CN102954948A - 光声光谱气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声光谱气体传感器。它包括与光源(1)、石英音叉(13)配接的电路，特别是声谐振腔(6)由主管(11)和支管(12)垂直连通构成，主管(11)的管轴线与光路(2)同轴，其管长为4.57～7.87mm、管内直径为0.4～1.5mm，支管(12)的管长为1～2mm、管内直径为0.4～0.5mm，聚焦透镜(4)的焦点位于主管(11)与支管(12)的连通处，石英音叉(13)的音叉臂(131)平面和狭缝中心分别与支管(12)的轴线相垂直和位于轴线上，且音叉臂(131)平面与支管(12)末端口之间的距离为20～50μm，石英音叉(13)的音叉臂(131)狭缝的宽度为0.28～0.32mm，其共振频率为31.768～33.768kHz。它最大效率地实现了光激发声波能量和石英音叉之间的耦合，可用于探测痕量气体领域。

Description

光声光谱气体传感器
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，尤其是一种光声光谱气体传感器。
背景技术
探测并确定痕量气体含量的传感器在环境监测、工业过程控制、医疗诊断等领域有着广泛的应用需求，基于上述因素，人们为了获得此种传感器，做出了不懈的努力，如在公布日为2010年8月25日的本申请人的一份中国发明专利申请文件CN 101813621A中曾描述过的一种“基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置”。该气体传感装置由光源光路上的聚焦透镜、腔轴线与光路同轴的管状声谐振腔和置于谐振腔侧开口狭缝处的石英音叉，以及与光源、石英音叉配接的电路组成，其中，狭缝与声谐振腔的管长相垂直，聚焦透镜的焦点位于声谐振腔中的狭缝处。探测时，通过配接电路分别使气体传感装置处于扫描和锁定两种工作模式，均获得了待测痕量气体的含量。但是，这种气体传感装置存在着欠缺之处：因管状声谐振腔在其径向上的开口狭缝与石英音叉难以完全匹配，无法最大效率地实现光激发声波能量与音叉之间的耦合，从而不能有效地充分利用光声吸收信号的能量。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种结构合理、光声吸收信号的能量利用率高的光声光谱气体传感器。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：光声光谱气体传感器由光源光路上的聚焦透镜和声谐振腔，以及置于声谐振腔侧开口处的石英音叉，与光源、石英音叉配接的电路组成，特别是，
所述声谐振腔为T形，所述T形声谐振腔由主管和支管垂直连通构成，所述主管的管轴线与光源光路同轴，其管长为4.57～7.87mm、管内直径为0.4～1.5mm，所述支管的管长为1～2mm、管内直径为0.4～0.5mm；
所述聚焦透镜的焦点位于主管与支管的连通处；
所述石英音叉的音叉臂平面和狭缝中心分别与支管的轴线相垂直和位于轴线上，且音叉臂平面与支管末端口之间的距离为20～50μm；
所述石英音叉的音叉臂狭缝的宽度为0.28～0.32mm，其共振频率为31.768～33.768kHz。
作为光声光谱气体传感器的进一步改进，所述的支管与主管的连通处位于主管的中点；所述的光源的波长为待测气体的光吸收波长；所述的光源为激光器，与其配接的电路为激光控制器，以及与激光控制器电连接的函数发生器和计算机；所述的与石英音叉配接的电路依次为前置放大器、锁相放大器和计算机，其中的锁相放大器的输入端与函数发生器的输出端电连接；所述的声谐振腔位于其上分别置有入射窗口、出射窗口和进气口、出气口的样品池中。
相对于现有技术的有益效果是，采用在由光源光路上的聚焦透镜和声谐振腔，以及置于声谐振腔侧开口处的石英音叉，与光源、石英音叉配接的电路组成的基础上，将声谐振腔设计为T形，该T形声谐振腔具体由主管和支管垂直连通构成，其中的主管的管轴线与光源光路同轴，管长为4.57～7.87mm、管内直径为0.4～1.5mm，支管的管长为1～2mm、管内直径为0.4～0.5mm，同时将聚焦透镜的焦点定位于主管与支管的连通处，并将石英音叉的音叉臂平面和狭缝中心分别与支管的轴线相垂直和位于轴线上，且将音叉臂平面与支管末端口之间的距离设定为20～50μm，还将石英音叉的音叉臂狭缝的宽度设定为0.28～0.32mm，其共振频率设定为31.768～33.768kHz的技术方案，使得光路上的单位横截面下的光声信号在主管与支管的连通处达到了最大，并在支管内管壁的约束下，几乎无损耗地从主管耦合到了支管，在支管的末端口处与面对着的石英音叉直接发生作用。由于支管较短，且内直径与石英音叉的尺寸相当，石英音叉与支管末端口的距离又十分接近，所以由支管出射的声波信号可以最大限度地被石英音叉探测到，从而最大效率地实现了光激发声波能量和石英音叉之间的耦合，极大地提高了传感器探测的灵敏度。
作为有益效果的进一步体现，一是支管与主管的连通处优选位于主管的中点，不仅便于T形声谐振腔的制作，还易于其置于光路上时的调整；二是光源的波长优选为待测气体的光吸收波长，除相应地提高了探测的灵敏度，还确保了探测的精准性；三是光源优选为激光器，与其配接的电路优选为激光控制器，以及与激光控制器电连接的函数发生器和计算机，与石英音叉配接的电路依次优选为前置放大器、锁相放大器和计算机，其中的锁相放大器的输入端与函数发生器的输出端电连接，均便于共振增强信号的获得和优化处理；四是声谐振腔优选位于其上分别置有入射窗口、出射窗口和进气口、出气口的样品池中，保证了待测痕量气体的纯净度和探测的准确性。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是图1中声谐振腔与石英音叉之间的一种基本结构示意图。
