[發明專利]一種基于石英音叉的雙光譜氣體檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201910372601.8
• 申請日: 2019-05-06
• 公開（公告）號: CN110044824B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 李勁松;許林廣
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/31
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司 11212
• 代理人: 沈尚林

1.一種基于石英音叉的雙光譜氣體檢測裝置，其特征在于，包括波長可調諧激光器、聚焦準直透鏡、孔徑可調方形光欄、樣品池、透光窗片、第一音叉、進出氣口、第二音叉、第一前置放大電路和第二前置放大電路、激光器控制模塊、模數轉換模塊、數模轉換模塊、計算機控制單元；所述計算機控制單元的信號輸出端與數模轉換模塊連接，數模轉換模塊的信號輸出端與激光器控制模塊連接，激光器控制模塊與波長可調諧激光器控制連接；所述樣品池的兩端分別開孔并嵌入透光窗片，樣品池上設有進氣口、出氣口，樣品池內充有待檢測的氣體分子，氣體分子種類依據波長可調諧激光器的工作波長而定，第一音叉和第二音叉分別設置在樣品池內、外；所述聚焦準直透鏡、孔徑可調方形光欄、樣品池的兩透光窗片依次設置在波長可調諧激光器的光束出射光路上，所述第一音叉和第二音叉為諧振頻率相同的兩個石英音叉，兩者平行安置但不完全同軸，且兩個音叉振臂的側面皆與入射光束垂直；孔徑可調方形光欄調節后的入射光束光斑要大于音叉振臂的側面寬度；所述第一前置放大電路和第二前置放大電路的信號輸入端分別與第一音叉和第二音叉連接，第一前置放大電路和第二前置放大電路的信號輸出端接入模數轉換模塊，模數轉換模塊的信號輸出端與計算機控制單元連接。

2.根據權利要求1所述的一種基于石英音叉的雙光譜氣體檢測裝置，其特征在于，所述計算機控制單元內包括Labview軟件編寫的模擬信號輸出模塊和雙路光譜信號分析處理算法模塊。

3.一種基于權利要求1所述基于石英音叉的雙光譜氣體檢測裝置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

[01]計算機控制單元中Labview軟件編寫的激光器調制信號或脈沖驅動電壓信號通過數模轉換模塊變成模擬信號，再經過激光器控制模塊，最終輸入給波長可調諧激光器，實現激光器波長的調諧和調制輸出；

[02]波長可調諧激光器發出的調制激光經過聚焦準直透鏡變成平行光束，平行光束的光斑大小由孔徑可調方形光欄控制調節后，再耦合進入樣品池；

[03]樣品池內，入射光束光斑要大于音叉振臂的側面寬度，使得入射光束一部分光垂直入射到第一音叉振臂的側面上，另一部分光穿過樣品池后，直接入射到第二音叉振臂的側面上；

[04]由于波長可調諧激光器的調制頻率與石英音叉的諧振頻率相同，樣品池內的入射光束中部分能量被充入的待檢測分子吸收，并通過無輻射馳豫過程形成光聲信號，激發第一音叉共振，同時入射到第一音叉振臂側面的光束通過光壓作用亦引起第一音叉共振，從而實現兩種不同信號源同時激勵第一音叉諧振，最終產生兩種共振增強信號的疊加信號；

[05]此外，穿過樣品池的入射光束亦通過光壓作用引起第二音叉共振；

[06]由于石英音叉自身的壓電效應會感應出壓電電流，第一音叉和第二音叉共振產生的壓電電流分別通過低噪聲、高精度第一前置放大電路和第二前置放大電路放大并轉換成電壓信號；

[07]上述兩路信號再由模數轉換模塊轉換成數字信號后輸入到計算機控制單元中Labview軟件編寫的雙光譜信號分析處理算法模塊，進行相關處理；

[08]雙光譜信號分析處理算法模塊首先通過快速傅里葉變換算法對石英音叉輸出的時域信號進行頻譜分析，再結合極值算法計算出諧振頻率處兩路光譜信號的幅值，最終依據激光器發射波長與兩路光譜信號幅值之間的對應關系，分別獲得對應第一音叉的疊加光譜和第二音叉對應的直接吸收光譜；

[09]利用所述雙光譜氣體檢測裝置測量未知濃度分析物之前，首先利用第二音叉對應的直接吸收光譜反演出分析物的濃度值，再利用該濃度值對第一音叉對應的共振增強疊加光譜進行校正，計算出光聲池響應常數；

[10]最后，分別利用直接吸收光譜和光聲光譜用于高濃度或低濃度樣品分析，依據待檢測分析物濃度范圍，選擇相應的檢測方法。