CN110441242A - 基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法 - Google Patents

基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例公开了基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法，该检测系统包括：光源模块、调制模块、会聚模块、光声吸收池模块、金刚石微悬臂梁声学传感器模块、微弱信号放大模块、处理模块以及气体采样和回收模块，其中：上述调制模块和上述会聚模块设置于上述光源模块与上述光声吸收池模块之间，其中，上述光声吸收池模块与上述气体采样和回收模块相连，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块装在上述光声吸收池模块上，上述微弱信号放大模块与上述处理模块相连。从而有效的提高了检测的灵敏度、抗电磁干扰能力、稳定性、可靠性。

Description

基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法
技术领域
本公开的实施例涉及微量气体检测技术领域，具体涉及基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法。
背景技术
气体检测是当前比较热门的技术，已经在工业生产、医学诊断、环境监测、国防、智能电网等领域得到了广泛应用。目前常用的气体检测技术主要分为非光学检测技术和光学检测技术。非光学检测技术主要有气体密度检测技术、电子捕获检测技术、真空负离子捕获技术、紫外电离技术、超声波技术、负电晕放电技术、气敏传感器检测技术、质谱法等。光学检测技术主要有气相色谱法、红外激光成像技术、红外吸收光谱法等。
光声光谱技术是一种间接吸收光谱技术，基于气体光声效应。气体吸收特定波长的光后，被激发至高能态，高能态气体分子通过无辐射跃迁至低能态释放能量，经过调制的光照射后的气体，释放的热量也是周期性的，从而引起气体周期性的膨胀，产生声波。将光声光谱法应用于气体检测领域，有其独特优势：长期稳定性好；检测灵敏度高；不消耗气样，如载气、标气；检测时间短，便于现场检测；适于多种气体成分的检测。传统的光声光谱检测中，通常是用微音器或石英音叉将声波信号转换为电信号的，但微音器的检测灵敏度不太理想，石英音叉抗腐蚀能力不好，无法适用于复杂的工业环境。
发明内容
本公开的一些实施例提出了基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法。
第一方面，本公开的一些实施例提供了一种基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统，该检测系统包括：光源模块、调制模块、会聚模块、光声吸收池模块、金刚石微悬臂梁声学传感器模块、微弱信号放大模块、处理模块以及气体采样和回收模块，其中：上述调制模块和上述会聚模块设置于上述光源模块与上述光声吸收池模块之间，其中，上述光声吸收池模块与上述气体采样和回收模块相连，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块装在上述光声吸收池模块上，上述微弱信号放大模块与上述处理模块相连；上述光源模块用于发射激光；上述调制模块用于调制上述激光；上述会聚模块用于将所调制的激光进行准直会聚；上述气体采样模块用于气体的采样；上述光声吸收池模块用于为所采样的气体与准直会聚后的激光发生光声反应提供场所，其中，上述光声反应产生声波信号；上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块用于确定上述采样的气体与上述准直会聚后的激光是否发生上述光声反应，响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块确定上述采样的气体与上述准直会聚后的激光发生上述光声反应，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块以及将探测到的声波信号转换为电信号以及传送给上述微弱信号放大模块；上述微弱信号放大模块用于将电信号进行放大；上述处理模块用于对上述放大的电信号进行分析跟处理；上述回收模块用于回收与上述准直会聚后的激光未发生上述光声反应的上述采样的气体。
在一些实施例中，上述会聚模块包括第一透镜和第二透镜，其中，上述第一透镜和第二透镜的透镜材料选用CaF2，上述第一透镜的焦距是30mm，上述第二透镜的焦距是20mm。
在一些实施例中，上述光源模块包括光源，其中，上述光源包括以下几种激光器之一：红外量子级联激光器、近红外DFB半导体激光器和带间级联激光器。
在一些实施例中，上述调制模块包括光调制器，上述调制模块采用电流驱动调制，并结合波长调制技术，利用相敏检测技术方法来提高光声光谱信号的灵敏度。
在一些实施例中，上述光声吸收池模块包括光声池，其中，上述光声池包括有第一缓冲室、第二缓冲室、谐振腔、第一光学窗口、第二光学窗口、进气口和出气口；上述光声池采用圆柱形结构和一阶纵向模式的共振光声池。
在一些实施例中，上述微弱信号放大模块包括锁相放大电路。
在一些实施例中，上述处理模块包括计算机。
