CN103837226B - 双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感技术，具体为一种双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。解决了目前石英增强光声光谱装置无法同时用于两个不同波长的双光束激光、无法实现双气体测量以及响应速度太慢、无法工作在光谱扫描模式下的技术问题。一种双谐振腔光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振，还包括与音叉式石英晶振相配合的两个微声谐振腔；所述每个微声谐振腔由一对分别水平设置在音叉式石英晶振两侧且垂直于音叉式石英晶振振臂面的钢制细管组成，每对钢制细管的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振的振臂间隙；所述两个微声谐振腔上下排列。本发明用于气体探测中获得了快速的动态特性和响应时间，且能够工作于扫描模式。

Description

双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置

技术领域

本发明涉及气体传感技术，具体为一种双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

背景技术

光声光谱是一种无背景探测技术，也就是说在没有被测气体存在时，就没有光声信号的产生，因而它是一种非常灵敏的技术，能够用来探测大气中的痕量气体。光声光谱的两个最大的优点是它无波长选择性和它的灵敏度与激发光功率成正比。第一个优点使同一个光声光谱探测器能够用于从紫外到中红外任何类型和任何波长的激光器，并获得相同的性能。这样，在同一个光声池中能够使用不同波长的光源探测不同气体实现多气体传感探测。第二个优点能够使光声光谱传感器从大功率光源的不断发展中或者从被增强的激发功率中获益。

石英增强光声光谱是光声光谱的一个变种，它使用了一个高Q因子（品质因子）的石英音叉代替传统的宽带麦克风。所述品质因子Q定义为振子在谐振时存储的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比。它保留了传统光声光谱的主要特性，同时具有小巧、耐用、便宜的优点。与传统的光声池（≥10cm³）体积比较，石英增强光声光谱探测模块仅仅2cm³，与探测光源的体积大小相当。但这同时使光学准直需要直接从毫米量级下降到微米量级。当耦合两束波长不同的激光束进入一个石英增强光声光谱测声器时，例如，设计一个基于石英增强光声光谱的双气体传感器，由于光学元件的色差存在，这将是非常困难的。光纤器件的使用能够简化准直过程，但光纤仍旧是波长选择元件，不能完成两束波长不同的激光器光束合并。

另一方面，石英增强光声光谱测声器具有很高的Q值，它导致了一个较长的声能积累时间，即响应时间较长。因此配置石英增强光声光谱测声器在吸收线扫描模式下是不实用的。通常的做法是激光波长锁在目标吸收线中心，从而无法获得整条吸收线波形。

音叉式石英晶振的结构包括一个竖直设置的音叉形状的石英（从石英顶部中心向下开有缝隙，称为振臂间隙），石英的下端部连接有两个管脚。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱装置存在的无法同时用于两个不同波长的双光束激光、从而无法实现双气体测量以及响应速度太慢、无法工作在光谱扫描模式下的技术问题，提供一种双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

本发明所述的双谐振腔光声光谱测声器是采用以下技术方案实现的：一种双谐振腔光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振，还包括与音叉式石英晶振相配合的两个微声谐振腔；所述每个微声谐振腔由一对分别水平设置在音叉式石英晶振两侧且垂直于音叉式石英晶振振臂面的钢制细管组成，每对钢制细管的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振的振臂间隙；所述两个微声谐振腔上下排列。

本发明所述的测声器使用了两个微声谐振腔去构建两个探测通道，每一个微声谐振腔由两个钢制细管组成，被放置在石英晶振两侧，通过管子内气体中被激发的声波耦合到音叉式石英晶振上。这样，两个波长不同的激光光束能够从两边分别通过两个微声谐振腔，避免了合束操作。

