[發(fā)明專利]一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置及方法

有效

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• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN109975214B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)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(yè)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

一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置及方法，屬于氣體濃度檢測領域。激光器控制模塊、半導體激光器、準直聚焦透鏡組、聲波增強與探測模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機沿光束傳播方向設置；激光器控制模塊設置半導體激光器的工作溫度與電流；半導體激光器輸出激光束；準直聚焦透鏡組包含兩個非球面透鏡，聲波增強與探測模塊包括石英音叉和圓環(huán)，半導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)對產(chǎn)生的壓電信號進行解調(diào)與采集并與計算機連接，計算機通過上位機軟件進行實時通訊。本發(fā)明改善了氣體濃度檢測靈敏度，增強了傳感器系統(tǒng)信號，降低了系統(tǒng)噪聲。

技術領域

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

背景技術

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

在石英光聲光譜技術中，可采用增大激光功率或提高聲學耦合效率的方法來提高系統(tǒng)的探測能力。在增大激光功率方面，量子級聯(lián)激光器有著突出的光譜學特性，且覆蓋了大量氣體分子振轉能級的基頻吸收，但其缺點是結構復雜，并且高昂的成本限制了該激光器的廣泛使用。因此，提高聲學耦合效率是改善系統(tǒng)探測能力的一種成本低廉且易于實現(xiàn)的方法。

在現(xiàn)有技術中，多采用石英音叉作為聲波探測元件。由于光聲信號十分微弱，因此在垂直于石英音叉叉指平面方向上添加與半導體激光束同軸的管狀聲學共振管，實現(xiàn)聲波的增強。按照共振管的形狀可以分為共軸型和離軸型。在這兩種結構中，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，由石英音叉實現(xiàn)對聲波的探測。然而，現(xiàn)有的共振管只能對聲波場一維方向上(垂直于石英音叉叉指平面方向上，即z方向)進行共振增強，而光聲光譜技術中產(chǎn)生的聲波場為球面波，因此，現(xiàn)有技術中其他兩維方向上(x和y方向)聲波場沒有得到利用，導致傳感器系統(tǒng)探測靈敏度偏低，限制了其實際應用。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效果，導致目前采用的共振管內(nèi)徑較小(1mm)，調(diào)節(jié)時具有一定的困難，且共振管對激光功率有遮擋，使到達石英音叉叉指之間的激光功率降低，影響了系統(tǒng)信號強度和增大了系統(tǒng)噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

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

實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術方案：一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置及方法，包括激光器控制模塊、半導體激光器、準直聚焦透鏡組、聲波增強與探測模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機，所述激光器控制模塊、半導體激光器、準直聚焦透鏡組、聲波增強與探測模塊、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機沿光束傳播方向依次設置；所述激光器控制模塊用于設置半導體激光器的工作溫度與電流；所述半導體激光器用于輸出激光束；所述準直聚焦透鏡組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)生壓電信號并將壓電信號傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對產(chǎn)生的壓電信號進行解調(diào)與采集，并與計算機連接，所述計算機通過上位機軟件進行實時通訊。

本發(fā)明的一種石英光聲光譜氣體濃度檢測裝置及方法，包括如下步驟：

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

步驟二、通過控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對石英音叉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(diào)制上述激光束；

步驟三、調(diào)制后的激光束經(jīng)過準直聚焦透鏡組后從圓環(huán)一端入射進圓環(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；