在一些实施例中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块包括有金刚石微悬臂梁声学传感器，其中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器包括金刚石微悬臂梁和迈克尔逊干涉仪，上述金刚石微悬臂梁采用化学气相淀积法制作，其中，上述化学气相淀积法制作上述金刚石微悬臂梁包括大尺寸单晶金刚石片的制作和金刚石微悬臂梁的制作。
第二方面，本公开的一些实施例提供了一种用于基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统气体检测的方法，该方法包括：金刚石微悬臂梁声学传感器确定进入光声吸收池的采样气体与射入上述光声吸收池的激光是否发生光声反应；响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光发生上述光声反应，其中，上述光声反应产生声波信号，上述金刚石微悬臂梁声学传感器将探测到的上述声波信号转换为电信号，以及传入锁相放大器，其中，上述锁相放大器将上述电信号放大，传入计算机中进行分析处理，其中，上述计算机得到上述采样气体的检测结果；响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光未发生上述光声反应，则上述采样气体经上述光声吸收池的出气口进入到气体回收装置。
本公开的一些实施例提供的基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统和方法，该检测系统包括：光源模块、调制模块、会聚模块、光声吸收池模块、金刚石微悬臂梁声学传感器模块、微弱信号放大模块、处理模块以及气体采样和回收模块，其中：上述调制模块和上述会聚模块设置于上述光源模块与上述光声吸收池模块之间，其中，上述光声吸收池模块与上述气体采样和回收模块相连，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块装在上述光声吸收池模块上，上述微弱信号放大模块与上述处理模块相连；上述光源模块用于发射激光；上述调制模块用于调制上述激光；上述会聚模块用于将所调制的激光进行准直会聚；上述气体采样模块用于气体的采样；上述光声吸收池模块用于为所采样的气体与准直会聚后的激光发生光声反应提供场所，其中，上述光声反应产生声波信号；上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块用于确定上述采样的气体与上述准直会聚后的激光是否发生上述光声反应，响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块确定上述采样的气体与上述准直会聚后的激光发生上述光声反应，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块以及将探测到的声波信号转换为电信号以及传送给上述微弱信号放大模块；上述微弱信号放大模块用于将电信号进行放大；上述处理模块用于对上述放大的电信号进行分析跟处理；上述回收模块用于回收与上述准直会聚后的激光未发生上述光声反应的上述采样的气体。从而有效的提高了检测的灵敏度、抗电磁干扰能力、稳定性、可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本公开的基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统的一些实施例的结构示意图；
图2是基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统的一些实施例的工作原理图；
图3是金刚石微悬臂梁外形示意图；
图4是金刚石微悬臂梁传感器的示意图；
图5是根据本公开的用于基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统气体检测的方法的一些实施例的流程图；
图6是采用圆柱形结构和一阶纵向模式的声学共振式光声池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
图1示出了本公开的基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统的一些实施例的结构示意图100。
如图1所示，上述系统可以包括光源模块101、调制模块102、会聚模块103、光声吸收池模块104、金刚石微悬臂梁声学传感器模块105、微弱信号放大模块106、处理模块107、气体采样模块108和回收模块109。在一些实施例中，如图1所示，上述调制模块102和上述会聚模块103设置于上述光源模块101与上述光声吸收池模块104之间。上述光声吸收池模块104与上述气体采样模块108和回收模块109相连。上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105通过螺母紧固的方式装在上述光声吸收池模块104上。上述微弱信号放大模块106与上述处理模块107相连。
