CN105651374B - 单管共轴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，具体为一种单管共轴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中使用大音叉作为测声器时，声学谐振腔与大音叉之间声波耦合效率较低的技术问题。有益效果：一、设计了一种新型的石英增强光声光谱测声器，借助新型音叉式石英晶振大的振臂间隙特点，将一个完整的单管声学谐振腔插入到音叉式石英晶振的振臂间隙。单管声学谐振腔的两侧开有方孔，使声波通过方孔推动音叉式石英晶振的振臂振动而产生电信号。这种单管共轴配置大大提高声波耦合效率，提高探测信噪比。二、单管声学谐振腔内部的驻波模式更接近一维声学谐振腔中的声驻波模式，大大缩短了谐振腔的长度，同时减小了传感器尺寸。

Description

单管共轴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，具体为一种单管共轴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

近年来，光声光谱技术作为一种新型光谱探测技术以其零吸收背景，高探测灵敏度，探测器件没有波长选择性等优点被广泛运用于工业控制、农业生产、航空航天检测等各个行业。当一束被调制的激光穿过待测样品时，若光源的发射波长与样品的吸收线波长相吻合时，激光能量就会被样品吸收。吸收了光能量的样品分子被激发到激发态，然后由于激发态的不稳定性会产生碰撞退激发而引起样品周围的气体温度局部升高和降低，进而产生压力波向四周传递，此压力波即为声波。通过声波换能器探测声波压力而转化为电信号就能反演出吸收气体的浓度。

传统的常用光声光谱声波换能器为高灵敏度宽带麦克风，它的缺点是麦克风过宽的响应带宽使得环境噪声容易被带入到探测系统中。2002年美国RICE大学的FRANK教授研究小组发展了一种新型石英增强光声光谱探测技术（QEPAS），该技术采用一个商用的~32kHz音叉式石英晶振来代替传统的宽带麦克风来充当声波换能器。图9为音叉式石英晶振的正视图，音叉式石英晶振具有两个振臂，音叉式石英晶振在受到外部激励后，振臂沿图中箭头所指方向往复振动，为描述方便将音叉式石英晶振的振臂上与振动方向垂直的面称为内外振动面（两振臂相对的两面为内振动面，相背的两面为外振动面）；与振动方向平行的面（即纸面上所看到的面以及背后的面）称作音叉式石英晶振的振臂侧面；两个振臂之间的间隙称为振臂间隙，如图9所示的振臂间隙方向向上。

音叉式石英晶振的工作原理是压电效应，当该音叉式石英晶振的两支振臂受到声波的推动时音叉式石英晶振输出电流，然后用前置放大器将电流提取出来，再通过信号后处理反演出所需的气体浓度信号。这种音叉式石英晶振有三个优点：第一，它只在固定的频率~32 kHz附近有响应，对其它频段的声音的响应非常微弱，这造就了基于音叉式石英晶振的传感器有很高的环境噪声免疫能力；第二，它拥有极高的Q值，高Q值在光声光谱技术中意味着更高的信号峰值；第三，音叉式石英晶振只有在对称振动模式（音叉的两只振臂向相反的方向做往复运动）下才能产生电流，因此这更进一步减小了来自音叉外部的噪声声波干扰。为了进一步提高单个音叉式石英晶振探测灵敏度，人们通常加入声学谐振腔。目前国际上流行的音叉式石英晶振和声学谐振腔传感组件配置有两种方式：一、共轴配置（on-beam），在音叉式石英晶振的两个内外振动面分别安装一支不锈钢毛细管作为声学谐振腔，声学谐振腔轴与音叉振臂侧面垂直，以此来积累声波，并使声学谐振腔与音叉共振耦合，从而提高传感器的探测灵敏度。共轴配置的QEPAS传感组件的优点是，相比于无谐振腔的单个音叉能显著地提高灵敏度达30倍，缺点是光束必须从振臂侧面的两个谐振腔和音叉的两振臂间隙（通常小于0.4mm）依次通过，这样增加了对光束质量的要求，加大了准直难度，光束质量很差的光源很难用在共轴配置的QEPAS传感组件中；二、离轴配置（off-beam），在音叉式石英晶振的振臂侧面一侧放置一根侧面开口的不锈钢毛细管作为声学谐振腔，声学谐振腔轴与音叉振臂侧面平行，并让音叉振臂间隙紧贴住声学谐振腔的开口处，以此来使音叉和声学谐振腔相互耦合来提高探测灵敏度。离轴配置的QEPAS传感组件的优点是光束不需穿过音叉振臂间隙，只需要穿过声学谐振腔即可，降低了传感组件对于光束质量的要求，缺点是声波耦合效率低，探测灵敏度相比于共轴配置大打折扣。

