CN104614317A - 一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置，包括：激光器、聚焦透镜、准直透镜、气体样品池、锁相放大器、激光控制器、函数发生器、控制主机、频率跟踪控制器，以及与石英音叉输出端电连接的前置放大器。相同的两路光路分别通过准直、聚焦后射入微型管，聚焦于微型管中部的焦点，两路光路分别产生光声信号。气体样品池内设有安装座，两个微型管对称装设在安装座的侧壁上，石英音叉装设在安装座的底部，石英音叉的音叉臂平面与微型管平行或垂直布置。微型管的中部位置开有狭缝，狭缝与所述石英音叉的切口或音叉臂对应，工作时石英音叉同时受到两侧微型管声压的作用，增强了信号强度。装置还在安装座底部设有恒温水孔，保持石英音叉性能稳定。

Description

一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种基于石英音叉增强型的气体光声光谱检测装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力系统中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。

在2005年公告的美国发明专利US2005/0117155A1提及一种“石英增强光声光谱装置”。采用石英音叉的光声光谱装置来探测气体物质的成分或含量。装置由激光器、聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉以及激光器的控制装置、石英音叉的输出装置等组成。其中管状谐振腔为分置于石英音叉两边的两只长度相同的细管，且两只细管的管轴心均与光路同轴，聚焦透镜的焦点位于石英音叉的音叉切口处。工作时，激光器频率f0的光波，被样品吸收后产生频率与石英音叉共振频率f0相同的声波，激发石英音叉产生共振，并经锁相放大器调解，得到气体样品的吸收谱。其不足之处是为形成共振，光路即激光束必须通过两只细管及石英音叉的音叉切口，而音叉切口的宽度很小，对激光光源的质量提出很高的要求；同时两只细管的轴线与间隔的石英音叉的音叉切口开口方向一致，使得声共振条件没有完全满足，降低了共振增强的效果；同时对于氦气为载气的情况，两只细管的长度很大，使得光束在不接触管壁和音叉的情况下通过音叉切口很困难；再次，石英音叉的切口极大的限制了两只细管的内径大小，管内径越大增强效果越小，而小的管内径给激光束的布置带来了极大的复杂性。另外，在2010年公告的专利CN101813621A提及一种“基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置”，装置由激光器、聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉以及激光器的控制装置、石英音叉的输出装置等组成，其中管状谐振腔只有一根，且管状谐振腔的轴心与音叉切口并不像专利US2005/0117155A1中一样共轴，而是平行对齐，同时管状谐振腔的中部开有狭缝，且狭缝与管状谐振腔长度方向垂直，而聚焦透镜的焦点位于狭缝处，采用该方式避免了上述专利的问题，简化了安装方式，避免激光束射到细管的管壁或石英音叉的一个臂上而引起噪声，同时又不会发生激光束偏离石英音叉的音叉切口的中心将会大大降低共振信号强度的情况。采用此种方式同样存在不足，即只能检测采用某种固定载气的气体组分，不利于形成通用性仪器，另外如果石英音叉上沾染污秽，导致谐振频率偏移时，管状谐振腔不能谐振降低了稳定性。有文献“基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究”(物理学报，Vol.62,No.7(2013))提出采用两个微型管，其结构与专利US2005/0117155A1所述类似，但管长较小，不能形成共振腔，微型管仅仅起到限制目标气体产生的柱状对称压力波扩散的作用。但采用该方式由于没有共振腔，存在信号强度较低的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置。本发明通过双管并排的方式，使声压信号增强接近一倍，同时在石英音叉发生频率偏移时，保证测量，适用于严苛条件、多种载气条件下的气体检测。

本发明为解决上述问题采用的技术方案为：

本发明的双管并排的石英音叉增强型光声光谱检测装置包括激光器、光纤、聚焦透镜、准直透镜、气体样品池、激光控制器、函数发生器、控制主机、频率跟踪控制器、锁相放大器、与石英音叉输出端电连接的前置放大器。激光器与聚焦透镜通过光纤相连，激光器发出的光束经过准直透镜后由聚焦透镜聚光射入气体样品池；激光控制器位于激光器旁，用于控制激光器；前置放大器和频率跟踪控制器位于气体样品池旁，前置放大器将检测到的信号放大，输入锁相放大器。频率跟踪控制器根据检测到的信号输出控制频率给函数发生器；函数发生器的一路输出信号输入激光控制器，另一路输出信号输入锁相放大器。控制主机用来控制锁相放大器和激光控制器的工作。