在本实施例中，上述光源模块101用于发射激光。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述光源模块101包括光源。其中，上述光源包括以下几种激光器之一：红外量子级联激光器、近红外DFB半导体激光器和带间级联激光器。
在一些实施例中，上述调制模块102用于调制上述激光。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述调制模块102包括光调制器。上述调制模块102采用电流驱动调制，并结合波长调制技术，利用相敏检测技术方法来提高光声光谱信号的灵敏度。
在一些实施例中，上述会聚模块103用于将所调制的激光进行准直会聚。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述会聚模块103包括第一透镜和第二透镜。其中，上述第一透镜和第二透镜的透镜材料选用CaF2。上述第一透镜的焦距是30mm。上述第二透镜的焦距是20mm。
在一些实施例中，上述气体采样模块108用于气体的采样。例如气体采样模块108采样的气体为SF6。
在一些实施例中，上述光声吸收池模块104用于为所采样的气体与准直会聚后的激光发生光声反应提供场所。其中，上述光声反应产生声波信号。上述光声反应是指气体分子无辐射跃迁产生的声波信号的反应。无辐射跃迁是指原子将激发所得的能量通过原子碰撞等形式交给周围环境(晶格)的过程。原子发射或吸收光子而从一个能级改变到另一个能级，则称为辐射跃迁。只有在原子的两个能级满足辐射跃迁选择定则的情况下，才能够在这两个能级间产生辐射跃迁。换句话说，原子发射或吸收光子，只能出现在某些特定能级之间。如果原子只是通过与外界碰撞的过程或其它与外界进行能量交换的过程而从一个能级改变到另一个能级，既不发射也不吸收光子，则称为无辐射跃迁。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述光声吸收池模块104包括光声池。如图6所示，其中光声池采用圆柱形结构和一阶纵向模式的声学共振式光声池。上述光声池包括有第一缓冲室601、第二缓冲室602、谐振腔603、声传感器604、第一光学窗口605、第二光学窗口606、进气口607和出气口608。上述谐振腔603采用圆柱形空腔式谐振腔。
在一些实施例中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105用于确定上述采样的气体与上述准直会聚后的激光是否发生上述光声反应。其中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105包括金刚石微悬臂梁跟声传感器。上述声传感器可以是超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块确定105上述采样的气体与上述准直会聚后的激光发生上述光声反应，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105以及将探测到的声波信号转换为电信号以及传送给上述微弱信号放大模块106。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105包括有金刚石微悬臂梁声学传感器。其中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器包括金刚石微悬臂梁和迈克尔逊干涉仪。上述金刚石微悬臂梁声学传感器用化学气相淀积法制作。其中，上述化学气相淀积法制作上述金刚石微悬臂梁包括大尺寸单晶金刚石片的制作和金刚石微悬臂梁的制作。
在一些实施例中，上述微弱信号放大模块106用于将电信号进行放大。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述微弱信号放大模块106包括锁相放大电路。
在一些实施例中，上述处理模块107用于对上述放大的电信号进行分析跟处理。
在一些实施例的一些可选的实现方式中，上述处理模块107包括计算机。
在一些实施例中，上述回收模块109用于回收与上述准直会聚后的激光未发生上述光声反应的上述采样的气体。
作为示例，上述光源模块101发射了一束激光，进入上述调制模块102。经过该调制模块102调制后射入上述会聚模块103。经该会聚模块103将上述激光进行准直会聚后入射上述光声池模块104。上述气体采样模块108采样到SF6气体。上述SF6气体进入到上述光声池模块104。上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105确定在上述光声池模块104内的上述SF6气体与上述进行准直会聚后的激光是否发生了光声反应。如果上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105确定在上述光声池模块104内发生了光声反应，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器模块105将探测到的上述光声反应产生的声波信号转换为电信号传给上述微弱信号放大模块106。上述电信号是由以下步骤产生的：气体分子吸收特定波长的调制光，由基态激发到高能态；处于高能态的分子通过分子碰撞，将吸收的光能通过无辐射跃迁转变为碰撞分子的平动动能，以热的方式释放吸收的能量，使气体受热(周期性)；受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同)；高灵敏度的金刚石微悬臂梁感应出与调制频率相同的气室压力周期性的变化，转化为电信号。上述微弱信号放大模块106对上述电信号进行放大，以及传给与之相连的上述处理模块107。上述处理模块107将上述放大的电信号进行分析处理生成上述声波信号的信息，进而分析生成SF6气体的浓度。