目前在石英增强光声光谱中国际上大多采用的是钟表中所用的标准型音叉式石英晶振，该标准音叉的共振频率为~32kHz，其振臂间隙大约为0.3 mm。这0.3 mm的振臂间隙极大地限制了这种音叉式石英增强光声光谱中的应用，比如当激励光源为光束质量较差的LED光源以及波长大于30 µm的THz光源。因为在这种情况下很难将具有很大发散角的光束准直并通过音叉的0.3 mm的振臂间隙而不接触音叉，这就会产生很强的背景噪声，从而限制传感器的探测灵敏度。最近国际上有研究人员采用定制的大型音叉式石英晶振作为光谱测声器用于石英增强光声光谱中，该定制大音叉的共振频率约为7.2 KHz，振臂间隙大约为0.8 mm，这种大音叉从根本上解决了光束质量较差的情况下，激光光束准直的问题。和基于标准音叉的石英增强光声光谱一样，为了提高探测灵敏度，声学谐振腔被配置到大音叉上，通过大音叉和声学谐振腔的声波有效耦合来增强信号。当传统的共轴配置声学腔添加到大音叉上时，在最优的长度下，石英增强光声光谱测声器探测信噪比提高40倍了，但是此时两个共轴声学谐振腔的总长度达到了46 mm，远远大于基于标准音叉共轴光谱测声器中两个声学谐振腔的总长度 8.8 mm。这是由于每个声学谐振腔的长度近似等于半个声波长，而定制的音叉尺寸较大，共振频率较低，这样只有波长长的声波才响应，从而使声学谐振腔长度也变长。事实上，如此长的声学谐振腔削弱了大音叉的0.8 mm振臂间隙所带来的易于光学准直的优势。

因此在使用大音叉作为石英增强光声光谱的声波换能器时，如何配置声学谐振腔，提高音叉和声学谐振腔之间的声波耦合效率，缩短声学谐振腔的长度成了必须要解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱中使用大音叉作为测声器时，声学谐振腔与大音叉之间声波耦合效率较低的问题，提供一种单管共轴光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

本发明所述的单管共轴光声光谱测声器是采用以下技术方案实现的：一种单管共轴光声光谱测声器，包括单管共轴石英增强光声光谱传感组件；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件包括一个音叉式石英晶振以及与音叉式石英晶振相配的一个由不锈钢毛细管制成的声学谐振腔；所述声学谐振腔垂直于音叉式石英晶振的振臂侧面且声学谐振腔被称为腰部的中间部分位于音叉式石英晶振的振臂间隙内；所述声学谐振腔在位于音叉式石英晶振的振臂间隙内且与两个振臂的内振动面相对应的腰部侧壁上开有一对左右对称并均与声学谐振腔内部连通的方孔，方孔的宽度小于音叉式石英晶振的振臂厚度。

声学谐振腔是石英增强光声光谱中的重要组件，它可以使石英音叉光声光谱测声器的探测灵敏度大大提高。在传统的共轴石英增强光声光谱测声器配置中，一根由不锈钢毛细管组成的声学谐振腔被切成两段，音叉式石英晶振被装配在两声学谐振腔之间，紧靠谐振腔放置。这种配置下，两个声学谐振腔装配在音叉式石英晶振两侧起到限制声波的作用，以此促使声波推动音叉式石英晶振的两臂振动。然而在这种被切成两段并在中间插入了音叉的λ/2声学谐振腔中无法形成很强的声学驻波。一般地，传统的共轴配置的石英增强光声光谱测声器中声学谐振腔的最优总长度L应该在半个波长λ/2与一个波长λ之间，其中λ表示声波的波长。

