CN102713565A - 基于光声检测的气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了光声气体检测器和光声气体检测法。该检测器包括激光源、声波谐振器和沿着所述谐振器的纵向长度设置的至少一个音叉。所述检测器能够在很宽的温度范围内对一种或多种目标气体的浓度进行快速测量。

Description

基于光声检测的气体传感器

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年9月30日提交的题为“基于光声检测的气体传感器(Gas Sensor Based On Photoacoustic Detection)”的美国非临时专利申请第12/570,606号的优先权和权益，本文以该申请的内容为依据并将其全文结合于此。

背景

本发明一般涉及气体传感器，具体涉及利用光声检测技术测定一种或多种目标气体浓度的方法和装置。

对于环境监测、工业工艺控制和医学诊断之类的各种应用来说，对痕量气体和化学物质的检测和定量正在变得越来越重要。目前，很多基于中红外范围内的分子吸收的超灵敏检测技术能够对低浓度的化学物质进行测量，但是大多数方法仅仅用于实验室环境中。这些方法或者是过于笨重，无法携带在野外使用，或者过于昂贵，无法广泛应用。另外，这些方法通常基于复杂而精密的光学装置，这些光学装置需要高度精确的对准，而且对振动和温度变化非常敏感。

例如，对于光学分光光度法，当使用足够的光电二极管检测足够长光程中分子的累积吸收造成的激光功率损失的时候，所述光学分光光度法能够实现很高的灵敏度和选择性。但是，为了抑制噪声，所述光电二极管必须在液氮中进行冷却。因此，此种设备仅限于在实验室环境中使用，因此不适合用于实际的野外用途。

光声检测法使用声学检测器代替光学分光光度法中使用的光电二极管或者检测器，从而可以成为光学分光光度法的一种替代。在光声检测中，光吸收性分子的激发能量通过非弹性碰撞基本转化为周围分子的动能。由此造成吸收性气体内的局部压力升高。如果对激发源进行调制，则会产生声波，可以用声学检测器(通常是扩音器)检测该声波。因为，吸收的能量的量与吸收性分子的浓度成正比，因此可以利用声学信号进行精确的浓度测量。光声检测所利用的样品体积远小于光学分光光度法，同时能够获得相近的检测极限。但是，相对于吸收性气体产生的信号，使用扩音器对气体吸收产生的声学信号进行的光声检测会检测到不希望出现的量的环境噪声。这很大程度上是由于扩音器的宽带响应造成的。

光声检测中扩音器的替代用品包括在电子工业中可以很广泛获得的音叉。但是，包括音叉的精密方法需要使得高度会聚的激光束通过音叉的叉尖。换句话说，这些方法需要激光束在音叉的两个叉尖形成的狭缝的中间对齐。这种构造使得人们很难使用多个音叉进行性能改进或者同时进行多种气体的检测，这是因为光束的尺寸会在很短的距离内显著变化，一个或多个音叉可能会部分阻挡光束，造成不利的干扰。因此，如果要在光路中使用多个音叉，则需要使用更复杂的构造，导致更长的光程和更严格的光学容限。由此可能造成装置的性能显著变差，成本和尺寸可能会显著增大和提高。

发明内容

本发明的一个实施方式包括用来检测至少一种目标气体的浓度的光声气体检测器。所述气体检测器包括激光源和沿着纵轴延伸的谐振器。所述谐振器包括第一端部、第二端部以及位于所述第一端部和第二端部之间的内部空腔。所述内部空腔沿着纵轴延伸，在第一端部和第二端部之间限定纵向开口。所述内部空腔适合用来使得来自激光源的激光束通过所述纵向开口。所述气体检测器还包括沿着所述谐振器的纵向长度设置的至少一个音叉。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖。所述纵轴不与所述第一叉尖和第二叉尖之间的区域交叉。

另一个实施方式包括一种利用光声检测来测定至少一种目标气体的浓度的方法。所述方法包括将光束从激光源射入谐振器的内部空腔。所述谐振器和内部空腔沿着纵轴延伸，所述内部空腔包含一定浓度的至少一种目标气体。所述激光束和所述至少一种目标气体之间的相互作用造成所述谐振器内声学信号的积累。该方法还包括通过沿着所述谐振器纵向长度设置的至少一个音叉产生与所述至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号。所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述纵轴不与所述第一叉尖和所述第二叉尖之间的区域交叉。

