CN110646348B - 基于平行入射的石英光声光谱传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，所述传感系统包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、光学准直器、石英音叉、数据采集系统、计算机。本发明设计了一种新的激光入射到石英音叉的方式，激光平行于石英音叉的叉股入射，从音叉叉股的中间穿过最后直接打在音叉的底部。由于石英音叉的长度远大于其厚度，所以激光与气体有效的相互作用距离会大大增加，从而提高声波对石英音叉的作用效果使得石英音叉的输出信号增大，最终提高气体探测的灵敏度。

Description

基于平行入射的石英光声光谱传感系统
技术领域
本发明涉及一种石英光声光谱传感系统。
背景技术
石英增强光声光谱技术是一种利用石英音叉作为探测元件的间接吸收光谱技术。石英增强光声光谱技术的基础原理是光声效应。所谓光声效应是指吸收气体吸收光能后通过无辐射跃迁形式转化为热能，这会导致吸收气体局部温度的升高及压强的变化。如果光能是经过周期性调制的，那么这种局部温度升高及压强的变化也会是周期性的，调制频率如果在声频，那就会产生声波。当声源位于石英音叉两叉股中间时，压力波会对石英音叉的两叉股分别产生相反的力的作用，由于石英材料具有压电效应，这种相反的力的作用会导致音叉两叉股产生相反的电信号，通过引出电极，石英音叉就可以输出信号。石英增强光声光谱技术中使用的光源是激光，气体分子吸收激光能量产生光声效应。由于音叉叉股只有分别向相反方向摆动时才会产生有效信号，故激光入射需要穿过两音叉叉股之间，目前激光入射方式是垂直穿过音叉叉股（图1所示），方式较为单一，激光与音叉叉股之间的气体相互作用产生声波信号并通过石英晶体的压电效应转化为电流信号输出，通过解调输出电流信号反演得出待测气体浓度。
在现有的激光的入射方式中，激光与气体的有效作用距离短，只有音叉厚度大小，约为0.36 mm（图1），导致由光声效应产生的声波对石英音叉的作用较弱，进而使得音叉输出的电流信号较小（约为 pA量级），最终影响气体检测的灵敏度。此外，在这种方案中，激光与音叉顶部的相对距离也会影响输出信号强度，这使得系统调节变得非常复杂，系统稳定性要求很高。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明设计了一种新的激光入射到音叉的方式，并用于气体传感系统，进而提供了一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，基于石英光声光谱技术原理，包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、光学准直器、石英音叉、数据采集系统、计算机，其中：
所述半导体激光器输出激光由光学准直器准直变成平行光以后传输至石英音叉中；
所述石英音叉置于待测气体环境内，激光平行于石英音叉叉股入射，并穿过两音叉叉股中间，基于光声效应，气体分子产生声波信号，石英音叉将声波信号转换为电信号；
所述石英音叉将产生的电信号传输至数据采集系统；
所述数据采集系统与计算机相连接，由计算机进行信号处理，反演气体浓度。
一种利用上述传感系统反演探测气体浓度的方法，包括如下步骤：
步骤一：半导体激光器通过温度和电流的设定，调节激光器输出波长，使它覆盖目标气体吸收线，同时保证输出功率在预期范围内；
步骤二：半导体激光器输出的激光经过光学准直器后，整形为近似平行的平行光；
步骤三：整形后的激光束从石英音叉叉股中间入射，激发气体分子产生声波信号；
步骤四：基于光声效应，石英音叉将声波信号转换为电信号，并经数据采集系统将电信号采集存储；
步骤五：计算机将数据采集系统获得的数据读出，进行相关计算，反演出探测气体的浓度。
本发明中，半导体激光器通过调节其温度和注入电流，为待测气体分子提供激光激发源，为了不对音叉造成热损伤，半导体激光器的输出功率应该＜50 mW。
本发明中，光学准直器（图6）将半导体激光器输出的激光束整形为平行光，根据半导体激光的发散角及光束质量，光学准直器由两个非球面镜构成，它们的焦距所处范围分别是15∼35 mm、30∼70 mm。
本发明中，石英音叉为声波探测模块，为了便于光学调节和保证声波信号幅值强度，石英音叉两个叉股之间的间隙应为0.3~2 mm。
本发明中，可以更换不同大小和种类的石英音叉，如：采用长宽比更大的石英音叉，信号改善效果将会更明显。
本发明中，石英音叉的共振频率应为1~100 kHz。
本发明中，半导体激光器输出激光应与光学准直器同光轴，半导体激光器输出端面与光学准直器之间的距离应在5∼10 mm之间，光学准直器输出端面与石英音叉顶部距离应在10∼20 mm之间。
本发明中，需要调节从光学准直器输出激光的入射方向和位置，使激光和石英音叉平面平行且从石英音叉叉股中间入射，激光束与石英音叉平面之间的不行平度≤0.1°。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明设计了一种新的激光入射到石英音叉的方式，激光平行于石英音叉的叉股入射，从音叉叉股的中间穿过最后直接打在音叉的底部。由于石英音叉的长度远大于其厚度，所以激光与气体有效的相互作用距离会大大增加，从而提高声波对石英音叉的作用效果使得石英音叉的输出信号增大，最终提高气体探测的灵敏度。
附图说明
图1为传统激光入射到音叉方式示意图；
图2为本发明传感系统的结构示意图；
图3为本发明激光入射到音叉方式示意图；
图4为传统激光入射方式数学分析模型建立示意图；
图5为总动量的计算机仿真结果；
图6为光学准直器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明基于石英光声光谱技术原理，提供了一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，如图2所示，所述系统包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器1、光学准直器2、石英音叉3、数据采集系统4、计算机5，其中：
所述半导体激光器1输出激光由光学准直器2准直变成平行光以后传输至石英音叉3中；
所述石英音叉3置于待测气体环境内，激光平行于石英音叉3叉股入射，并穿过两音叉叉股中间（图3），激发气体分子产生声波信号，基于光声效应，石英音叉3将声波信号转换为电信号；
所述石英音叉3将产生的电信号传输至数据采集系统4；
所述数据采集系统4与计算机5相连接，最后由计算机5进行信号处理，反演气体浓度，具体实现过程如下：
步骤一：半导体激光器通过温度和电流的设定，调节激光器输出波长，使它覆盖目标气体吸收线，同时保证输出功率在预期范围内。
步骤二：半导体激光器输出的激光经过光学准直器后，整形为近似平行的平行光。
步骤三：整形后的激光束从石英音叉叉股中间入射，激发气体分子产生声波信号。
步骤四：基于光声效应，石英音叉将声波信号转换为电信号，并经数据采集系统将电信号采集存储。
步骤五：计算机将数据采集系统获得的数据读出，进行相关计算，反演出探测气体的浓度。
本发明通过对传统激光入射方式的分析，建立数学模型（图4）并假设：1、激光与气体相互作用当成点源辐射产生发散的球型声波。2、压力波的强度与距离成反比且沿x轴（图4）方向上压力波强度不变，即仅计算y-z平面上的声波压力。3、激光距离音叉两叉股的垂直距离相等。
由以上假设条件，通过理论计算可以得到传统方案中由光声效应产生的压力波对音叉两叉股的总动量：
Figure 299328DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为常数，与压力波的初始压力及音叉的两叉股间距
Figure 311409DEST_PATH_IMAGE003
有关，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为激光垂直音叉叉股入射时激光到音叉底部的距离，
Figure 543676DEST_PATH_IMAGE005
为音叉叉股的长度。
在本发明新的激光入射方式中，由于激光平行于音叉叉股且穿过两叉股中间，可以理解为由点源辐射变为线源辐射，故可以由
Figure DEST_PATH_IMAGE006
对
Figure 610989DEST_PATH_IMAGE007
在0~
Figure 222099DEST_PATH_IMAGE005
范围内积分得到新的激光入射方式中光声效应产生的压力波对音叉两叉股的总动量：
Figure 201818DEST_PATH_IMAGE009
（2）；
音叉的两叉股间隙
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，在传统的激光入射方式中，根据以往的实验数据可知
Figure 406535DEST_PATH_IMAGE011
时传感系统信号强度最大，分别对
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE013
关于音叉的叉股长度
Figure 57965DEST_PATH_IMAGE005
进行计算机仿真，
Figure 133368DEST_PATH_IMAGE005
由2 mm变化为5 mm，得到计算机仿真图形（图5）。由仿真图形可以看出，采用本发明新的激光入射方式石英光声光谱传感系统输出信号强度远高于传统激光入射方式时的传感系统信号强度，由理论计算结果可以得到其信号强度大约能提高1个数量级。