本发明所述的单管共轴石英增强光声光谱测声器中，由一根完整的长度约为λ/2的不锈钢毛细管被用作声学谐振腔，并将这个声学谐振腔插入到一个共振频率为7.2 KHz,振臂间隙为0.8 mm的音叉式石英晶振的振臂间隙，如图1、2所示。振臂间隙0.8mm，比起以前传统音叉的0.1-0.4mm振臂间隙，足够插入一根完整的内径为0.5-0.8mm的声学谐振腔。在声学谐振腔的腰部对应音叉式石英晶振振臂的位置，两侧各开一条长度约为0.2-0.3 mm，宽度约为0.09 mm的狭缝，在光声效应中通过狭缝溢出的声波来推动音叉的振臂振动。在这种情况下，该单管共轴声学谐振腔中的驻波模式更接近于一维声学谐振腔中的一次驻波，使得单管共轴的石英增强光声光谱测声器比传统的共轴配置的石英增强光声光谱测声器声波耦合效率更高，同时也缩短了谐振腔长度。

进一步的，当声学谐振腔的外径小于音叉式石英晶振的振臂间隙时，所述方孔直接开在腰部与两个振臂的内振动面相对的左右两侧壁之上；当声学谐振腔的外径大于等于音叉式石英晶振的振臂间隙时，需要对腰部的左右两侧进行打磨，左右两侧分别打磨后形成一对对称的凹槽结构，使腰部宽度小于振臂间隙；所述方孔开在左右两侧打磨后的凹槽处，装配条件是：声学谐振腔内径﹤声学谐振腔腰部的厚度﹤振臂间隙。

在图2~4中，OD、ID和L分别表示谐振腔外径、内径和长度；g表示音叉振臂间隙，h表示声学谐振腔中心到音叉式石英晶振开口处（即振臂顶端）的垂直距离；T和Δ分别表示声学谐振腔腰部的厚度和长度；l和w分别表示方孔的高度和宽度。该单管共轴石英增强光声光谱测声器装配的条件是ID<T<g。在该单管共轴石英增强光声光谱测声器中，谐振腔被装配的垂直距离h约为1.2 mm。腰部打磨，相当于减小了腰部的径向宽度，使得声学谐振腔能够插入振臂间隙内。

一维声学谐振腔内的声波压力分布如图7所示。当两个独立的谐振腔距离非常远时，如图7（a）,它们的声波压力分布是两个独立的波包，互不干扰，中间位置的压力接近于0。当两个谐振腔慢慢靠近时，两个独立的波包开始重叠，若两谐振腔的距离等于音叉式石英晶振的厚度时，此时的声学压力分布如图7(b)所示，这种情况就是传统的共轴石英增强光声光谱测声器中的声波压力分布。当两个谐振腔的间距为0时，两个谐振腔组成一个完整的一维谐振腔，两个声压波包合并成一个波包，此时新谐振腔的中部声学压力达到最大值。本发明所述的单管共轴装置是一个谐振腔的中部开两个方孔，由于声波的部分泄露，该谐振腔中的声学压力分布如图7（c）所示。相比于传统的共轴石英增强光声光谱测声器，本发明所述的单管共轴石英增强光声光谱测声器的声压分布更接近于的一维声学谐振腔内的声压分布（图7（d）），形成更好的声学驻波，因而声波耦合效率更高，谐振腔长度更接近半波长。

进一步的，还包括一个微型气室，所述微型气室的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口和一个出射窗口；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件位于微型气室内部；所述入射窗口、单管共轴石英增强光声光谱传感组件和出射窗口顺次位于同一光路上；所述微型气室上端靠近入射窗口一侧的位置设有进气口；微型气室的上端靠近出射窗口一侧的位置设有出气口；所述音叉式石英晶振以及声学谐振腔均通过设于二者下部的支座固定在微型气室的底部内壁上；音叉式石英晶振的两个引脚均由微型气室的底部密封穿出。

