組(3)包含兩個非球面透鏡，所述兩個非球面透鏡的焦距分別為20-40mm和30-60mm；所述聲波增強與探測模塊(4)包括石英音叉(41)和圓環(42)，所述石英音叉(41)置于圓環(42)內；所述半導體激光器(2)輸出的激光束聚焦在石英音叉(41)的叉指之間且位于圓環(42)的中心，圓環(42)的聲阻抗Z2大于100MPa·s·m^-1，石英音叉(41)產生壓電信號并將壓電信號傳輸至數據采集系統(5)，所述控制與數據采集系統(5)對產生的壓電信號進行解調與采集，并與計算機(6)連接，所述計算機(6)通過上位機軟件進行實時通訊。

2.根據權利要求1所述的一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置，其特征在于：所述半導體激光器(2)為近紅外連續可調諧單縱模輸出的激光器。

3.根據權利要求1所述的一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置，其特征在于：所述石英音叉(41)的共振頻率范圍為20kHz-70kHz，品質因子大于等于10000。

4.根據權利要求1所述的一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置，其特征在于：所述圓環(42)的材質為銅，其聲阻抗Z2＝420MPa·s·m^-1。

5.一種根據權利要求1-4中任一權利要求所述的石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置的檢測方法，其特征在于：所述檢測方法包括如下步驟：

步驟一、開啟半導體激光器(2)，使其輸出激光束，通過激光器控制模塊(1)對溫度和電流的設定，調節半導體激光器(2)的輸出波長，使其完整覆蓋氣體吸收線；

步驟二、通過控制與數據采集系統(5)對石英音叉(41)的共振頻率進行掃描，并用低頻的鋸齒波和高頻的正弦波疊加后的信號共同調制上述激光束；

步驟三、調制后的激光束經過準直聚焦透鏡組(3)后從圓環(42)一端入射進圓環(42)中，激光束聚焦在圓環(42)的中心，激發氣體分子產生聲波；

步驟四、產生的聲波傳遞至圓環(42)的內圓周面并發生全反射，入射聲波和反射聲波疊加后產生駐波，并形成聲波共振，增強產生的聲波信號；

步驟五、石英音叉(41)探測到指叉之間的聲波信號后產生壓電電流信號；

步驟六、產生的壓電電流信號傳輸至控制與數據采集系統(5)并通過計算機(6)的軟件進行數據獲取與相關計算，得出探測氣體的濃度。