[發明專利]一種氣體檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 202010087714.6
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111272663B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 武紅鵬;董磊;尚智金;李尚志;文欽佐·路易吉·斯帕格諾;安杰洛·桑保羅;彼得羅·帕蒂米斯科
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/25
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 程園園

本發明公開了一種氣體檢測裝置及方法，該裝置包括光源模塊、類條形光束整形模塊、光聲信號探測模塊和數據處理模塊，類條形光束整形模塊將激勵光源整形為具有類條形光斑特性的激勵光束，光聲信號探測模塊包括音叉式石英晶振及橢圓形聲學諧振腔，具有類條形光斑特性的激勵光束入射至光聲信號探測裝置并與待測氣體作用產生的光聲信號，光聲信號在橢圓形聲學諧振腔內共振增強后推動音叉式石英晶振的振臂振動產生電信號，通過探測電信號可反演出氣體濃度；本發明采用類條形光束整形模塊解決了傳統圓形光斑光束整形難以及與音叉式石英晶振幾何結構不匹配導致的音叉振臂感聲面積利用率低的問題；橢圓形聲學諧振腔進一步提高了聲波耦合效率和探測靈敏度。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術，具體涉及一種氣體檢測裝置及方法。

背景技術

痕量氣體檢測技術在環境、工業、航空航天、醫療技術領域發揮著重要作用。近年來，作為間接吸收光譜技術的一種，光聲光譜技術以其零背景、選擇性好、無波長選擇性、探測靈敏度與激勵光功率正相關等特性受到了極大的關注且被成功應用于眾多領域。石英增強光聲光譜是傳統光聲光譜的一種改進，該技術的核心是采用低成本，小尺寸的音叉式石英晶振(以下簡稱為石英音叉)替代傳統的寬帶麥克風，實現了微弱聲波的探測。石英增強光聲光譜技術的基本原理如下：氣體吸收激勵光源的光能躍遷至高能態，由于碰撞退激發弛豫過程產生聲波，聲波推動石英音叉兩振臂產生對稱性振動，從而借助石英材料的壓電特性將與氣體濃度相關的聲波信號轉換為易于探測分析的電學信號。此外，石英增強光聲光譜傳感器中通常會裝配圓柱形微型聲學諧振腔，以增強光聲信號與石英音叉的耦合程度。石英增強光聲光譜傳感器有兩種微型共振腔配置:一種是在軸配置，光從石英音叉兩振臂間通過，兩個微型腔被沿光路放置在音叉前后；另一種是離軸配置，光從微型共振腔通過，在微型共振腔中心有一小孔，面對著石英音叉兩振臂之間的狹縫，石英音叉被水平的貼在小孔上。由于激勵光源與石英音叉或微型共振腔相互作用會產生明顯的干擾噪聲，因此無論采用在軸配置還是離軸配置，激勵光源都必須保證不能接觸石英音叉或者微型聲學諧振腔，以確保石英增強光聲光譜痕量氣體傳感器的探測靈敏度。目前，絕大多數石英增強光聲光譜痕量氣體傳感器采用商用標準石英音叉作為聲學換能器。由于標準石英音叉兩振臂間距僅為0.3mm，因此激勵光源需要通過光學器件進行預處理，以確保光斑直徑小于0.3mm。這一操作雖然有效降低了由于光接觸產生的背景噪聲，但使得光聲信號與石英音叉振臂的有效作用面積極小，從而使石英音叉振臂的絕大部分響應區間無法與光聲信號相互作用，造成了石英音叉振臂內表面的利用率嚴重不足，如圖1(a)所示。

此外，無波長選擇性及靈敏度與激勵光功率正相關的特性使得石英增強光聲光譜痕量氣體傳感器可以從大功率光源或諸如中紅外、太赫茲光源等新型光源的不斷發展中獲得益處。然而量子級聯激光器、LED等光源的發光機制使得新型光源的出射光大多為條形等不規則形狀。因此，需要配套研發棱鏡組或更復雜的光學準直裝置將具有不規則光斑的光束整形濾波為圓形光斑才能將上述新型光源應用于石英增強光聲光譜痕量氣體傳感器。光束整形的難度會隨著原始光斑不規則度或出射光功率的增加而加大。

綜上所述，增加石英音叉振臂內表面的利用率并降低光束整形的難度及復雜度是提高石英增強光聲光譜氣體濃度檢測靈敏度的有效方法之一。

發明內容

針對現有技術中量子級聯激光器光源、太赫茲光源、LED光源等新型光源用于石英增強光聲光譜技術中時的光束整形難題，以及由于傳統石英增強光聲光譜技術中采用具有圓形光斑的激勵光源導致的石英音叉振臂內表面利用率低的問題，本發明旨在提供一種氣體檢測裝置及方法，通過將激勵光源光斑形狀整形為條形或長橢圓形的類條形光斑，并設計與之配套的橢圓形聲學諧振腔，以增強光聲信號與音叉式石英晶振的作用效率，從而提高石英增強光聲光譜氣體濃度檢測的靈敏度。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：