通常用于气体测量的光声光谱装置都位于一个气室内，这样才能够在外部光源的作用下完成气体浓度的测量。

本发明所述的采用单管共轴光声光谱测声器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，包括光源、顺次设在光源出射光路上的透镜组、单管共轴光声光谱测声器以及功率计；所述音叉式石英晶振的第一引脚连接到地线，音叉式石英晶振的第二引脚通过前置放大器连接有一个锁相放大器；还包括带有数据采集卡的计算机；所述锁相放大器的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；还包括函数发生器，所述函数发生器的一个信号输出端与光源的驱动端相连接，函数发生器的另一个信号输出端与锁相放大器的同步信号输入端相连接；功率计的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连接；所述入射窗口、单管共轴石英增强光声光谱传感组件和出射窗口位于透镜组的出射光路上。

进一步的，所述光源包括DFB激光器以及用于驱动DFB激光器的激光器驱动板；所述函数发生器的信号输出端与激光器驱动板的调制端口相连接。

基于单管共轴石英增强光声光谱测声器的CO₂传感器实验装置如图5所示。一个功率为40mW，波长覆盖从1562 nm到1582 nm的分布反馈式半导体（DFB）激光器被用作激发源来产生光声信号。该激光器的波长能够通过扫描其温度和电流来实现调谐。在实验中，激光器的电流被频率为f ₀/2的信号正弦调制，f ₀即为所用音叉式石英晶振的共振频率。DFB激光器的输出光被一个带有透镜组的光纤聚焦器聚焦到腰斑直径约为0.2 mm，发散角约为9mrad。所用的定制大音叉的振臂长度、宽度和厚度分别为10 mm, 0.9 mm和0.25 mm。该音叉的共振频率f ₀、Q值以及等效电阻分别为7.2 kHz，8406以及299 KΩ。光声信号产生后，声波推动音叉式石英晶振振动并使之通过压电效应输出电信号，该电信号首先被一个反馈电阻为10MΩ的跨阻抗前置放大器处理，然后输入到锁相放大器中。锁相放大器被设置在二次谐波解调模式，时间常数和滤波斜率分别被设为1s 和12dB/oct，对应的探测带宽为0.25 Hz。

为了评估基于单管共轴石英增强光声光谱测声器的传感器性能，5%的CO₂/N₂混合气被作为目标探测气体。通过查询HITRAN数据库，CO₂位于6361.25 cm^-1的线强为1.732×10^-23cm/mol吸收线被选作目标吸收线。实验气路中的气流控制在200 毫升每分钟（sccm）。实验测量在大气压和室温条件下进行。三种不同内径和外径的不锈钢毛细管被用作声学谐振腔来实现单管共轴石英增强光声光谱测声器配置。相关的几何参数被表示在表1中，三种谐振腔的直径依次增大，其中谐振腔#1的外径0.8 mm等于大音叉的振臂间隙g，谐振腔#3的内径约0.75mm略小于大音叉的振臂间隙。谐振腔#1、#2的腰部厚度被打磨到约0.76 mm,被打磨的腰部长度约为 3 mm。谐振腔的腰部厚度和所用音叉的振臂间隙相比拟，以此来最大化声波耦合强度。谐振腔#1、#2、#3腰部所开的方孔高度分别为0.24 mm, 0.33 mm和0.33mm，宽度均为0.09 mm。

根据声学理论，谐振腔的长度对光声信号有着重要的影响。因此，在该实验中，谐振腔的长度首先被优化，其长度被设为从25 mm (~ λ/2)到约46 mm (~λ)。图6所示的是基于表1中的三种声学谐振腔（AmR）的单管共轴光声光谱测声器在探测5% CO₂时所获得的信号。图6的纵坐标为指数形式，所获得的数据点被洛伦兹拟合。如图6所示，与装配谐振腔#1、#3的测声器相比，装配谐振腔#2的光谱测声器获得了最大信号，并且比不装配声学共振腔的裸音叉信号增强两个数量级。探测的CO₂信号最强时对应的三种谐振腔长度分别为36mm,39 mm和38mm。这些波长比声波的半波长25mm要长，说明该谐振腔中的驻波模式已经被破坏，这是由于谐振腔腰部所开的两个方孔引起的。