一个安装座以及安装在安装座上的两个微型管、一个石英音叉位于气体样品池中，所述气体样品池有入射窗口、出射窗口，以及进气口、出气口。第一激光器发出的光束经过第一准直透镜后经第一聚焦透镜聚焦射入第一微型管；第二激光器发出的光束经过第二准直透镜后经第二聚焦透镜聚焦射入第二微型管；所述第一激光器、第一准直透镜及第一聚焦透镜组成一个光路，与所述第二激光器、第二准直透镜及第二聚焦透镜组成的另一个光路并排排列，使得两个光路中聚焦透镜的焦点分别位于所述两个微型管中。所述微型管采用安装套固定在安装座的两侧壁上。所述石英音叉固定在安装座的底部。所述安装座的底部的内部开有孔，使得安装座可与外部恒温水相连，保持恒温，进而保证石英音叉恒温。所述微型管中部开有狭缝，所述的狭缝与微型管的管长方向垂直；所述石英音叉的两个音叉臂的平面分别与两个微型管相平行，微型管位于音叉臂的外侧，且所述石英音叉位于狭缝处，与狭缝接近但不接触，通常距离取为0.1mm。或者两个音叉臂的平面分别与两个微型管相垂直，微型管位于石英音叉的两侧，且石英音叉的切口与微型管的狭缝对齐，与狭缝接近但不接触，通常距离取为0.1mm。所述激光器与聚焦透镜之间的光路上串接有光纤和准直透镜。

所述函数发生器的输出端与所述锁相放大器的输入端电连接。所述第一激光器、第二激光器的输入端与函数发生器之间串接有激光控制器，工作时激光控制器控制第一激光器、第二激光器同步工作。所述锁相放大器与激光控制器之间串接有控制主机。所述石英音叉的输出端与函数发生器之间串接有频率跟踪控制器。所述石英音叉的输出端与锁相放大器之间串接有前置放大器，便于共振增强信号的获得和预处理。所述频率跟踪控制器用来测试跟踪石英音叉的共振频率，使得激光器发出的频率与石英音叉的共振频率相同。

所述的频率跟踪控制器、前置放大器与石英音叉输出端之间有电连接，但不同时连接，而是采用转换开关实现。每次测量气体组分前，首先将频率跟踪控制器与石英音叉输出端连接，采用频率跟踪控制器测量跟踪石英音叉的共振频率，设置函数发生器的频率，之后通过转换开关转换，将前置放大器与石英音叉输出端连接，用以检测信号。

采用上述结构的优点在于：首先对于一个石英音叉，同时受到两侧的气体压力，使得相同的气体浓度，信号增强接近一倍，提高检测精度；其次，考虑到石英音叉的性能对温度变化很敏感，在安装石英音叉的底部装有恒温装置，保持石英音叉的温度稳定，进而保证石英音叉的检测稳定性；同时恒温装置采用水恒温，水管路位于安装座的底部，既实现了恒温，有不影响气体检测模块内部结构；最后，本发明采用石英音叉的共振作用来增强检测信号，因此保持石英音叉处于共振状态非常重要，而当石英音叉的音叉臂上沾有污物时，由于音叉臂质量发生变化，共振频率将产生偏移，因此需要采用频率跟踪模块控制函数发生器频率，使得石英音叉的共振频率发生变化时，激光器脉冲的频率跟随调节，不至于因为共振频率偏移降低共振增强效果。

附图说明

图1为本发明检测装置一种实施方式示意图；

图2为本发明微型管和石英音叉及安装座结构示意图；

图3为本发明微型管与石英音叉位置结构示意图；

图4为本发明微型管与石英音叉位置结构另一种实施方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明检测装置一种实施方式示意图。如图1所示，本发明装置主要包括并排排列的激光器1、1ˊ，光路2、2ˊ及依次配置在光路上的光纤3、3ˊ，准直透镜4、4ˊ，聚焦透镜5、5ˊ，以及气体样品池11，频率跟踪控制器7，前置放大器13，锁相放大器14，函数发生器15，控制主机16，激光控制器17，恒温水管18。

所述气体样品池11的上、下侧分别置有进气口8和出气口12；气体样品池11的左、右侧分别置有入射窗口6和出射窗口10；气体样品池11的内部下侧装有安装座9。

激光器1、1ˊ的输入端与激光控制器17的输出端电连接，激光控制器17的输入端分别与函数发生器15的输出端和控制主机16的输出端电连接，控制主机的输入和输出端均与锁相放大器14的输入和输出端电连接，锁相放大器14的输入端还和函数发生器15的输出端、前置放大器13的输出端电连接，前置放大器13的输入端与石英音叉92的输出端电连接。石英音叉92的输出端还与频率跟踪控制器7的输入端电连接，频率跟踪控制器7的输出端与函数发生器15的输入端电连接。

图2为本发明微型管和石英音叉及安装座结构示意图。如图2所示，图2a为图2b的A-A切面图，图2c为安装座结构示意图。图中U型安装座90的两侧的侧壁903上对称的开有凹槽901、固定孔902，安装座90的底面904内部开有恒温水孔905。在凹槽901上分别用安装套931、932固定了第一微型管911和第二微型管912，石英音叉92安装在底面904上；第一微型管911和第二微型管912的中部位置分别开有狭缝941和942。狭缝941和942正对石英音叉92的切口。

