CN109946266B

CN109946266B - 一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法

Info

Publication number: CN109946266B
Application number: CN201910202212.0A
Authority: CN
Inventors: 马欲飞; 佟瑶; 何应; 乔顺达; 彭江波; 于欣
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: CN109946266A

Abstract

本申请实施例涉及一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、气体吸收池(4)、石英音叉(5)、控制与数据采集系统(6)以及计算机(7)；所述准直透镜的焦距应小于10mm；所述石英音叉为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz‑70kHz，所述石英音叉品质因子大于等于10000；所述石英音叉根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入。本申请检测装置具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。

Description

一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法

技术领域

本申请涉及激光检测领域，具体涉及一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法。

背景技术

光声光谱技术是一种间接吸收光谱技术，近几年因灵敏度高、选择性好、能在线检测等优点广泛应用于痕量气体检测当中。另外，光声光谱传感器的探测性能与激光器的功率有关，即传感器系统探测到的谐波信号幅值与激发气体分子的激光功率成正比。因此光声光谱传感器可以从大功率光源的不断发展中或者从被增强的激光功率中获得益处。

气体传感器在医疗，楼宇自动化，环境监测以及工业制造领域有着广泛的应用。按照检测的物理机制不同，气体检测方法可以分为热导分析法、化学检测法、半导体分析检测法和激光光谱分析法等。

激光吸收光谱式气体检测技术基于比尔-朗伯吸收定律，激光与气体相互作用后获得气体的相关信息。由于具有精度高、响应速度快、稳定性高、可在线测量等优点，目前已成为气体检测领域中重要的手段。石英光声光谱是一种常见的痕量气体检测技术，在该技术中，采用石英音叉作为声波探测元件，激光在石英音叉叉股中与待测气体相互作用，通过压电效应将产生的微弱声波信号转换为电信号，对电信号进行放大解调便可获取气体浓度相关信息。

石英音叉表面镀有银层作为电极，银层是一种具有高反射率的金属膜，例如，当输出波长为1.53μm的激光垂直打在银层上，激光反射率为99.5％，只有0.5％的激光能量透过银层被石英介质吸收，这造成了大量激光能量的损失。因此，提高激光能量的利用率是目前改善石英光热光谱技术探测性能的主要方法之一。

发明内容

本申请实施例提供了一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。

具体的，本申请实施例提供的一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，所述装置包括：

沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块1、半导体激光器2、准直透镜3、气体吸收池4、石英音叉5、控制与数据采集系统6以及计算机7；

所述准直透镜3的焦距应小于10mm；

所述石英音叉5为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz-70kHz，所述石英音叉5品质因子大于等于10000；所述石英音叉5根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉5根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入；

其中，所述激光器控制模块1驱动所述半导体激光器2，所述半导体激光器2输出激光经过所述准直透镜3后穿过所述气体吸收池4，经吸收的输出激光以入射角θ斜入射在所述石英音叉5去除银层的窗口，激光在所述石英音叉5根部内侧实现多次的全反射后从所述窗口射出，所述石英音叉5吸收激光能量并产生光热弹效应，促使所述石英音叉5产生压电信号并将所述压电信号传输至所述控制与数据采集系统6，最后由所述计算机7进行信号解调与后处理获得吸收气体的浓度。

可选的，所述第一尺寸为1-3mm，所述第二尺寸为0.2-0.8mm。

可选的，所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36mm。

可选的，所述窗口面积为0.5-1.5mm²。

可选的，所述窗口面积为1mm²。

可选的，所述音叉式石英晶振4的共振频率为30.72kHz。

可选的，所述入射角θ满足如下关系，0°＜θ≤45°。

本申请实施例提供的一种采用如上所述装置进行气体探测的方法，包括如下步骤：

步骤S102：所述激光器控制模块1通过温度和电流的设定，调节所述半导体激光器2输出波长1.53μm的激光；所述控制与数据采集系统6对所述石英音叉5的共振频率进行扫描，并用低频的锯齿波和高频的正弦波叠加后的信号共同调制激光；