图8展示了在探测5%的干燥CO₂时，采用表1所示的三种谐振腔所获得的二次谐波信号。三种谐振腔的参数都是最优的，分别为内径0.55 mm，长度34 mm(谐振腔#1)；内径0.65 mm，长度38 mm(谐振腔#2)；内径0.75 mm，长度38 mm(谐振腔#3)。基于这三种谐振腔的单管共轴石英增强光声光谱测声器所获得的Q值、信号幅度、噪声、信噪比SNR、以及相应的归一化等效噪声吸收系数都被列在表1中。实验中采集背景噪声时，将激光器的波长调谐至远离CO₂吸收波长的位置。如表1所示，基于谐振腔#2的单管共轴石英增强光声光谱测声器获得的信号幅值为676 µV，相比于不加谐振腔的大音叉所获得的信号增强了135倍。如图8（b）所示，基于谐振腔#2的单管共轴石英增强光声光谱测声器获得的噪声均方根值为1.22µV，这和基于不加谐振腔的大音叉石英增强光声光谱测声器的噪声1.16 µV相当。计算可知，在探测5% CO₂时，基于谐振腔#2的单管共轴石英增强光声光谱测声器所获得的信噪比为554，积分时间为1s时，探测极限为90 ppmV（体积分数9×10^-5），相应的归一化等效噪声吸收系数（NNEA）为。

由表1可知，基于谐振腔#2的单管共轴石英增强光声光谱测声器相比于基于不加谐振腔的大音叉石英增强光声光谱测声器，信噪比增益为128倍。如此高的信噪比增益得益于单管谐振腔中的声波驻波模式更接近一维声学谐振腔中的驻波模式。而且单管共轴谐振腔配置大大缩短了谐振腔的长度，在基于大音叉的石英增强光声光谱测声器中，单管共轴配置的26mm长的谐振腔就能提供和传统共轴配置的46 mm谐振腔相同的40倍信噪比增益。这意味着若保持相同的信噪比增益，单管共轴配置的谐振腔长度相比于传统共轴配置的谐振腔长度缩短了43%，这促进了基于大音叉的石英增强光声光谱测声器在光束质量较差的光源中的应用，有利于光束准直。

对痕量气体进行检测时，先选定与现有光源的中心波长接近的目标探测线。通过DFB激光器的温控电路锁定激光器温度，通过控制驱动电流，使激光器的波长扫过目标吸收线。具体的是采用二次谐波探测技术，激光器的电流被信号发生器发生的f/2信号频率调制。待测气体被f/2频率的激光激发后，退激发产生的声波信号被谐振频率为f音叉式石英晶振采集并将其转化为相应的电信号。电信号依次经过前置放大器、锁放，然后通过数据采集卡进入计算机系统。数据经过软件计算后，最终将气体浓度信息以人机交互式界面显示在屏幕上。所述的相应软件为本领域技术人员的公知技术，是易于编写的。对某种气体进行测量时，应事先通过已知浓度的标准气进行定标，标定后的装置就能对该种气体进行测量。所述的标定方法为本领域技术人员所公知的技术，所用的前置放大器、锁相放大器均为本领域的常用仪器，有多种型号可供选择，所述的DFB激光器根据待测气体的波长可以方便采购。

本发明的有益效果是：一、设计了一种新型的石英增强光声光谱测声器，借助新型音叉式石英晶振大的振臂间隙特点，将一个完整的单管声学谐振腔插入到音叉式石英晶振的振臂间隙。单管声学谐振腔的两侧开有方孔，使声波通过方孔推动音叉式石英晶振的振臂振动而产生电信号。这种单管的共轴配置大大提高声波耦合效率，提高探测信噪比。二、单管声学谐振腔内部的驻波模式更接近一维声学谐振腔中的声驻波模式，大大缩短了谐振腔的长度，利用光束准直，同时减小了传感器尺寸。