图3是使用本发明对同一待测气体进行探测后得到的探测图谱；其中，图3a为使本发明处于波长扫描模式运行时，获得的待测气体的探测图谱，图3b为使本发明处于固定波长模式运行时，获得的待测气体的探测图谱。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，光声光谱气体传感器的构成如下：光源1光路2上依次置有准直透镜3、聚焦透镜4、样品池5的入射窗口7、声谐振腔6和样品池5的出射窗口8，以及与光源1、石英音叉13配接的电路。其中，
光源1的波长为待测气体的光吸收波长，现选择相应波长的分布反馈式半导体激光器(或量子级联激光器)作为光源1，其输入端与激光控制器14的输出端电连接，激光控制器14的输入端分别与函数发生器15的输出端和计算机16的输出端电连接。
声谐振腔6为T形，其由主管11和支管12垂直连通构成；其中，支管12与主管11的连通处位于主管11的中点，主管11的管轴线与光源1光路2同轴，其管长为5.58(可为4.57～7.87)mm、管内直径为1(可为0.4～1.5)mm，支管12的管长为1(可为1～2)mm、管内直径为0.5(可为0.4～0.5)mm。
聚焦透镜4的焦点位于主管11与支管12的连通处。
T形声谐振腔6的支管12末端口处置有石英音叉13；其中，石英音叉13的音叉臂131平面和狭缝中心分别与支管12的轴线相垂直和位于轴线上，且音叉臂131平面与支管12末端口之间的距离为20(可为20～50)μm。
石英音叉13的音叉臂131狭缝的宽度为0.3(可为0.28～0.32)mm，其共振频率为32.768(可为31.768～33.768kHz)kHz。
与石英音叉13配接的电路依次为前置放大器18、锁相放大器17和计算机16，其中的锁相放大器17的输入端与函数发生器15的输出端电连接。
样品池5上置有待测气体的进气口9和出气口10。
探测时，待测气体——如空气中的水汽由进气口9进入样品池5，并均匀地散布于整个样品池5中。探测可使用波长扫描和固定波长两种模式。
在波长扫描模式中，函数发生器15输出的正弦信号通过激光控制器14对作为光源1的激光器进行调制；同时，计算机16控制激光控制器14，使其给激光器的工作电流以一定的电流步间增加，如可按步骤以0.1mA的量进行增加。可以得到待测气体的二次谐波吸收谱，如图3a中的曲线所示的测量信号。
在固定波长模式中，通过激光控制器14把激光器的工作电流固定在待测气体吸收峰的波长位置处，同时，函数发生器15输出的正弦信号通过激光控制器14对激光器进行调制。此模式便于对待测气体的实时监测，可得到如图3b中的曲线所示的测量信号。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的光声光谱气体传感器进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种光声光谱气体传感器，由光源(1)光路(2)上的聚焦透镜(4)和声谐振腔(6)，以及置于声谐振腔(6)侧开口处的石英音叉(13)，与光源(1)、石英音叉(13)配接的电路组成，其特征在于：
所述声谐振腔(6)为T形，所述T形声谐振腔(6)由主管(11)和支管(12)垂直连通构成，所述主管(11)的管轴线与光源(1)光路(2)同轴，其管长为4.57～7.87mm、管内直径为0.4～1.5mm，所述支管(12)的管长为1～2mm、管内直径为0.4～0.5mm；
所述聚焦透镜(4)的焦点位于主管(11)与支管(12)的连通处；
所述石英音叉(13)的音叉臂(131)平面和狭缝中心分别与支管(12)的轴线相垂直和位于轴线上，且音叉臂(131)平面与支管(12)末端口之间的距离为20～50μm；
所述石英音叉(13)的音叉臂(131)狭缝的宽度为0.28～0.32mm，其共振频率为31.768～33.768kHz。
2.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征是支管(12)与主管(11)的连通处位于主管(11)的中点。
3.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征是光源(1)的波长为待测气体的光吸收波长。
4.根据权利要求3所述的光声光谱气体传感器，其特征是光源(1)为激光器，与其配接的电路为激光控制器(14)，以及与激光控制器(14)电连接的函数发生器(15)和计算机(16)。
5.根据权利要求4所述的光声光谱气体传感器，其特征是与石英音叉(13)配接的电路依次为前置放大器(18)、锁相放大器(17)和计算机(16)，其中的锁相放大器(17)的输入端与函数发生器(15)的输出端电连接。
6.根据权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征是声谐振腔(6)位于其上分别置有入射窗口(7)、出射窗口(8)和进气口(9)、出气口(10)的样品池(5)中。
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