在以下的详细描述中提出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。

应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的示例，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1显示了本文所述的光声气体检测器的示意图；

图2显示了图1所示的光声气体检测器的部件的透视图；

图3A-3F显示了光声气体检测器部件的另一种构型的截面图；

图4A和4B显示了光声气体检测器部件的另一种构型的侧视和端视截面图；

图5A和5B显示了光声气体检测器部件的另一种构型的截面图；

图6A和6B显示了目标物质的理论吸收光谱曲线和实测的吸收光谱曲线；

图7显示了使用本文所述的光声气体检测器测得的水蒸气浓度-时间变化关系曲线图；

图8显示了使用本文所述的光声气体检测器测得的C₂H₂浓度-时间变化关系曲线图；

图9显示了特定调谐范围内一氧化氮(NO)的吸收曲线图。

发明详述

下面详细参考本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。

本发明描述了一种光声气体检测器和方法，其中痕量的气体从激光束吸收能量，气体吸收的能量在声学检测器中累积，所述声学检测器包括谐振器和至少一个音叉。所述激光源优选具有非常窄的线宽，通常以单纵模形式操作，对波长进行选择，使其与气体的特定吸收峰相匹配，使得所关心的气体吸收激光能量。换而言之，其它的气体在选定的波长下吸收极少或者没有吸收，因此不会显著吸收激光能量。较佳的是，激光源产生至少一种发射波长，其光谱线宽比气体的吸收带宽窄。另外，激光源优选能够调谐其波长，从而找到气体的吸收峰。一旦气体吸收激光能量，则该能量会耗散到分子周围的环境中，造成环境中材料的膨胀或收缩。当激光器以特定的声学频率调制的时候，所述材料以相同的频率膨胀和收缩。结果产生声波，可以用声学检测器检测该声波。与使用对环境噪声敏感的扩音器的常规光声检测技术相比，本发明使用声学检测器，该声学检测器在与激光调制频率同步的谐振频率下操作。该种构造使得装置能够基本免受环境噪音的影响，因此适合用于严苛的环境，例如车辆应用。

图1显示光声气体检测器的一个实施方式的示意图。检测器100包括激光源101，具有两个窗102的气体小室108，声学谐振器103，音叉105，以及数据获取和控制单元109。待检测的气体通过入口106进入气体小室，通过出口107从气体小室排出。通过检测音叉105的信号强度来测量气体浓度。

图2显示了图1所示的光声气体检测器的部件的透视图。如图2所示，谐振器103沿着纵轴A’-A’延伸。谐振器103包括第一端部110，第二端部111，在所述第一端部110和第二端部111之间延伸的内部空腔112，所述内部空腔112沿着纵轴A’-A’延伸，在第一端部110和第二端部111之间限定纵向开口。所述内部空腔112适合用来使得来自激光源101的激光束104通过所述纵向开口。音叉105沿着谐振器103的纵向长度设置，包括第一叉尖113和第二叉尖114。纵轴A’-A’不与所述第一叉尖113和第二叉尖114之间的区域交叉。

在此构造中，激光束104沿着谐振器103良好对齐，使其通过谐振器，同时不会造成由于谐振器内表面导致的任何显著程度的损失。当激光器调谐至气体吸收峰的时候，较强的气体吸收在谐振器103内产生局部加热。所述局部加热与激光功率成正比。当对激光功率进行调制的时候，所述局部加热随着激光功率变化，导致气体的膨胀和收缩。所述谐振器103内的此种压力变化迫使音叉105发生振动。所述音叉105的振动由于压电效应而在音叉上产生电荷，可以用数据获取和控制单元109进行测量。

换句话说，谐振器103的内部空腔112包含一定浓度的至少一种目标气体，所述激光束104与所述至少一种目标气体的相互作用造成谐振器103内的声学信号的累积。通过音叉105产生了与目标气体浓度相关的谐振吸收信号。