附图说明

图1为单管共轴配置的光声光谱测声器立体结构示意图。

图2为单管共轴配置的光声光谱测声器主视结构示意图。

图3为单管共轴配置的声学谐振腔腰部的侧视结构示意图。

图4为单管共轴配置的声学谐振腔腰部的俯视结构示意图。

图5为采用基于单管共轴石英增强光声光谱测声器的气体探测装置结构示意图。

1-函数发生器，2-激光器驱动板，3-DFB激光器，4-透镜组，5-单管共轴光声光谱测声器，51-入射窗口，52-出射窗口，53-进气口，54-出气口，55-石英增强光声光谱传感组件，56-微型气室，6-功率计，7-机械泵，8-气体流量控制阀，9-压力控制器，10-干燥剂，11-地线，12-第一引脚，13-第二引脚，14-前置放大器，15-锁相放大器，16-带数据采集卡的计算机，17-音叉式石英晶振，18-声学谐振腔，181-腰部，182-方孔。

图6为三种不同直径声学谐振腔的单管共轴石英增强光声光谱测声器的光声信号随着谐振腔（AmR）长度变化的示意图。

图7各种声学谐振腔中的声波压力分布图。其中图（a）为两个分立的声学谐振腔中的声波压力分布。图（b）为传统共轴配置的石英增强光声光谱测声器的谐振腔中声波压力分布。图（c）为单管共轴配置的石英增强光声光谱测声器的谐振腔中声波压力分布。图（d）为间距为0的两个声学谐振腔中的声波压力分布。

图8为本发明具体测量时的结果示意图。其中图（a）为基于三种最优参数谐振腔的单管共轴石英增强光声光谱测声器在探测5%的干燥CO₂时，所获得的二次谐波信号。图（b）为基于单管共轴石英增强光声光谱测声器(谐振腔#2)的噪声与不加谐振腔的大音叉石英增强光声光谱测声器的噪声对比。

图9音叉式石英晶振的主视结构示意图。

具体实施方式

一种单管共轴光声光谱测声器，包括单管共轴石英增强光声光谱传感组件55；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件55包括一个音叉式石英晶振17以及与音叉式石英晶振17相配的一个由不锈钢毛细管制成的声学谐振腔18；所述声学谐振腔18垂直于音叉式石英晶振17的振臂侧面且声学谐振腔18被称为腰部181的中间部分位于音叉式石英晶振17的振臂间隙内；所述声学谐振腔18在位于音叉式石英晶振17的振臂间隙内且与两个振臂的内振动面相对应的腰部181侧壁上开有一对左右对称并均与声学谐振腔18内部连通的方孔182；方孔182的宽度小于音叉式石英晶振17振臂的厚度（振臂厚度沿图1中的x方向）。

当声学谐振腔18的外径小于音叉式石英晶振17的振臂间隙时，所述方孔182直接开在腰部181与两个振臂的内振动面相对的左右两侧壁之上；当声学谐振腔18的外径大于等于音叉式石英晶振17的振臂间隙时，需要对腰部181的左右两侧进行打磨，左右两侧分别打磨后形成一对对称的凹槽结构，使腰部181宽度小于振臂间隙；所述方孔182开在左右两侧打磨后的凹槽处，装配条件是：声学谐振腔内径﹤声学谐振腔腰部的厚度﹤振臂间隙。

所述音叉式石英晶振17采用共振频率为7.2 KHz、振臂间隙为0.8mm的大音叉；音叉式石英晶振17振臂长度、宽度和厚度分别为10mm, 0.9mm和0.25mm；所述声学谐振腔18的长度为25~46mm；所述方孔182的高度为0.2-0.33mm，宽度为0.09mm；声学谐振腔18的中心轴线与音叉式石英晶振17振臂顶端所在水平面的垂直距离为1.2mm。

