CN109975214A - 一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，属于气体浓度检测领域。激光器控制模块、半导体激光器、准直聚焦透镜组、声波增强与探测模块、控制与数据采集系统及计算机沿光束传播方向设置；激光器控制模块设置半导体激光器的工作温度与电流；半导体激光器输出激光束；准直聚焦透镜组包含两个非球面透镜，声波增强与探测模块包括石英音叉和圆环，半导体激光器输出的激光束聚焦在石英音叉的叉指之间且位于圆环的中心，石英音叉产生压电信号并传输至数据采集系统，控制与数据采集系统对产生的压电信号进行解调与采集并与计算机连接，计算机通过上位机软件进行实时通讯。本发明改善了气体浓度检测灵敏度，增强了传感器系统信号，降低了系统噪声。

Description

一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，属于气体浓度检测领域。

背景技术

石英光声光谱技术是以光声效应为基础的一种气体检测方法，相比于其他类型的光谱技术，它具有灵敏度高、体积小、探测能力强、环境噪声免疫等优点，目前已广泛应用在大气监测以及工业生产等领域中。

在石英光声光谱技术中，可采用增大激光功率或提高声学耦合效率的方法来提高系统的探测能力。在增大激光功率方面，量子级联激光器有着突出的光谱学特性，且覆盖了大量气体分子振转能级的基频吸收，但其缺点是结构复杂，并且高昂的成本限制了该激光器的广泛使用。因此，提高声学耦合效率是改善系统探测能力的一种成本低廉且易于实现的方法。

在现有技术中，多采用石英音叉作为声波探测元件。由于光声信号十分微弱，因此在垂直于石英音叉叉指平面方向上添加与半导体激光束同轴的管状声学共振管，实现声波的增强。按照共振管的形状可以分为共轴型和离轴型。在这两种结构中，激光束均从共振管内经过，在共振管内激发气体分子产生声波，由石英音叉实现对声波的探测。然而，现有的共振管只能对声波场一维方向上(垂直于石英音叉叉指平面方向上，即z方向)进行共振增强，而光声光谱技术中产生的声波场为球面波，因此，现有技术中其他两维方向上(x和y方向)声波场没有得到利用，导致传感器系统探测灵敏度偏低，限制了其实际应用。另外由于目前的共振管并未考虑声波驻波条件，因此为了提高声波增强效果，导致目前采用的共振管内径较小(<1mm)，调节时具有一定的困难，且共振管对激光功率有遮挡，使到达石英音叉叉指之间的激光功率降低，影响了系统信号强度和增大了系统噪声。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，包括激光器控制模块、半导体激光器、准直聚焦透镜组、声波增强与探测模块、控制与数据采集系统以及计算机，所述激光器控制模块、半导体激光器、准直聚焦透镜组、声波增强与探测模块、控制与数据采集系统以及计算机沿光束传播方向依次设置；所述激光器控制模块用于设置半导体激光器的工作温度与电流；所述半导体激光器用于输出激光束；所述准直聚焦透镜组包含两个非球面透镜，所述两个非球面透镜的焦距分别为20-40mm和30-60mm；所述声波增强与探测模块包括石英音叉和圆环，所述石英音叉置于圆环内；所述半导体激光器输出的激光束聚焦在石英音叉的叉指之间且位于圆环的中心，圆环的声阻抗大于100MPa·s·m^-1，石英音叉产生压电信号并将压电信号传输至数据采集系统，所述控制与数据采集系统对产生的压电信号进行解调与采集，并与计算机连接，所述计算机通过上位机软件进行实时通讯。

本发明的一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，包括如下步骤：

步骤一、开启半导体激光器，使其输出激光束，通过激光器控制模块对温度和电流的设定，调节半导体激光器的输出波长，使其完整覆盖气体吸收线；

步骤二、通过控制与数据采集系统对石英音叉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上述激光束；

步骤三、调制后的激光束经过准直聚焦透镜组后从圆环一端入射进圆环中，激光束聚焦在圆环的中心，激发气体分子产生声波；

步骤四、产生的声波传递至圆环的内圆周面并发生全反射，入射声波和反射声波叠加后产生驻波，并形成声波共振，增强产生的声波信号；

步骤五、石英音叉探测到指叉之间的声波信号后产生压电电流信号；

步骤六、产生的压电电流信号传输至控制与数据采集系统并通过计算机的软件进行数据获取与相关计算，得出探测气体的浓度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明石英音叉置于圆环内，进行声波的增强，进而增大石英光声光谱系统电流信号强度，最终改善气体浓度检测灵敏度，声波在圆环内反射增强并形成驻波，增强了传感器系统信号，降低了系统噪声。

