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[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

專利信息
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
地址: 150000 黑龍*** 國(guó)省代碼: 黑龍江;23
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摘要:
搜索關(guān)鍵詞: 一種 石英 聲光 氣體 濃度 檢測(cè) 裝置 方法
【說明書】:

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;

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說明:

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2、支持發(fā)明專利 、實(shí)用新型專利、外觀設(shè)計(jì)專利(升級(jí)中);

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