双谐振腔光声光谱测声器的设计是建立在这样一个事实基础上：在音叉式石英晶振的表面由于微声谐振腔引起的粘性拖拽效应导致一个较宽的声波探测灵敏区域，而不是像此前研究人员认为的那样灵敏点仅仅在开口处向下0.7mm处。图2显示了一个微声谐振腔(由两个4.4mm长，内径0.6mm，外径0.9mm的钢制细管组成)从音叉顶部不断向下移动时，在不同位置处获得的信噪比和石英晶振的Q值。水平轴代表微声谐振腔中心位置，零点代表音叉式石英晶振的顶端。信噪比在0.2mm到2mm间的变化比较平缓，这里足够放下两个紧贴着的管子，形成双微声谐振腔石英增强光声光谱测声器（即双谐振腔光声光谱测声器）。

由于两个微声谐振腔都处在音叉式石英晶振的声波探测灵敏区域，每个微声谐振腔都与音叉式石英晶振通过声能形成了较强的耦合。这样，在上微声谐振腔-音叉式石英晶振-下微声谐振腔之间建立了一个能量传递通道。当上微声谐振腔单独工作时，音叉式石英晶振会损失一部分能量传递给下微声谐振腔，相反也是如此。这种能量的损耗体现在品质因子Q上，双谐振腔光声光谱测声器品质因子Q都在2000以下，最低可以达到~600。对于一个谐振子来说，它的响应时间可以用Q/πf₀，其中f₀是音叉式石英晶振的共振频率，低的Q值就必然带来了快速的动态特性和响应时间。一个~600的品质因子能够获得~5ms的快速响应时间，比裸石英晶振的要快23倍左右。

尽管双谐振腔光声光谱测声器的快速响应时间是通过损失一部分能量来获得的，但这部分损失的能量提供了一个额外的通道，使这种配置能够用于对两个不同激光器的光学信号进行相加、相减或实现快速多气体传感测量。

本发明所述的气体探测装置是采用以下技术方案实现的：一种气体探测装置，包括第一激光发射装置、第二激光发射装置、第一信号发生器以及第二信号发生器；所述第一信号发生器的信号输出端连接有第一加法器，第二信号发生器的信号输出端连接有第二加法器；所述两个加法器的另一个信号输入端共同连接有一个任意函数发生器；所述任意函数发生器分别通过其第一通道以及第二通道与两个加法器相连接；第一加法器的信号输出端与第一激光发射装置的调制端口相连接，第二加法器的信号输出端与第二激光发射装置的调制端口相连接；第一信号发生器的同步信号输出端还与第二信号发生器的触发输入端相连接；所述两个激光发射装置的出射端均通过光纤分别连接有第一光纤准直器和第二光纤准直器，两个光纤准直器出射端口相对设置且二者之间设有一个内部设有双谐振腔光声光谱测声器的样品室，样品室与两个光纤准直器相对应的两侧均设有入射窗口；所述两个光纤准直器的出射光路各与一个微声谐振腔的轴线重合；所述音叉式石英晶振的第一管脚连接有前置放大器，另一个管脚接地；前置放大器的信号输出端连接有锁相放大器，锁相放大器的信号输出端连接有计算机；第一信号发生器的同步信号输出端还与锁相放大器的同步信号输入端相连接。

图3是气体探测装置的结构示意图。第一信号发生器产生一个正弦调制信号，以f₀/2的频率调制第一激光发射装置的波长。为了保持两个激光发射装置之间的调制相位关系，第二信号发生器被设置在单周期正弦波外部触发模式上，触发信号源来自于第一信号发生器。这样，第二信号发生器能够产生一个与第一信号发生器频率一样，幅值和相位独立可调的正弦波，这个正弦波被用来调制第二激光发射装置的波长。一个双通道任意函数发生器产生两个脉冲斜坡扫描波形，周期的输出斜坡扫描电压，和调制信号通过第一和第二加法器叠加后，分别送入相应的激光发射装置对激光波长进行扫描。两个脉冲斜坡扫描波也保持明确的相位关系。来自第一和第二激光发射装置的光束通过第一和第二光纤准直器被分别准直通过双谐振腔光声光谱测声器的上微声谐振腔和下微声谐振腔。双微声谐振腔光声光谱测声器的压电信号通过前置放大器，被送入锁相放大器的信号输入端，第一信号发生器的同步信号被送入锁相放大器的同步信号端。计算机用于和锁相放大器通信采集数据。计算机在相应软件（Labview图形化程序）的支持下，将采集到的信号显示出来，并得到待测气体的浓度值。图7所示是脉冲斜坡扫描电压的波形，类似于方波，但与方波不同的是，顶端不是平坦的，而是斜坡。这样的波形扫描激光器的波长有如下优点：首先，斜坡的最低点和最高点能够调整，很容易改变激光的扫描起始波长；其次，激光只在斜坡处出光，在两个斜坡之间不出光，这样不仅降低了功耗，而且避免了双激光探测时信号相互串扰。