音叉105的形状与广泛用来校准音乐设备的常规音叉的形状类似，当音叉105受到敲击的时候，以特定的恒定音调谐振。特定音叉产生的音调大体取决于叉尖113和114的长度。音叉105的振动频率由音叉的尺寸以及用来制造音叉的材料决定。在一个优选的实施方式中，音叉105由压电材料制造，所述压电材料对施加的机械应力做出响应而产生电势。石英是一种广泛用于大规模生产音叉的压电晶体。由于石英丰富的来源和稳定性，谐振频率接近32,768Hz的石英音叉广泛地在钟表和手表中用作频率标准。除了石英以外，正磷酸镓(GaPO₄)、兰克塞晶体(Langasite)(镧-镓硅酸盐，LGS)和La₃Ga₅SiO₁₄也是压电晶体。GaPO₄晶体属于与石英相同的晶体类型。硅(Si)原子交替地分别被镓(Ga)原子和磷(P)原子代替。GaPO₄可以在最高达970℃的温度保持其压电性质，远高于石英的居里点(573℃)。GaPO₄还具有较高的压电系数。与石英和GaPO₄相比，LGS可以在更高的温度下操作，这是因为其在最高达1470℃熔点的温度下都不会发生相变。因为高操作温度特别有利于车辆燃烧控制中的应用，在此应用中，NOx传感器监测废气中的NO和NO₂的浓度，将这些浓度值反馈给计算机，以控制发动机操作条件，使得发动机可以最大程度减少NOx的产生。

音叉105设计成以挠性振动形式操作，但是也可以以扭转形式操作。在挠性振动形式中，两个叉尖113和114在相同的平面上朝着相反的方向振动。以特定的构型将电极涂覆在叉尖表面上，使得电极能够检测在该特定方向的振动导致的电势变化。因为压电效应是可逆的，当对电极施加电势的时候，所述音叉的叉尖113和114会沿着相反的方向运动。当对音叉105施加的电势信号的频率与音叉谐振频率相同的时候，叉尖的振动达到最大。换而言之，当使用音叉测量声波的时候，需要使得声波频率与音叉谐振频率相匹配，这是因为在此情况下，信号的强度达到最大值。在常规压力下，所述音叉的谐振频率的宽度小于10Hz，因此只有在此窄谱带范围内的频率分量才能够有效地激发音叉的振动。

通过使用音叉105使得检测器100能够基本上不受背景声学噪音的影响，这是因为选择音叉的工作频率显著区别于背景声学噪音的频率，所述背景声学噪音的频率可以为数赫兹至20kHz。在大多数情况下，背景声学噪音密度与其声学频率成反比，当频率高于10kHz的时候，其强度非常低。因此，音叉的工作频率越高，则检测到的背景噪音越小。与此同时，选择的音叉工作频率应当对目标气体吸收的激光能量产生足够的响应。不同气体的能量吸收会发生变化。对于大多数的气体，音叉优选在数千至数万Hz的频率下工作。较佳的是，所选的音叉工作频率应当高于20kHz，以获得足够的响应，同时抑制噪音。例如，当使用工作频率为32kHz的商业成品音叉的时候，空气中声波的波长约为10毫米。从某个远距离声源传来的声波会沿着相同的方向对相隔大约0.5毫米的两个叉尖施加作用力。这不会激发压电活性模式，不会产生可测的电信号。

谐振器103用来增大音叉105和声波之间的有效相互作用长度，所述声波是由于激光束104和目标气体之间相互作用产生的。当谐振器中填充气体的时候，声波信号S可以用下式表示：

$S=k\frac{\mathrm{\αl\; CP\; Q}}{\mathrm{f\; V}}$

式中α是目标气体的吸收系数，l是气体吸收长度，C是目标气体的浓度，P是光学功率，Q是谐振器的品质因子，f是光声声频，V是谐振器体积，k是描述扩音器传输功能和其他系统参数的常数。对于使用扩音器作为声学检测器的常规光声谐振器来说，由于扩音器响应的局限性，谐振器设计成f值为500至4,000Hz，Q因子约为20至200，体积从大约10厘米³开始。对于基于音叉的谐振器，谐振器体积V可以最小达1毫米³，Q因子约为10⁴至10⁵。另外，由于音叉的特定频率响应，预期检测器的噪音水平可以至少小于常规光声传感器的噪音水平的百分之一。因此，例如基于音叉的传感器可以比常规的光声传感器灵敏大约100至1000倍。