还包括一个微型气室56，所述微型气室56的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口51和一个出射窗口52；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件55位于微型气室56内部；所述入射窗口51、单管共轴石英增强光声光谱传感组件55和出射窗口52顺次位于同一光路上；所述微型气室56上端靠近入射窗口51一侧的位置设有进气口53；微型气室56的上端靠近出射窗口52一侧的位置设有出气口54；所述音叉式石英晶振17以及声学谐振腔18均通过设于二者下部的支座固定在微型气室56的底部内壁上；音叉式石英晶振17的两个引脚均由微型气室56的底部密封穿出。

一种气体探测装置，包括光源、顺次设在光源出射光路上的透镜组4、单管共轴光声光谱测声器5以及功率计6；所述音叉式石英晶振17的第一引脚12连接到地线11，音叉式石英晶振17的第二引脚13通过前置放大器14连接有一个锁相放大器15；还包括带有数据采集卡的计算机16；所述锁相放大器15的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；还包括函数发生器1，所述函数发生器1的一个信号输出端与光源的驱动端相连接，函数发生器1的另一个信号输出端与锁相放大器15的同步信号输入端相连接；功率计6的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连接；所述入射窗口51、单管共轴石英增强光声光谱传感组件55和出射窗口52位于透镜组的出射光路上。

所述光源包括DFB激光器3以及用于驱动DFB激光器3的激光器驱动板2；所述函数发生器1的信号输出端与激光器驱动板2的调制端口相连接。

微型气室56的进气口53上通过管路顺次连接有压力控制器9和干燥剂10；微型气室56的出气口54上通过管路顺次连接有气体流量控制阀8和机械泵7。

功率计6被放置在光谱测声装置的出射窗口处来探测出射光的功率。

在对某种气体进行测量时，事先通过已知浓度的该种气体对测量装置进行标定，标定后的装置就能对该种气体进行测量。

函数发生器1的一个调制频率为f ₀ 的正弦波送到激光器驱动板2上，激光器驱动板2可以调节控制DFB激光器3的注入电流和温度。DFB激光器3的发射中心波长对应待测气体的目标吸收线。DFB激光器3发出的光经过透镜4进行光学整形后进入光谱测声装置5。其具体过程为，准直光束先穿过由CaF₂制成的入射窗口51，然后进入石英增强光声光谱传感组件（QEPAS）55。所用的石英增强光声光谱传感组件（QEPAS）55为基于单管共轴配置的石英增强光声光谱测声器，如图1所示。由石英增强光声光谱传感组件（QEPAS）55出射的光束通过微型气室56的出射窗口52出射，其中微型气室56的入射窗口51和出射窗口52以约为5°的角度倾斜安装以避免干涉现象发生。由出射窗口52出射的光进入功率计6，对其进行功率探测。微型气室56有一个进气口53和一个出气口54可以保证待测气体可以顺畅进入微型气室56，测量时气体在微型气室56内均匀混合。出气口54与一个带有气体流量控制阀8的机械泵7相连，进气口53顺次和压力控制器9和干燥剂10相连。当机械泵7工作时，外界气体通过干燥剂10干燥除水后被吸入微型气室56，整个气路的压力被压力控制器9控制，气体流速被气体流量控制阀8控制。由DFB激光器3发出的激发光激发待测气体产生声波，声波推动音叉振动进而产生电信号并由引脚13输出。电信号第一步经过前置放大器14进行信号放大和处理，然后送入到锁相放大器15进行二次谐波解调。锁相放大器解调的参考信号来自函数发生器1的同步端口。经过锁放解调的信号送入带有数据采集卡的计算机16，计算机采集并记录数据。

具体应用时，本发明装置可以实时在线的将所测的待测气体浓度并显示在计算机上，具有高精度、便携性强、在线监测的功能。

Claims (6)