附图说明

图1是本发明的石英光声光谱气体浓度检测装置的整体结构示意图；

图2是石英音叉和圆环的连接关系示意图；

图3是图2的左视图；

图4是声波形成驻波共振示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图4所示，本发明公开了一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，包括激光器控制模块1、半导体激光器2、准直聚焦透镜组3、声波增强与探测模块4、控制与数据采集系统5以及计算机6，所述激光器控制模块1、半导体激光器2、准直聚焦透镜组3、声波增强与探测模块4、控制与数据采集系统5以及计算机6沿光束传播方向依次设置；所述激光器控制模块1驱动半导体激光器2，用于设置半导体激光器2的工作温度与电流；所述半导体激光器2用于输出激光束；半导体激光器2输出激光束经过准直聚焦透镜组3后传输至声波探测与增强模块4中，所述准直聚焦透镜组3包含两个非球面透镜，所述两个非球面透镜的焦距分别为20-40mm和30-60mm；所述声波增强与探测模块4置于待测气体环境内，声波增强与探测模块4包括石英音叉41和圆环42，所述石英音叉41置于圆环42内；所述半导体激光器2输出的激光束聚焦在石英音叉41的叉指之间且位于圆环42的中心，圆环42的声阻抗Z2大于100MPa·s·m^-1，声波在环形腔42内反射增强并形成驻波，石英音叉41产生压电信号并将压电信号传输至数据采集系统5，所述控制与数据采集系统5对产生的压电信号进行解调与采集，并与计算机6连接，所述计算机6通过上位机软件进行实时通讯。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述半导体激光器2为近红外连续可调谐单纵模输出的激光器。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述石英音叉41的共振频率范围为20kHz-70kHz，品质因子大于等于10000。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述圆环42的材质为铜。其声阻抗Z2＝420MPa·s·m^-1。圆环42材料可替换为其他声阻抗较大的材料，如钛合金。圆环可替换为其他具有声波反射的谐振腔，如球面腔。

本发明将石英音叉41置于圆环42内，进行声波的增强，进而增大石英光声光谱系统电流信号强度，最终改善气体浓度检测灵敏度。考虑到声压反射率γ，对圆环42的材料进行了选择。声压反射率γ定义为反射波声压pr与入射波声压pi之比，计算式如下所示。

可以看出，圆环材料的声阻抗Z₂越大，声压反射率γ越大。由于Z_铜＝420MPa·s·m^-1，Z_空气＝4×10^-3MPa·s·m^-1，选择铜作为圆环42材料时，声压反射率γ约为100％。

具体实施方式五：本实施方式公开了一种具体实施方式一～具体实施方式四中任一具体实施方式所述的一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，所述检测方法包括如下步骤：

步骤一、开启半导体激光器2，使其输出激光束，通过激光器控制模块1对温度和电流的设定，调节半导体激光器2的输出波长，使其完整覆盖气体吸收线；

步骤二、通过控制与数据采集系统5对石英音叉41的共振频率进行扫描，并用低频的锯齿波和高频的正弦波(频率为石英音叉共振频率的一半)叠加后的信号共同调制上述激光束；

步骤三、调制后的激光束经过准直聚焦透镜组3后从圆环42一端入射进圆环42中，激光束聚焦在圆环42的中心，激发气体分子产生声波；

步骤四、产生的声波传递至圆环42的内圆周面并发生全反射，入射声波与反射声波的传播速度、频率完全相同，但方向相反且满足相位匹配条件，入射声波和反射声波叠加后产生驻波，并形成声波共振，增强产生的声波信号；

调节石英音叉41的相对位置，使得传感器系统信号强度最大；圆环42的半径应满足公式(2)，为了避免声波传输损耗及降低调节难度，n应满足2≤n≤10，本系统中选择的是n＝2，即半径为5.19mm的圆环；