图3A-3F显示了光声气体检测器部件的另一种构型的截面图。如以上表达式所示，因为灵敏度与谐振器的体积成反比，希望使得制造的谐振器尽可能小，同时不会造成激光束104发生任何大量的从谐振器内表面的损失。图3A，3C，3E和3F显示了具有近似恒定内径的圆柱形谐振器103。具有恒定内径的圆柱形谐振器可以很容易地由市售的现货管材制造，因此可以提供低成本的方法。与之相比，如图3B和3D所示，具有以下特征的谐振器103’可以提供更小的内部体积，可以用于要求极高灵敏度的传感器：该谐振器的内径沿着纵轴长度从一端向着谐振器的中点逐渐减小，使得内径沿着纵向长度略大于会聚的高斯(Gaussian)激光束104(即所述管的直径比激光束104大1.2～1.5倍)。可以使用各种材料，包括但不限于玻璃、金属和塑料来制造所述谐振器。为了减少声波的表面损失，所述谐振器的内表面优选是平滑的。另外，优选对谐振器的尺寸和形状进行最优化，使得谐振器的本征频率(即谐振频率)与音叉的谐振频率相匹配，以获得提高的灵敏度。例如，对于具有基本恒定的内径和外径的圆柱形管状谐振器，谐振频率与圆柱形管的长度相关，与圆柱形管的端部是封闭或开放相关。对于两端开放的圆柱形谐振器，谐振频率写作

式中n是表示谐振结(resonance node)的正整数(1，2，3…)，L是管子的长度，v是声音在空气中的速度(在20℃和海平面条件下约为343米/秒)。在一个优选的实施方式中，n＝1。需要注意的是，以上的关系式是特别关于具有近似恒定的内径和外径的圆柱形管状谐振器。其它的谐振器几何结构对应于不同的表达式。

较佳的是，谐振器103或103’的结构谐振频率基本上与音叉105的结构谐振频率相一致。

在优选的实施方式中，例如如图2和图3A所示，音叉105沿着纵轴A’-A’的一侧设置，沿着谐振器的纵向长度近似位于半程的位置。或者，音叉105可以沿着纵轴A’-A’的一侧，设置在靠近谐振器的第一端部或第二端部的位置(图中未显示)。当音叉105的两个叉尖113和114沿着纵轴的一侧设置的时候，其中一个叉尖优选比另一个叉尖更靠近所述纵轴。如图1-2和3A-3F所示，可以沿着纵轴一侧在谐振器内提供凹槽或者开口(图2中所示的120)，所述音叉105的叉尖114可以延伸入其中。凹槽或者开口120可以延伸入谐振器103或103’的内部空腔，音叉105的叉尖114的至少一部分可以延伸入所述谐振器的内部空腔。

例如，音叉105的叉尖可以大体垂直于纵轴A’-A’(图3A-3B)或者大体平行于纵轴A’-A’(图3C-3D)。在另外的实施方式中(图中未显示)，音叉105可以以一定的角度倾斜，既不垂直于纵轴A’-A’也不平行于纵轴A’-A’。在任何情况下，叉尖最靠近纵轴A’-A’的尖端优选足够靠近激光束104，从而获得最大的信号强度，同时不会造成激光束104损失或者散射。由激光束104和目标气体的相互作用造成的光声波使得叉尖沿着它们的谐振方向振动，由于压电效应产生电荷。

本文所述的光声气体检测器可以包括超过一个音叉。例如，申请人发现，通过添加第二个音叉，测量速度可以提高两倍。设置另外的音叉可以特别有效地用于一些具有较慢的振动-平动(V-T)弛豫的气体，以及需要特别快速的响应的应用。例如，所述检测器可以包括第二音叉115，使得两个音叉位于相同的平面上，沿着谐振器纵向长度近似位于半程的位置，设置在沿着纵轴A’-A’延伸的激光束104的两个相反的侧面，如图3E实施例所示。例如，音叉105和115的叉尖可以大体垂直于纵轴A’-A’(图3E)或者大体平行于纵轴A’-A’(图3F)。在另外的实施方式中(图中未显示)，音叉105和115可以独立地以一定的角度倾斜，既不垂直于纵轴A’-A’也不平行于纵轴A’-A’。当音叉105和115不是位于相同平面、沿着谐振器纵向长度近似半程的位置的时候，可以用校准计算来矫正它们的位置的差异。当使用两个或者更多个音叉的时候，这些音叉应当优选彼此邻近设置，以减小由于位置差异造成的测量误差。

当使用两个或者更多个音叉的时候，除了提高测量速度以外，还可以改进测量精度。任何气体的吸收系数取决于温度和压力。因此，优选的测量方法包括相对于至少一种目标气体的浓度产生谐振吸收信号，同时校准谐振器内部空腔内的温度和压力。