1.一种单管共轴光声光谱测声器，其特征在于，包括单管共轴石英增强光声光谱传感组件（55）；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件（55）包括一个音叉式石英晶振（17）以及与音叉式石英晶振（17）相配的一个由不锈钢毛细管制成的声学谐振腔（18）；所述声学谐振腔（18）垂直于音叉式石英晶振（17）的振臂侧面且声学谐振腔（18）被称为腰部（181）的中间部分位于音叉式石英晶振（17）的振臂间隙内；所述声学谐振腔（18）在位于音叉式石英晶振（17）的振臂间隙内且与两个振臂的内振动面相对应的腰部（181）侧壁上开有一对左右对称并均与声学谐振腔（18）内部连通的方孔（182）；方孔（182）的宽度小于音叉式石英晶振（17）振臂的厚度；所述音叉式石英晶振（17）采用共振频率为7.2 KHz、振臂间隙为0.8mm的大音叉；音叉式石英晶振（17）振臂长度、宽度和厚度分别为10 mm, 0.9 mm和0.25 mm；所述声学谐振腔（18）的长度为25~38mm；所述方孔（182）的高度为0.2-0.33mm，宽度为0.09mm；声学谐振腔（18）的中心轴线与音叉式石英晶振（17）振臂顶端所在水平面的垂直距离为1.2mm。

2.如权利要求1所述的单管共轴光声光谱测声器，其特征在于，当声学谐振腔（18）的外径小于音叉式石英晶振（17）的振臂间隙时，所述方孔（182）直接开在腰部（181）与两个振臂的内振动面相对的左右两侧壁之上；当声学谐振腔（18）的外径大于或等于音叉式石英晶振（17）的振臂间隙时，需要对腰部（181）的左右两侧进行打磨，左右两侧分别打磨后形成一对对称的凹槽结构，使腰部（181）宽度小于振臂间隙；所述方孔（182）开在左右两侧打磨后的凹槽处，装配条件是：声学谐振腔内径﹤声学谐振腔腰部的厚度﹤振臂间隙。

3.如权利要求1或2所述的单管共轴光声光谱测声器，其特征在于，还包括一个微型气室（56），所述微型气室（56）的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口（51）和一个出射窗口（52）；所述单管共轴石英增强光声光谱传感组件（55）位于微型气室（56）内部；所述入射窗口（51）、单管共轴石英增强光声光谱传感组件（55）和出射窗口（52）顺次位于同一光路上；所述微型气室（56）上端靠近入射窗口（51）一侧的位置设有进气口（53）；微型气室（56）的上端靠近出射窗口（52）一侧的位置设有出气口（54）；所述音叉式石英晶振（17）以及声学谐振腔（18）均通过设于二者下部的支座固定在微型气室（56）的底部内壁上；音叉式石英晶振（17）的两个引脚均由微型气室（56）的底部密封穿出。

4.一种气体探测装置，其特征在于，包括光源、顺次设在光源出射光路上的透镜组（4）、如权利要求3所述的单管共轴光声光谱测声器（5）以及功率计（6）；所述音叉式石英晶振（17）的第一引脚（12）连接到地线（11），音叉式石英晶振（17）的第二引脚（13）通过前置放大器（14）连接有一个锁相放大器（15）；还包括带有数据采集卡的计算机（16）；所述锁相放大器（15）的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；还包括函数发生器（1），所述函数发生器（1）的一个信号输出端与光源的驱动端相连接，函数发生器（1）的另一个信号输出端与锁相放大器（15）的同步信号输入端相连接；功率计（6）的信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连接；所述入射窗口（51）、单管共轴石英增强光声光谱传感组件（55）和出射窗口（52）位于透镜组（4）的出射光路上。

5.如权利要求4所述的气体探测装置，其特征在于，所述光源包括DFB激光器（3）以及用于驱动DFB激光器（3）的激光器驱动板（2）；所述函数发生器（1）的一个信号输出端与激光器驱动板（2）的调制端口相连接。

6.如权利要求4或5所述的气体探测装置，其特征在于，微型气室（56）的进气口（53）上通过管路顺次连接有压力控制器（9）和干燥剂（10）；微型气室（56）的出气口（54）上通过管路顺次连接有气体流量控制阀（8）和机械泵（7）。