[發(fā)明專利]一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910267695.2
• 申請(qǐng)日: 2019-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN109975214B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬欲飛;佟瑤;何應(yīng);于欣;彭江波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/17
• 分類號(hào): 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

一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法，屬于氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域。激光器控制模塊、半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直聚焦透鏡組、聲波增強(qiáng)與探測(cè)模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)沿光束傳播方向設(shè)置；激光器控制模塊設(shè)置半導(dǎo)體激光器的工作溫度與電流；半導(dǎo)體激光器輸出激光束；準(zhǔn)直聚焦透鏡組包含兩個(gè)非球面透鏡，聲波增強(qiáng)與探測(cè)模塊包括石英音叉和圓環(huán)，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束聚焦在石英音叉的叉指之間且位于圓環(huán)的中心，石英音叉產(chǎn)生壓電信號(hào)并傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的壓電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與采集并與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。本發(fā)明改善了氣體濃度檢測(cè)靈敏度，增強(qiáng)了傳感器系統(tǒng)信號(hào)，降低了系統(tǒng)噪聲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法，屬于氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

石英光聲光譜技術(shù)是以光聲效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種氣體檢測(cè)方法，相比于其他類型的光譜技術(shù)，它具有靈敏度高、體積小、探測(cè)能力強(qiáng)、環(huán)境噪聲免疫等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在大氣監(jiān)測(cè)以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中。

在石英光聲光譜技術(shù)中，可采用增大激光功率或提高聲學(xué)耦合效率的方法來提高系統(tǒng)的探測(cè)能力。在增大激光功率方面，量子級(jí)聯(lián)激光器有著突出的光譜學(xué)特性，且覆蓋了大量氣體分子振轉(zhuǎn)能級(jí)的基頻吸收，但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且高昂的成本限制了該激光器的廣泛使用。因此，提高聲學(xué)耦合效率是改善系統(tǒng)探測(cè)能力的一種成本低廉且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

在現(xiàn)有技術(shù)中，多采用石英音叉作為聲波探測(cè)元件。由于光聲信號(hào)十分微弱，因此在垂直于石英音叉叉指平面方向上添加與半導(dǎo)體激光束同軸的管狀聲學(xué)共振管，實(shí)現(xiàn)聲波的增強(qiáng)。按照共振管的形狀可以分為共軸型和離軸型。在這兩種結(jié)構(gòu)中，激光束均從共振管內(nèi)經(jīng)過，在共振管內(nèi)激發(fā)氣體分子產(chǎn)生聲波，由石英音叉實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波的探測(cè)。然而，現(xiàn)有的共振管只能對(duì)聲波場(chǎng)一維方向上(垂直于石英音叉叉指平面方向上，即z方向)進(jìn)行共振增強(qiáng)，而光聲光譜技術(shù)中產(chǎn)生的聲波場(chǎng)為球面波，因此，現(xiàn)有技術(shù)中其他兩維方向上(x和y方向)聲波場(chǎng)沒有得到利用，導(dǎo)致傳感器系統(tǒng)探測(cè)靈敏度偏低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。另外由于目前的共振管并未考慮聲波駐波條件，因此為了提高聲波增強(qiáng)效果，導(dǎo)致目前采用的共振管內(nèi)徑較小(1mm)，調(diào)節(jié)時(shí)具有一定的困難，且共振管對(duì)激光功率有遮擋，使到達(dá)石英音叉叉指之間的激光功率降低，影響了系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度和增大了系統(tǒng)噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

為解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法。

實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術(shù)方案：一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法，包括激光器控制模塊、半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直聚焦透鏡組、聲波增強(qiáng)與探測(cè)模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)，所述激光器控制模塊、半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直聚焦透鏡組、聲波增強(qiáng)與探測(cè)模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)沿光束傳播方向依次設(shè)置；所述激光器控制模塊用于設(shè)置半導(dǎo)體激光器的工作溫度與電流；所述半導(dǎo)體激光器用于輸出激光束；所述準(zhǔn)直聚焦透鏡組包含兩個(gè)非球面透鏡，所述兩個(gè)非球面透鏡的焦距分別為20-40mm和30-60mm；所述聲波增強(qiáng)與探測(cè)模塊包括石英音叉和圓環(huán)，所述石英音叉置于圓環(huán)內(nèi)；所述半導(dǎo)體激光器輸出的激光束聚焦在石英音叉的叉指之間且位于圓環(huán)的中心，圓環(huán)的聲阻抗大于100MPa·s·m^-1，石英音叉產(chǎn)生壓電信號(hào)并將壓電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)生的壓電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與采集，并與計(jì)算機(jī)連接，所述計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

本發(fā)明的一種石英光聲光譜氣體濃度檢測(cè)裝置及方法，包括如下步驟：

步驟一、開啟半導(dǎo)體激光器，使其輸出激光束，通過激光器控制模塊對(duì)溫度和電流的設(shè)定，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)，使其完整覆蓋氣體吸收線；

步驟二、通過控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)石英音叉的共振頻率進(jìn)行掃描，并用低頻的鋸齒波和高頻的正弦波疊加后的信號(hào)共同調(diào)制上述激光束；

步驟三、調(diào)制后的激光束經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦透鏡組后從圓環(huán)一端入射進(jìn)圓環(huán)中，激光束聚焦在圓環(huán)的中心，激發(fā)氣體分子產(chǎn)生聲波；