可以通过使用至少第二个音叉完成该校准。音叉谐振频率是压力和温度的函数，因此谐振器内部空腔内的温度和压力可以通过从电控制单元向音叉内输送一系列电探测脉冲来确定。当探测脉冲的频率与音叉谐振频率匹配的时候，音叉产生最大信号输出。通过测量谐振频率随时间推移的变化，可以计量气体温度和压力条件的变化，用来校准气体浓度测量结果。在此情况下，至少两个音叉同时工作。至少一个第一音叉测量目标气体的激光束吸收量，至少一个第二音叉通过测量气体的谐振频率而监测气体的温度或压力。然后用测得的压力或温度对测得的目标气体浓度进行校准。

图4A和4B显示了音叉和谐振器的另一个实施方式的截面侧视图和端视图。如图4A所示，谐振器125包括内部空腔，所述内部空腔包括两个V形的沟槽126，可以使用例如常规的半导体制造工艺在谐振器材料的独立的侧面切割或者蚀刻所述沟槽。该实施方式的一个优选的谐振器材料是硅。然后可以将谐振器材料的独立的侧面结合在一起，使得当V形的沟槽126彼此相对的时候，形成沿着谐振器125的纵向长度延伸的内部空腔。V形的沟槽126可以在其长度上具有恒定的或者变化的横截面尺寸，在其它的实施方式中(图中未显示)，可以具有非V形的横截面形状(例如L形或者U形)。音叉105’优选沿着谐振器125的纵向长度设置在足够靠近谐振器125的位置，以便相对于目标气体的浓度有效地产生谐振吸收信号。较佳的是，音叉105’的叉尖沿着谐振器纵向长度设置在近似半程的位置，使得叉尖与直线B’-B’相交，该直线B’-B’表示第一和第二谐振器端部之间的半程点。较佳的是，谐振器125还包括开口127，该开口127同样与直线B’-B’相交，使得音叉105’的至少一部分叉尖沿着谐振器125纵向长度上与开口127相同的部分延伸。图4B显示了一个实施方式，其中音叉105’和谐振器125’整体安装在单个平台上。电导线130从音叉105’延伸到例如数据获取和控制单元。

图5A和5B显示另外的实施方式的截面图，其中谐振器130具有抛物线形状的横截面。音叉105’至少部分位于抛物线形横截面的焦点135处。在图5A中，音叉叉尖大体垂直于谐振器130的纵轴。在图5B中，音叉叉尖大体平行于谐振器130的纵轴。

再来看图1，选择激光源101发出的激光束104的波长随着目标气体吸收特性的变化而变化。激光束104的波长可以在很宽的范围内变化，在从紫外(UV)到中红外(IR)的范围内变化。一般来说，大部分气体在中红外波长范围(大约4000-400厘米^-1或者2.5-25微米)内的吸收强度远大于近红外范围(大约14000-4000厘米^-1或者0.714-2.5微米)内的强度。为了获得更佳的灵敏度，优选使用中红外激光器。

激光源101可以被包在检测器100之内，或者设置在远程位置，用来例如通过光纤将激光束输送到谐振器103之内。为了产生一系列声波，可以对激光束104的特征进行控制，使得气体在谐振器内吸收的能量随时间变化。这可以通过例如对激光功率(振幅调制)或者激光波长(即波长调制)进行调制来完成。

数据获取和控制单元109可以用于至少两个目的。首先，可以控制激光工作参数，例如温度、波长、调制和输出功率。其次，可以测量来自音叉的电荷。较佳的是，所述激光器在频率＝f/2的条件下进行波长调制，以抑制光谱非选择性吸收体(例如谐振器壁、光学窗口和音叉表面)产生的背景噪音。优选例如使用在音叉谐振频率处工作的常规锁定放大器对来自音叉的信号进行放大。可以用于本文所述实施方式的数据获取单元的一个例子由函数发生器、锁定放大器和个人计算机组成。

本发明所述的方法可以用来测量一种或多种目标气体的浓度。当测量至少两种目标气体的浓度的时候，检测器优选包括至少一个音叉，更优选针对每种待测的目标气体包括至少一个音叉。所述音叉各自可以具有近似相同或者略微不同的谐振频率。当测量至少两种目标气体的浓度的时候，激光源101优选能够在选定波长产生激光束104，所述选定的波长随着各种目标气体的吸收特性的变化而变化。在一个优选的实施方式中，针对每种目标气体在预定波长产生激光束104。较佳的是，所述激光束用常规的波长分割复用(WDM)技术合并，使得它们成为准直光，通过相同谐振器内的单个纵向开口。通过这些技术可以对很宽范围的气体进行检测。