步骤S104：调制后的激光经过所述准直透镜3变成平行光束，穿过所述气体吸收池4传输至所述石英音叉5，并从所述窗口中以入射角θ斜入射至所述石英音叉5中，所述窗口经少量稀硝酸点涂去除表面银层；

步骤S106：由于银层的高反射率，激光在所述石英音叉5内部进行N次全反射后，从所述窗口射出，所述N为大于4的自然数；

步骤S108：入射的激光能量在所述石英音叉5内转换为热能，使所述石英音叉5产生弹性形变，所述石英音叉5具有的压电效应使得所述石英音叉5的弹性形变转换为压电电流信号；

步骤S110：所述石英音叉5产生的压电电流信号传输至所述控制与数据采集系统6，将采集到的数据输入所述计算机7，对数据进行进一步地计算，得出目标探测气体的浓度。

本申请提供一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置至少具有如下有益效果，相比于传统的石英光声光谱技术，石英光热光谱技术实现了气体非接触式远距离测量，也就是说该技术具备在开放环境中进行远距离探测的能力，同时这一特性还减少了待测气体对石英音叉的腐蚀，延长了石英音叉的使用寿命。本申请检测装置具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例所述传感器装置的结构示意图。

图2a是本申请实施例音叉的结构示意图。

图2b是本申请实施例激光在音叉传输结构示意图。

图3是本申请实施例音叉窗口结构示意图。

图4是本申请实施例音叉窗口另一结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述……，但这些……不应限于这些术语。这些术语仅用来将……区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一……也可以被称为第二……，类似地，第二……也可以被称为第一……。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。

下面结合附图详细说明本申请的优选实施例。

光热光谱技术是一种间接的激光吸收光谱技术，当激光能量照射在介质表面并被介质吸收时，与介质热状态相关的参数也发生改变，通过测量变化的物理参数或热力学参数，如温度、压强或折射率，便可得知气体浓度的相关信息。

石英光热光谱的工作过程由三部分组成：(1)经过待测气体吸收的激光打在石英音叉上，极小部分的激光能量被石英音叉吸收；(2)石英音叉将吸收的光能转换为热能，石英介质发生膨胀，进而产生形变，将能量转化为机械能；(3)由于石英音叉具有压电效应，因此会将此机械能转化为电信号，用于后续信号处理。

相比于传统的石英光声光谱技术，石英光热光谱技术实现了气体非接触式远距离测量，也就是说该技术具备在开放环境中进行远距离探测的能力，同时这一特性还减少了待测气体对石英音叉的腐蚀，延长了石英音叉的使用寿命。

如图1和图2所示，本申请设计了一种增大入射激光能量和激光吸收光程的方法来提高石英音叉光热光谱气体检测灵敏度，该方法基于光热光谱技术以及石英音叉光热弹效应。

具体的，本申请实施例提供的一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块1、半导体激光器2、准直透镜3、气体吸收池4、石英音叉5、控制与数据采集系统6以及计算机7。

为保证激光束能100％入射进石英音叉，激光束的直径不应过大，因此，所述准直透镜3的焦距应小于10mm。

所述石英音叉5为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz-70kHz，所述石英音叉5品质因子大于等于10000；所述石英音叉5根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉5根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入。当然窗口也可以开在所述石英音叉5根部厚度侧面，如图4所示。

可选的，所述第一尺寸为1-3mm，所述第二尺寸为0.2-0.8mm。可选的，所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36mm。本申请也可以采用其他尺寸的大的石英音叉。其中，第一尺寸为平行于两股音叉极的方向，第二方向为垂直于两股音叉极的方向，如图3所示。

可选的，所述窗口面积为0.5-1.5mm²。可选的，所述窗口面积为1mm²。

可选的，所述音叉式石英晶振4的共振频率为30.72kHz。

可选的，所述入射角θ满足如下关系，0°＜θ≤45°。例如15°、30°等。

本发明提出的一种增大入射激光能量和激光吸收光程的方法来提高石英音叉光热光谱气体检测灵敏度装置。用少量稀硝酸点涂在石英音叉根部位置，以此除去音叉表面小范围内的银层，由于银层去除面积很小，因此不会对石英音叉的特性产生影响。激光经过待测气体后从石英音叉根部的腐蚀点上以一定的夹角入射，由于此处没有高反射银层的存在，因此激光能量可以达到100％入射。同时，激光束在石英音叉内部进行多次全反射后从腐蚀点出射，由于激光束在音叉内部多次反射，相当于增大了吸收光程，即增大了石英音叉对激光的吸收率。