进一步的，还包括一个通过信号输出端与锁相放大器量程控制端相连接的或门；所述任意函数发生器的两个通道分别和或门的两个信号输入端相连接。

如果样品室内充有两种不同的气体，则两个激光发射装置出射的激光就分别对应两种气体的吸收线，这样就可以在经过扫描后，同时得到两种待测气体的浓度信息，节省了探测时间，节约了探测设备。具体探测时，两种待测气体的光声光谱信号强度一般会有比较大的差别，锁相放大器在更换测量对象时就需要对量程进行切换，两个脉冲斜坡扫描波经过一个逻辑或门，所产生波形的下降沿作为量程更换的触发信号，对锁相放大器进行量程切换，以确保测量结果的准确与可靠。

本装置还可以用于在激光的锁频模式下和给定的两种气体浓度比率下，通过调整相位使两个通道信号幅值相消。这时发明所述的气体传感测量装置就能够直接测量两气体浓度比率距离给定浓度比率的偏差，这个偏差可以作为反馈信号，通过计算机直接控制两个气体阀门的开断，保证两种气体的混合率始终保持在给定的常数值下。这样它能够用于控制气体的化学反应，控制气体成比例混合及优化燃烧过程中，比如可以测量氧气和一氧化碳比率。

附图说明

图1双谐振腔光声光谱测声器的结构示意图。

图2微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振的不同位置处获得的信噪比和品质因数Q。

图3本发明所述气体探测装置的第一种结构示意图。

图4采用图3装置所获得的两个不同激光器光学信号相加的结果示意图。

图5本发明所述气体探测装置的第二种结构示意图。

图6采用图5装置获得的两种气体传感测量结果示意图。

图7所述脉冲斜坡扫描电压的波形结构示意图。

1-双谐振腔光声光谱测声器；13-钢制细管；14-音叉式石英晶振；15-激光光束；21-第一激光器；22-第二激光器；31-第一激光控制器；32-第二激光控制器；41-第一光纤准直器；42-第二光纤准直器；5-第一信号发生器；6-第二信号发生器；71-第一加法器；72-第二加法器；8-前置放大器；9-任意函数发生器；91-第一通道；92-第二通道；10-锁相放大器；11-计算机；12-或门。

具体实施方式

一种双谐振腔光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振14，还包括与音叉式石英晶振14相配合的两个微声谐振腔；所述每个微声谐振腔由一对分别水平设置在音叉式石英晶振14两侧且垂直于音叉式石英晶振14振臂面的钢制细管13组成，每对钢制细管13的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振14的振臂间隙；所述两个微声谐振腔上下排列。如图1所示。