较佳的是，检测器100能够检测具有以下浓度的至少一种目标气体：浓度小于200ppm，更优选浓度小于100ppm，更优选浓度小于50ppm，更优选浓度小于25ppm，更优选浓度小于10ppm。

使用检测器100的方法优选能够产生比背景噪音信号大至少十倍的与至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号，例如比背景噪音信号大至少50倍，例如比背景噪音信号大至少100倍，更优选比背景噪音信号大至少200倍。

使用检测器100的方法优选能够在最初将激光束从激光源引入谐振器的内部空腔之后3秒钟之内，产生与至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号，例如在最初将激光束从激光源引入谐振器的内部空腔之后2秒钟之内，更优选在最初将激光束从激光源引入谐振器的内部空腔之后1秒钟之内。

使用检测器100的方法优选能够在至少300℃、例如至少500℃、例如至少700℃的温度下，产生与至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号。

实施例

通过以下实施例进一步阐述本发明的实施方式。

实施例1

光声气体检测系统包括作为激光源的可调谐量子多级激光器，声学谐振器，音叉，以及数据获取和控制单元。可以用压电控制器改变可调谐激光器的波长。所述音叉是市售的成品部件，谐振频率为2¹⁵(32768)Hz，所述声学谐振器是内径为0.8毫米、长10毫米的不锈钢管。所述音叉按照与图2所示类似的方式相对于谐振器对齐。用光学透镜将激光束会聚到谐振器内。在测量过程中，控制单元将激光功率调制到～32768/2＝16384Hz，同时缓慢地改变其波长。所述数据获取单元包括函数发生器和锁定放大器，从音叉采集电信号。图6A显示了理论水蒸气吸收光谱，其中显示两个吸收峰，图6B显示了在开放空气中进行操作的系统测得的水蒸气吸收光谱。从这些附图可以看到，检测系统成功地发现两个相邻的吸收峰，具有极佳的信噪比，理论光谱和实测光谱之间具有很好的一致性。

实施例2

一旦如实施例1所述测量了吸收光谱，将激光器波长设定在主水蒸气吸收峰波长处。然后用实施例1所述的检测系统对水蒸气浓度进行连续的监测。图7显示测得的水蒸气浓度随时间变化的曲线图。具体来说，图7显示将所述检测系统随后应用于不同条件的时候，测得的水蒸气浓度随时间的变化曲线。在图7所示的时间范围内，使得检测器系统依次经历常规实验室湿度(测得的响应如编号10所示)，第一氮气(N₂)吹扫(测得的响应如编号12所示)，第一人员呼气(测得的响应如编号14所示)，第二人员呼气(测得的响应如编号16所示)，第二N₂吹扫(测得的响应如编号18所示)，最后经历开放空气(测得的响应如编号20所示)。

实施例3

光声气体检测系统包括作为激光源的DFB激光二极管，声学谐振器，两个音叉，以及数据获取和控制单元。所述DFB激光二极管调谐成在1532纳米的波长工作(可以通过改变DFB激光二极管的封装温度来调谐其波长)以确定作为目标气体的C₂H₂的浓度(之所以选择C₂H₂作为目标气体是因为其在大约1.5微米处具有很强的吸收)。所述谐振器和音叉与实施例1所述的种类相同。来自激光二极管光纤的光束用两个独立的透镜准直化并会聚射向谐振器。在进行目标气体浓度测量之前，使用函数发生器和锁定放大器测定音叉的谐振频率。然后，在音叉谐振频率的半频处调制激光二极管。接下来，在对激光二极管温度进行调谐的同时监测音叉信号。一旦信号达到其最大值，将该温度设定值用于其余的实验。该方法可以用控制单元很快速地进行。使用这些设定，测定C₂H₂的浓度随时间的变化，如图8所示。