例如，输出波长为1.53μm的激光束以入射角θ从腐蚀点入射至标准的石英音叉中，将光束等效为直线，由于银的反射率约为99.5％，音叉宽度为1.54mm，当θ＝45°时，可以计算出激光束将经历8次石英-银界面的反射后从腐蚀点出射。相比常见的单次正入射，在这种方案，激光能量全部入射进石英音叉介质中，等效激光能量增大了1/0.5％＝200倍，同时吸收路径长度增大了

倍。综合等效激光能量和吸收路径长度增大倍数，最终传感器的探测性能将会得到

倍的改善。如果减小θ值，激光束在石英音叉内部的反射次(吸收光程)将会继续增大，传感器的探测性能将会进一步提高。

步骤S106：由于银层的高反射率，激光在所述石英音叉5内部进行N次全反射后，从所述窗口射出，所述N为大于4的自然数，优选N为8。

步骤S110：所述石英音叉5产生的压电电流信号传输至所述控制与数据采集系统6，将采集到的数据输入所述计算机7，通过上位机软件LabVIEW对数据进行进一步地计算，得出目标探测气体的浓度。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，其特征在于，所述装置包括：

沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块（1）、半导体激光器（2）、准直透镜（3）、气体吸收池（4）、石英音叉（5）、控制与数据采集系统（6）以及计算机（7）；

所述准直透镜（3）的焦距应小于10 mm；

所述石英音叉（5）为具有压电特性的材料制成，表面镀有银层，其共振频率为20 kHz-70 kHz，所述石英音叉（5）品质因子大于等于10000；所述石英音叉（5）根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉（5）根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入；

其中，所述激光器控制模块（1）驱动所述半导体激光器（2），所述半导体激光器（2）输出激光经过所述准直透镜（3）后穿过所述气体吸收池（4），经吸收的输出激光以入射角θ斜入射在所述石英音叉（5）去除银层的窗口，激光在所述石英音叉（5）根部内侧实现多次的全反射后从所述窗口射出，所述石英音叉（5）吸收激光能量并产生光热弹效应，促使所述石英音叉（5）产生压电信号并将所述压电信号传输至所述控制与数据采集系统（6），最后由所述计算机（7）进行信号解调与后处理获得吸收气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1-3 mm，所述第二尺寸为0.2-0.8 mm。

3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36 mm。

4. 根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为0.5-1.5 mm²。

5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为1 mm²。

6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述石英音叉（5）的共振频率为30.72kHz。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述入射角θ满足如下关系，15°＜θ≤45°。

8.一种采用权利要求1-7任一所述装置进行气体探测的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S102：所述激光器控制模块（1）通过温度和电流的设定，调节所述半导体激光器（2）输出波长1.53 μm的激光；所述控制与数据采集系统（6）对所述石英音叉（5）的共振频率进行扫描，并用低频的锯齿波和高频的正弦波叠加后的信号共同调制激光；

步骤S104：调制后的激光经过所述准直透镜（3）变成平行光束，穿过所述气体吸收池（4）传输至所述石英音叉（5），并从所述窗口中以入射角θ斜入射至所述石英音叉（5）中，所述窗口经稀硝酸点涂去除表面银层；

步骤S106：由于银层的高反射率，激光在所述石英音叉（5）内部进行N次全反射后，从所述窗口射出，所述N为大于4的自然数；

步骤S108：入射的激光能量在所述石英音叉（5）内转换为热能，使所述石英音叉（5）产生弹性形变，所述石英音叉（5）具有的压电效应使得所述石英音叉（5）的弹性形变转换为压电电流信号；

步骤S110：所述石英音叉（5）产生的压电电流信号传输至所述控制与数据采集系统（6），将采集到的数据输入所述计算机（7），对数据进行进一步地计算，得出目标探测气体的浓度。