一种气体探测装置，包括第一激光发射装置、第二激光发射装置、第一信号发生器5以及第二信号发生器6；所述第一信号发生器5的信号输出端连接有第一加法器71，第二信号发生器6的信号输出端连接有第二加法器72；所述两个加法器的另一个信号输入端共同连接有一个任意函数发生器9；所述任意函数发生器9分别通过其第一通道91以及第二通道92与两个加法器相连接；第一加法器71的信号输出端与第一激光发射装置的调制端口相连接，第二加法器72的信号输出端与第二激光发射装置的调制端口相连接；第一信号发生器5的同步信号输出端还与第二信号发生器6的触发输入端相连接；所述两个激光发射装置的出射端均通过光纤分别连接有第一光纤准直器41和第二光纤准直器42，两个光纤准直器出射端口相对设置且二者之间设有一个内部放置有双谐振腔光声光谱测声器1的样品室，样品室与两个光纤准直器相对应的两侧均设有入射窗口；所述两个光纤准直器的出射光路各与一个微声谐振腔的轴线重合；所述音叉式石英晶振14的第一管脚连接有前置放大器8，另一个管脚接地；前置放大器8的信号输出端连接有锁相放大器10，锁相放大器10的信号输出端连接有计算机11；第一信号发生器5的同步信号输出端还与锁相放大器10的同步信号输入端相连接。

还包括一个通过信号输出端与锁相放大器10量程控制端相连接的或门12；所述任意函数发生器9的两个通道分别和或门12的两个信号输入端相连接。

所述第一激光发射装置包括第一激光器21以及控制第一激光器21的第一激光控制器31；所述第二激光发射装置包括第二激光器22以及控制第二激光器22的第一激光控制器32；所述第一加法器71的信号输出端与第一激光控制器31的调制端口相连接；所述第二加法器72的信号输出端与第二激光控制器32的调制端口相连接。

音叉式石英晶振14的共振频率为32kHz，两个微声谐振腔由四个长4.0mm，内径0.8mm，外径1.24mm的钢制细管13组成；钢制细管13靠近音叉式石英晶振14的一端与音叉式石英晶振14振臂面的间距为20μm；第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下0.64mm，第二个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下1.26mm处。

两个微声谐振腔由四个长4.4mm，内径0.6mm，外径0.9mm的钢制细管13组成；钢制细管13与音叉式石英晶振14的间距统一在20μm；第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下0.65mm，第二个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下1.55mm处。

所述两个激光控制器采用型号为ILXLightware，LDC-3742。

图1中可以看出经过光纤准直器出射进入微声谐振腔的激光光束15。

实例一：图3是来自于两个不同激光器光学信号相加对同一种待测气体进行探测的装置结构示意图。

双微谐振腔光声光谱测声器1使用了一个32kHz的音叉式石英晶振14，两个微声谐振腔由四个长4.0mm，内径0.8mm，外径1.24mm的钢制细管13组成。钢制细管13与音叉式石英晶振14的间距统一在20μm。第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下0.64mm，第二个微声谐振腔被放置在向下1.26mm处。获得的品质因子为1890，响应时间为18.4ms。

光纤输出的第一激光器21被安装在第一激光控制器31上，第一激光控制器31能够控制激光温度，并根据外部0-5v输入电压和电流设置，供应0-200mA或者0-400mA电流。第一激光器21出射波长为1368.7nm，波长被调谐到水在7296.65cm^-1处的吸收线上，温度被设置在29.55℃，功率为19mW。第一信号发生器5产生一个正弦调制信号，以f₀/2的频率调制第一激光器21的波长。光纤输出的第二激光器22，出射波长为1368.7nm，波长也被调谐到水在7296.65cm^-1处的吸收线上，被安装在与第一激光控制器31一样的第二激光控制器32上。由于两个激光器的个体差异，第二激光器22温度被设定在36.00℃，功率为13mW。为保持两个激光器之间的调制相位关系，第二信号发生器6被设置在单周期正弦波外部触发模式上，触发信号源来自于第一信号发生器5。这样，第二信号发生器6产生一个与第一信号发生器5频率一样，幅值和相位独立可调的正弦波，这个正弦波被用来调制第二激光22的波长。一个双通道任意函数发生器9产生两个脉冲斜坡扫描波，和调制信号叠加后，分别送入相应的激光器对激光器波长从7296.85cm^-1到7296.87cm^-1范围进行扫描。两个脉冲斜坡扫描波形也保持明确的相位关系。来自第一和第二激光器的光束通过第一和第二光纤准直器被分别准直通过双微谐振腔光声光谱测声器1的上微声谐振腔和下微声谐振腔。双微谐振腔光声光谱测声器1的压电信号通过前置放大器8，被送入锁相放大器10的信号输入端，第一信号发生器5的同步信号被送入锁相放大器10的同步信号端。计算机11通过和锁相放大器10通信采集数据。