图8所示的曲线图显示了检测系统能够对其自身进行校准。具体来说，图8显示将所述检测系统随后应用于不同条件的时候，测得的C₂H₂浓度随时间的变化曲线。在图8所示的时间范围内，所述检测系统依次暴露于以下环境：约小于2ppm的第一C₂H₂浓度(测得的响应如编号22所示)，C₂H₂的浓度增大到大约10ppm(测得的响应如编号24所示)，压力从大约510托变为大约434托(初始测得的响应用编号26表示)，空气吹扫(测得的响应用编号30表示)，在大约400托的压力下以大约10ppm的浓度第二次引入C₂H₂(初始测得的响应如编号32所示)。当压力变化的时候，当在不同的压力条件下对大约10ppm的C₂H₂浓度进行检测的时候，检测系统可以进行自动校准(测得的响应如编号28和34所示)。具体来说，图8中的26和32表明即使当实际的C₂H₂浓度不发生变化的时候，测得的信号强度也会随着压力的变化而改变。这是因为音叉频率随着压力变化而变化。一旦压力变化，激光调制频率不再与音叉同步。为了克服这一影响，我们重新测量了音叉谐振频率，将其作为激光调制频率。从图8可以看到，校准之后测得的浓度值(用编号28和34表示)与初始测得的值(用编号24表示)相一致。该重新校准过程用PC进行，重复数次，从而表现出自动校准。另外，表现出的灵敏度等于或者小于10ppm。

实施例4

我们成功地证明，对一氧化氮(NO)气体的灵敏度优于50ppm，其中估计信噪比约为230。用于实验的波长进行最优化，获得很强的NO吸收峰，水的吸收很小。图9显示使用以上实施例1所述的方法，使用在大约16kHz调制的激光，在大约0.4厘米^-1的调谐范围内测得的吸收光谱。图9中显示的不对称的谷是由于波长调谐过程中的残留波长调制造成的。

对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。

Claims (21)

1.一种用来对至少一种目标气体的浓度进行检测的光声气体检测器，所述气体检测器包括：

激光源；

谐振器，该谐振器沿着一条纵轴延伸，所述谐振器具有第一端部、第二端部、以及位于所述第一端部和第二端部之间的内部空腔，所述内部空腔沿着所述纵轴延伸，在所述第一端部和第二端部之间限定纵向开口，所述内部空腔设置成用来使得来自所述激光源的激光束通过所述纵向开口；

沿着所述谐振器的纵向长度设置的至少一个音叉，所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述纵轴不与所述第一叉尖和第二叉尖之间的区域交叉。

2.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述谐振器包括圆柱形管。

3.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述第一叉尖和第二叉尖大体平行于所述纵轴。

4.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述第一叉尖和第二叉尖大体垂直于所述纵轴。

5.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述气体检测器能够对浓度小于200ppm的至少一种目标气体进行检测。

6.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述谐振器的结构谐振频率基本上与所述音叉的结构谐振频率一致。

7.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述谐振器和音叉整体化安装在一个单独的平台上。

8.如权利要求1所述的气体检测器，其特征在于，所述谐振器具有抛物线形的横截面，所述音叉至少部分地设置在所述抛物线形横截面的焦点上。

9.如权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述检测器能够检测至少两种目标气体的浓度。

10.如权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述至少一个音叉包括至少两个音叉。

11.一种采用光声检测来测定至少一种目标气体的浓度的方法，所述方法包括：

从激光源将激光束引入声学谐振器的内部空腔内，所述谐振器和所述内部空腔沿着纵轴延伸，所述内部空腔包含一种浓度的至少一种目标气体，所述激光束和所述至少一种目标气体之间的相互作用在所述谐振器内部造成声学信号积累；

通过沿着所述谐振器的纵向长度设置的至少一个音叉产生与所述至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号，所述音叉包括第一叉尖和第二叉尖，所述纵轴不与所述第一叉尖和第二叉尖之间的区域交叉。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述谐振器包括圆柱形管。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能够对浓度小于200ppm的至少一种目标气体进行检测。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述谐振器的结构谐振频率基本上与音叉的结构谐振频率一致。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述谐振吸收信号比背景噪音信号大至少10倍。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一个音叉包括至少两个音叉。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法能够产生与所述至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号，同时校准谐振器内部空腔内的温度和压力。

18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能够在将激光束从激光源引入谐振器的内部空腔之后的1秒钟之内，产生与所述至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号。

19.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法能够在至少700℃的温度下，产生与至少一种目标气体的浓度相关的谐振吸收信号。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光源产生至少一种发射波长，其光谱线宽比气体的吸收带宽窄。

21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光源能够调谐其波长，以找到所述至少一种目标气体的吸收峰。

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