激光束聚焦在石英音叉41的叉指之间，光声效应产生的声波传递至圆环42内表面并发生全反射，入射声波u₁与反射声波u₂的传播速度、频率完全相同，但方向相反。当两列波的相位匹配时，入射声波u₁和反射声波u₂叠加后产生合成波(驻波)，合成波(u_sum)的幅值为原来的2倍。由于声波是向各个方向传递的，多方向的驻波进一步增强空间的共振，声波信号的增强效果将更加明显。

为了满足声波形成驻波，达到共振增强的效果，铜制圆环半径的约束条件如下：

其中，λ_s为声波波长，v为声波速度，f为石英音叉共振频率。以共振频率为f＝32.768kHz的石英音叉为例，在环境温度为15℃条件下，声波速度为340m/s，声波波长为10.38mm。由于石英音叉叉指高度为3.9mm，考虑石英音叉的调节以及声波在空气中的损耗，圆环的内腔半径采用5.19mm(2×10.38/4，n＝2)。石英音叉的叉指厚度为0.62mm，因此圆环的厚度选用1.5mm。

步骤五、石英音叉41探测到指叉之间的声波信号后产生压电电流信号；

步骤六、产生的压电电流信号传输至控制与数据采集系统5并通过计算机6的软件进行数据获取与相关计算，得出探测气体的浓度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种石英光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于：包括激光器控制模块(1)、半导体激光器(2)、准直聚焦透镜组(3)、声波增强与探测模块(4)、控制与数据采集系统(5)以及计算机(6)，所述激光器控制模块(1)、半导体激光器(2)、准直聚焦透镜组(3)、声波增强与探测模块(4)、控制与数据采集系统(5)以及计算机(6)沿光束传播方向依次设置；所述激光器控制模块(1)用于设置半导体激光器(2)的工作温度与电流；所述半导体激光器(2)用于输出激光束；所述准直聚焦透镜组(3)包含两个非球面透镜，所述两个非球面透镜的焦距分别为20-40mm和30-60mm；所述声波增强与探测模块(4)包括石英音叉(41)和圆环(42)，所述石英音叉(41)置于圆环(42)内；所述半导体激光器(2)输出的激光束聚焦在石英音叉(41)的叉指之间且位于圆环(42)的中心，圆环(42)的声阻抗(Z2)大于100MPa·s·m^-1，石英音叉(41)产生压电信号并将压电信号传输至数据采集系统(5)，所述控制与数据采集系统(5)对产生的压电信号进行解调与采集，并与计算机(6)连接，所述计算机(6)通过上位机软件进行实时通讯。

2.根据权利要求1所述的一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，其特征在于：所述半导体激光器(2)为近红外连续可调谐单纵模输出的激光器。

3.根据权利要求1所述的一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，其特征在于：所述石英音叉(41)的共振频率范围为20kHz-70kHz，品质因子大于等于10000。

4.根据权利要求1所述的一种石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，其特征在于：所述圆环(42)的材质为铜。其声阻抗Z2＝420MPa·s·m^-1。

5.一种根据权利要求1-4中任一权利要求所述的石英光声光谱气体浓度检测装置及方法，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：

步骤一、开启半导体激光器(2)，使其输出激光束，通过激光器控制模块(1)对温度和电流的设定，调节半导体激光器(2)的输出波长，使其完整覆盖气体吸收线；

步骤二、通过控制与数据采集系统(5)对石英音叉(41)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上述激光束；

步骤三、调制后的激光束经过准直聚焦透镜组(3)后从圆环(42)一端入射进圆环(42)中，激光束聚焦在圆环(42)的中心，激发气体分子产生声波；

步骤四、产生的声波传递至圆环(42)的内圆周面并发生全反射，入射声波和反射声波叠加后产生驻波，并形成声波共振，增强产生的声波信号；

步骤五、石英音叉(41)探测到指叉之间的声波信号后产生压电电流信号；

步骤六、产生的压电电流信号传输至控制与数据采集系统(5)并通过计算机(6)的软件进行数据获取与相关计算，得出探测气体的浓度。