众所周知，锁相放大器10有两个分量输出：同相分量（X）和正交分量（Y），在测量过程中，调整锁相放大器10的相位，使第一激光器21的信号出现在锁相放大器10的X分量上。调整第二信号发生器6的相位，使第二激光器22的信号也出现在锁相放大器10的X分量上，任意函数发生器9的两个信号通道产生同步的两个脉冲斜坡扫描波，对两个激光器波长进行同步扫描，这样两个激光器的信号就在锁相放大器10的X分量上相加。

图4显示了来自于两个不同激光器光学信号相加的结果。方形符号曲线来自与上微声谐振腔单独工作时的信号，圆形符号曲线来自与下微声谐振腔单独工作时信号，三角符号曲线来自与上下两个微声谐振腔同时工作时的信号。两个通道同时工作时的信号等于上下两个通道分别工作时的信号叠加。

实例二：图5是快速两气体传感测量装置的结构示意图。

双微谐振腔光声光谱测声器1使用了一个32kHz的音叉式石英晶振14，两个微声谐振腔由四个长4.4mm，内径0.6mm，外径0.9mm的钢制细管13组成。钢制细管13与音叉式石英晶振14的间距统一在20μm。第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振14的顶部向下0.65mm，第二个微声谐振腔被放置在向下1.55mm处。获得的品质因子为594，响应时间为5.8ms。

光纤输出的第一激光器21被安装在第一激光控制器31上，出射波长为1572.0nm，波长被调谐到二氧化碳在6361.25cm^-1处的吸收线上。温度被设置在30.5℃，功率为32mW。第一信号发生器5产生一个正弦调制信号，以f₀/2的频率调制第一激光器21的波长。光纤输出的第二激光器22，出射波长为1368.7nm，波长被调谐到水在7306.75cm^-1处的吸收线上，被安装在与第一激光控制器31一样的第二激光控制器32上。第二激光器22温度被设定在15.62℃，功率为15mW。为了保持两个激光器之间的调制相位关系，第二信号发生器6被设置在单周期正弦波外部触发模式上，触发信号源来自于第一信号发生器5。这样，第二信号发生器6产生一个与第一信号发生器5频率一样，幅值和相位独立可调的正弦波，这个正弦波被用来调制第二激光器2的波长。一个双通道任意函数发生器9产生两个脉冲斜坡扫描波，和调制信号叠加后，分别送入相应的激光器对第一激光器21波长从7295.96cm^-1到7297.57cm^-1范围进行扫描，对第二激光器22的波长从6360.66cm^-1到6361.83cm^-1之间进行扫描。两个脉冲斜坡扫描波也保持明确的相位关系。来自第一和第二激光器的光束通过第一和第二光纤准直器被分别准直通过双微谐振腔光声光谱测声器1的上微声谐振腔和下微声谐振腔。双微谐振腔光声光谱测声器1的压电信号通过前置放大器，被送入锁相放大器10的信号输入端，第一信号发生器5的同步信号被送入锁相放大器10的同步信号端。计算机11用于用锁相放大器10通信采集数据。

在测量过程中，调整锁相放大器10的相位，使第一激光器21的信号出现在锁相放大器10的X分量上。调谐第二信号发生器6的相位，使第二激光器22的信号也出现在锁相放大器10的X分量上。任意函数发生器9的两个信号通道产生互补的两个周期为1s，占空比为45.5%脉冲斜坡扫描波形。第一激光器21的波长调谐率为3.5cm^-1/s，第二激光器22的波长调谐率为2.6cm^-1/s。这样随着两个激光器的轮流工作，H₂O和CO₂信号就在锁相放大器10的X分量上轮流出现。

