[發(fā)明專利]一種基于微型石英晶振陣列探測器的腔增強(qiáng)光譜氣體檢測裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110494485.4
• 申請(qǐng)日: 2021-05-07
• 公開（公告）號(hào): CN113218901B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李勁松;許林廣;周勝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/31
• 分類號(hào): G01N21/31
• 代理公司: 合肥云道爾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 34230
• 代理人: 閆興貴

本發(fā)明公開了一種基于微型石英晶振陣列探測器的腔增強(qiáng)光譜氣體檢測裝置及方法，涉及激光光譜和光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括一個(gè)可調(diào)制的LED光源、準(zhǔn)直透鏡、樣品池、聚焦透鏡、微型石英晶振陣列、轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算機(jī)控制單元、激光器控制模塊。本發(fā)明利用一種微型石英晶振陣列的壓電效應(yīng)和諧振特性以及真空密封免去殼結(jié)構(gòu)，結(jié)合高靈敏度衰蕩腔增強(qiáng)光譜技術(shù)，將微型石英晶振陣列作為光電信號(hào)探測器實(shí)現(xiàn)了簡易便捷的高靈敏度氣體檢測方案。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光光譜和光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于微型石英晶振陣列的腔增強(qiáng)光譜氣體檢測裝置及方法。

背景技術(shù)

激光光譜技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)處理控制、燃燒診斷和呼吸氣體成分診斷等領(lǐng)域具有重要意義。傳統(tǒng)的激光光譜技術(shù)主要包括直接吸收光譜技術(shù)和光聲光譜技術(shù)。在2002年，石英音叉首次被報(bào)道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的麥克風(fēng)作為聲信號(hào)探測器成功應(yīng)用于光聲光譜系統(tǒng)中，石英增強(qiáng)光聲光譜由此而來。此后，石英音叉被廣泛研究。近年來，石英音叉作為光電探測器被應(yīng)用于吸收光譜技術(shù)，與光聲光譜技術(shù)不同，石英音叉作為光電探測器應(yīng)用于吸收光譜技術(shù)中，是基于石英音叉的諧振特性和壓電效應(yīng)。基于石英音叉的激光光譜技術(shù)由于其受環(huán)境因素干擾小，檢測靈敏度高，價(jià)格便宜，無波長響應(yīng)限制等優(yōu)勢而發(fā)展迅速。

目前，基于石英音叉的激光光譜技術(shù)中所使用的一般分為兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化圓柱石英晶振，本征頻率約為32kHz。另一種是通過自行加工制作的頻率更低、尺寸更大的定制音叉。石英音叉應(yīng)用于氣體檢測時(shí)，音叉的性能受到其品質(zhì)因子的影響，品質(zhì)因子越高，其檢測性能越好。前一種音叉在用于氣體檢測時(shí)需要將石英音叉去除金屬外殼使得音叉能夠與光路進(jìn)行耦合從而探測聲信號(hào)或者光信號(hào)，但是去除外殼后的音叉其品質(zhì)因子大大降低。后一種音叉由于制作工藝復(fù)雜，開發(fā)成本較高而受到一定限制。以上兩種裸露式音叉易受污染和腐蝕，無法滿足苛刻環(huán)境和長期應(yīng)用的要求。此外，石英音叉光電轉(zhuǎn)換效率有限，無法用于微弱功率光源的高靈敏度測量，尤其是LED這類非受激輻射光源，以及紫外和太赫茲波段的激光光源等。

針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)石英音叉或定制石英音叉所存在的不足，本發(fā)明提出一種基于微納石英晶振陣列的高靈敏度氣體檢測裝置和方法。該微型石英晶振通過微納加工技術(shù)將微型石英音叉完全密封在真空環(huán)境下，不易被污染和腐蝕，可以在免去除外殼的情況下直接用于光電信號(hào)測量。相比于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)晶振和大尺度晶振，微型晶振不易受外部環(huán)境噪聲擾動(dòng)且品質(zhì)因子較高，具有更窄的響應(yīng)帶寬。為了增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，通過陣列的模式集成多個(gè)晶振可實(shí)現(xiàn)信號(hào)疊加增強(qiáng)，能顯著提高檢測靈敏度。此外，通過結(jié)合高精度光學(xué)衰蕩腔增加光與物質(zhì)相互作用的吸收光程，使得該發(fā)明更適用于超高精度和超高靈敏度氣體檢測應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于微型石英晶振陣列探測器的腔增強(qiáng)光譜氣體檢測裝置及方法，解決了背景技術(shù)中提出的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)石英音叉或大尺寸石英音叉所存在的不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明為一種基于微型石英晶振陣列探測器的腔增強(qiáng)光譜氣體檢測裝置，該裝置包括光源、準(zhǔn)直透鏡、樣品池、聚焦透鏡、微型石英晶振陣列、轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算機(jī)控制單元、光源驅(qū)動(dòng)控制模塊；

所述計(jì)算機(jī)控制單元的輸出端與光源驅(qū)動(dòng)控制模塊輸入端連接，所述光源驅(qū)動(dòng)控制模塊的輸出端與光源連接，所述光源的出射光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡并穿過樣品池，所述樣品池后面設(shè)置聚焦透鏡，所述聚焦透鏡后面設(shè)有微型石英晶振陣列，所述微型石英晶振陣列與轉(zhuǎn)換電路連接，所述轉(zhuǎn)換電路的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接計(jì)算機(jī)控制單元。

更進(jìn)一步的，所述光源為可調(diào)制的LED光源。

更進(jìn)一步的，所述樣品池為帶有高反射率腔鏡的衰蕩腔。

更進(jìn)一步的，所述微型石英晶振陣列為多個(gè)相同型號(hào)的微型石英音叉通過微納加工集成封裝形成，陣列中音叉具體數(shù)量可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來設(shè)置。