图3为本发明微型管与石英音叉位置结构示意图。如图3所示，图3a为图3b的B-B切面图。石英音叉由音叉臂921和底座922构成，音叉臂921的平面与第一微型管911和第二微型管912垂直，且第一微型管911和第二微型管912对称布置在在石英音叉92的两侧。微型管与音叉臂921之间的距离约为0.1mm。第一微型管911和第二微型管912的狭缝正对石英音叉的切口923。

图4为本发明微型管与石英音叉位置结构另一种实施方式示意图。如图4所示，图4a为图4b的B-B切面图，音叉臂921的平面与第一微型管911和第二微型管912平行，且第一微型管911和第二微型管912对称布置在石英音叉92的两侧，微型管与音叉臂921之间的距离约为0.1mm。第一微型管911和第二微型管912的狭缝正对石英音叉的音叉臂921。

Claims (3)

1.一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括激光器(1、1′)、光纤(3、3′)、准直透镜(4、4′)，聚焦透镜(5、5′)、气体样品池(11)、前置放大器(13)、频率跟踪控制器(7)、锁相放大器(14)、函数发生器(15)、控制主机(16)，以及激光控制器(17)；

所述的激光器(1、1′)与聚焦透镜(5、5′)通过光纤(3、3′)相连，激光器(1、1′)发出的光束经过准直透镜后，再经聚焦透镜(5、5′)聚光而后射入气体样品池(11)；激光控制器(17)位于激光器旁，用于控制激光器(1、1′)；前置放大器(13)和频率跟踪控制器(7)位于气体样品池(11)旁，与石英音叉输出端电连接的前置放大器(13)将检测到的信号放大，输入锁相放大器(14)；频率跟踪控制器(7)根据检测到的信号输出控制频率给函数发生器(15)；函数发生器(15)的一路输出信号输入激光控制器(17)，另一路输出信号输入锁相放大器(14)；控制主机(16)控制锁相放大器(14)和激光控制器(17)；

所述气体样品池(11)的上、下侧设有进气口(8)和出气口(12)，左、右两侧对称的设有入射窗口(6)和出射窗口(10)，内侧底部设有U型安装座(90)；第一微型管(911)和第二微型管(912)分别采用固定套(931)和固定套(932)装设在U型安装座(90)的内侧壁(903)上；所述第一微型管(911)和第二微型管(912)对称安装；石英音叉(92)装设在U型安装座(90)的内部底面(904)上，恒温水孔(905)开设在底面(904)内部，并与所述气体样品池(11)上的恒温水管18相连；所述石英音叉(92)的音叉臂(921)的平面与第一微型管(911)和第二微型管(912)的管长方向垂直，且第一微型管(911)和第二微型管(912)位于石英音叉(92)的两侧；

第一激光器(1)、第一准直透镜(4)及第一聚焦透镜(5)组成第一光路(2)，第二激光器(1′)、第二准直透镜(4′)及第二聚焦透镜(5′)组成第二光路(2′)；第一光路(2)与第二光路(2′)并排排列；所述第一聚焦透镜(5)和第二聚焦透镜(5′)聚焦后的光束经入射窗口(6)进入气体样品池(11)，经过第一微型管(911)和第二微型管(912)后通过出射窗口(10)射出；所述第一聚焦透镜(5)和第二聚焦透镜(5′)的焦点分别位于第一微型管(911)和第二微型管(912)的中心位置；

所述第一激光器(1)和第二激光器(1′)的输入端与函数发生器(15)间串接有激光控制器(17)；所述锁相放大器(14)与激光控制器(17)间串接有控制主机(16)，所述石英音叉(92)的输出端与锁相放大器(14)之间串接有前置放大器(13)；所述石英音叉(92)的输出端还与频率跟踪控制器(7)的输入端电连接；所述频率跟踪控制器(7)的输出端与函数发生器(15)的输入端相连，所述函数发生器(15)的输出端还与锁相放大器(14)的输入端相连。

2.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述第一微型管(911)和第二微型管(912)为结构相同的不锈钢管；第一微型管(911)在中部位置开有第一狭缝(941)，第二微型管(912)在中部位置开有第二狭缝(942)；所述第一狭缝(941)、第二狭缝(942)位置与所述石英音叉(92)的切口(923)相对；所述第一微型管(911)和第二微型管(912)与音叉臂(921)靠近但不接触。

3.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的石英音叉(92)的音叉臂(921)的平面与第一微型管(911)、第二微型管(912)平行布置，第一微型管(911)和第二微型管(912)位于音叉臂(921)的外侧。