图6是测试结果。H₂O和CO₂的光谱每半秒钟轮流出现一次。由此实现了两气体的快速扫描测量。

Claims (7)

1.一种双谐振腔光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振（14），其特征在于，还包括与音叉式石英晶振（14）相配合的两个微声谐振腔；所述每个微声谐振腔由一对分别水平设置在音叉式石英晶振（14）两侧且垂直于音叉式石英晶振（14）振臂面的钢制细管（13）组成，每对钢制细管（13）的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振（14）的振臂间隙；所述两个微声谐振腔上下排列。

2.一种气体探测装置，其特征在于，包括第一激光发射装置、第二激光发射装置、第一信号发生器（5）以及第二信号发生器（6）；所述第一信号发生器（5）的信号输出端连接有第一加法器（71）的一个信号输入端，第二信号发生器（6）的信号输出端连接有第二加法器（72）的一个信号输入端；所述两个加法器的另一个信号输入端共同连接有一个任意函数发生器（9）；所述任意函数发生器（9）分别通过其第一通道（91）以及第二通道（92）与所述两个加法器相连接；第一加法器（71）的信号输出端与第一激光发射装置的调制端口相连接，第二加法器（72）的信号输出端与第二激光发射装置的调制端口相连接；第一信号发生器（5）的同步信号输出端还与第二信号发生器（6）的触发输入端相连接；所述两个激光发射装置的出射端均通过光纤分别连接有第一光纤准直器（41）和第二光纤准直器（42），两个光纤准直器出射端口相对设置且二者之间设有一个内部放置有如权利要求1所述的双谐振腔光声光谱测声器（1）的样品室，样品室与两个光纤准直器相对应的两侧均设有入射窗口；所述两个光纤准直器的出射光路各与一个微声谐振腔的轴线重合；所述音叉式石英晶振（14）的第一管脚连接有前置放大器（8），另一个管脚接地；前置放大器（8）的信号输出端连接有锁相放大器（10），锁相放大器（10）的信号输出端连接有计算机（11）；第一信号发生器（5）的同步信号输出端还与锁相放大器（10）的同步信号输入端相连接。

3.如权利要求2所述的气体探测装置，其特征在于，还包括一个通过信号输出端与锁相放大器（10）量程控制端相连接的或门（12）；所述任意函数发生器（9）的两个通道分别和或门（12）的两个信号输入端相连接。

4.如权利要求2或3所述的气体探测装置，其特征在于，所述第一激光发射装置包括第一激光器（21）以及控制第一激光器（21）的第一激光控制器（31）；所述第二激光发射装置包括第二激光器（22）以及控制第二激光器（22）的第二激光控制器（32）；所述第一加法器（71）的信号输出端与第一激光控制器（31）的调制端口相连接；所述第二加法器（72）的信号输出端与第二激光控制器（32）的调制端口相连接。

5.如权利要求2所述的气体探测装置，其特征在于，音叉式石英晶振（14）的共振频率为32kHz，两个微声谐振腔由四个长4.0mm，内径0.8mm，外径1.24mm的钢制细管（13）组成；钢制细管（13）靠近音叉式石英晶振（14）的一端与音叉式石英晶振（14）振臂面的间距为20μm；第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振（14）的顶部向下0.64mm，第二个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振（14）的顶部向下1.26mm处。

6.如权利要求3所述的气体探测装置，其特征在于，两个微声谐振腔由四个长4.4mm，内径0.6mm，外径0.9mm的钢制细管（13）组成；钢制细管（13）与音叉式石英晶振（14）的间距统一在20μm；第一个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振（14）的顶部向下0.65mm，第二个微声谐振腔被放置在音叉式石英晶振（14）的顶部向下1.55mm处。

7.如权利要求4所述的气体探测装置，其特征在于，所述两个激光控制器采用型号为ILXLightware，LDC-3742。