Claims (9)

1.一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述传感系统包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、光学准直器、石英音叉、数据采集系统、计算机，其中：
所述半导体激光器输出激光由光学准直器准直变成平行光以后传输至石英音叉中；
所述石英音叉置于待测气体环境内，激光平行于石英音叉叉股入射，并穿过两音叉叉股中间，激发气体分子产生声波信号，基于光声效应，石英音叉将声波信号转换为电信号；
所述石英音叉将产生的电信号传输至数据采集系统；
所述数据采集系统与计算机相连接，由计算机进行信号处理，反演气体浓度。
2.根据权利要求1所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述半导体激光器的输出功率应该＜50 mW。
3.根据权利要求1所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述光学准直器的焦距为15~70 mm。
4.根据权利要求1或3所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述光学准直器由两个非球面镜构成，它们的焦距所处范围分别是15∼35 mm、30∼70 mm。
5.根据权利要求1所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述石英音叉两个叉股之间的间隙应为0.3~2 mm。
6.根据权利要求1或5所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述石英音叉的共振频率应为1~100 kHz。
7.根据权利要求1所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述激光与石英音叉平面之间的不行平度≤0.1°。
8.根据权利要求1所述的基于平行入射的石英光声光谱传感系统，其特征在于所述半导体激光器输出激光与光学准直器同光轴，半导体激光器输出端面与光学准直器之间的距离为5∼10 mm，光学准直器输出端面与石英音叉顶部距离为10∼20 mm。
9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述传感系统反演探测气体浓度的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：半导体激光器通过温度和电流的设定，调节激光器输出波长，使它覆盖目标气体吸收线，同时保证输出功率在预期范围内；
步骤二：半导体激光器输出的激光经过光学准直器后，整形为近似平行的平行光；
步骤三：整形后的激光束从石英音叉叉股中间入射，激发气体分子产生声波信号；
步骤四：基于光声效应，石英音叉将声波信号转换为电信号，并经数据采集系统将电信号采集存储；
步骤五：计算机将数据采集系统获得的数据读出，进行相关计算，反演出探测气体的浓度。
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