电力设备通常是在强电磁环境下工作的，并且SF6气体中部分成分具有极强腐蚀性。传统方法中常用微音器、石英音叉和硅悬臂梁来检测SF6气体的声波信号，但其在灵敏度、耐腐蚀性和抗电磁干扰性等方面都不能同时很好的满足需求，而金刚石具有低密度、高弹性模量、高强度、高热导率、化学惰性和生物相容性等优异特性。它的硬度、杨氏模量、刚度和断裂强度都超过了常用于MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)和传感器的Si、Si3N4和SiC。较高断裂韧性和较高杨氏模量赋予金刚石微悬臂梁更高的弹簧力常数，高出硅悬臂梁梁约10倍。而用金刚石来做悬臂梁就能很好的解决这些问题。基于金刚石微悬臂梁增强型光声光谱气体检测系统检测灵敏度更高，可靠性更好，抗电磁干扰能力强，能够适用于更加复杂的工业环境，适用范围也更广。
继续参考图2，示出了基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统的一些实施例的工作原理图200。
如图2所示，上述基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统可以包括光源201、分束器202、平面镜203、光电检测器204、金刚石微悬臂梁205、锁相放大器206和谐振腔207。其中，分束器202是一面半透半反镜。
在一些实施例中，上述分束器202与平面镜203成45度角放置。上述分束器202与上述光源201按预定距离、角度放置。上述分束器202与上述光电检测器204按预定距离、角度放置。上述分束器202与上述金刚石微悬臂梁205按预定距离、角度放置。上述金刚石微悬臂梁205与上述谐振腔207按预定距离、角度放置。上述光电检测器204与上述锁相放大器206按预定距离、角度放置。
在一些实施例中，采用上述金刚石微悬臂梁和迈克尔逊干涉仪构成的金刚石微悬臂梁声学传感器增强型光声光谱气体检测系统来检测气体。具体的：上述光源201发射的一束激光经上述分束器202，被反射后入射到上述平面镜203，之后被反射回上述分束器202，之后透射过上述分束器202被上述光电检测器204接收。上述光源201发射的另一束激光透射过上述分束器202后，入射到金刚石微悬臂梁205，被反射回上述分束器202后被反射到上述光电检测器204。上述光电检测器204与上述锁相放大器206相连。
作为示例，上述金刚石微悬臂梁205确定上述谐振腔207内的采样气体SF6与上述光源201发射的另一束激光是否发生光声反应。响应于上述金刚石微悬臂梁205确定发生上述光声反应，则上述金刚石微悬臂梁205探测到上述光声反应产生的声波信号，以及引起上述金刚石微悬臂梁205的震动。进而使入射到上述金刚石微悬臂梁205后最后被反射到上述光电检测器204的上述光源201发射的另一束激光的光程差产生变化。进而使上述光电检测器204上的干涉条纹的分布发生变化，造成上述光电检测器204输出的电信号发生变化，即空间部分的光电信号强度发生了变化。上述电信号被上述锁相放大器206放大后，被传入计算机。通过计算机分析处理后生成上述声波信号的信息，进而分析生成SF6气体的浓度。通过光声光谱法，气体浓度反映到激光激发的声波强度的大小。强度越小说明激光吸收的强度越高，该特征气体浓度越高。光声光谱法一种基于光声效应发展起来的光谱技术。
继续参考图3，示出了金刚石微悬臂梁外形示意图。
如图3所示，图为金刚石微悬臂梁的外形示意图。采用化学气相淀积法制作金刚石微悬臂梁。
首先，大尺寸单晶金刚石片的制备：利用微波等离子体化学气相沉淀设备，以高温高压法制备的金刚石单晶为衬底，以甲烷为碳源，生长金刚石单晶薄膜，调节生长过程中的衬底温度、氢气和甲烷流量、生长室压强等工艺条件，制备出高质量的金刚石单晶薄膜。薄膜厚度达到500μm以上，尺寸大于10×10mm2。利用激光切割技术，将化学气相淀积法的金刚石单晶薄膜从衬底上分离，成为自支撑化学气相淀积法的金刚石单晶片。将该单晶片进行双面抛光，使其表面光滑，且厚度均匀。激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。
其次，金刚石微悬臂梁的制作：拟用干法刻蚀工艺，制作单晶金刚石微悬臂梁。利用耦合反应离子束刻蚀(ICP)设备，以氧气和氩气混合气为工艺气体，以AI薄膜作为干刻模板。干法刻蚀技术是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。耦合反应是指两个或以上的个体通过相互作用而彼此影响从而联合起来产生增力的现象。离子束刻蚀以离子束为刻蚀手段达到刻蚀目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。具体步骤如下：
①光刻图形：在金刚石片表面，利用金属热蒸发工艺，蒸镀金属铝薄膜。金属热蒸发工艺是指在高真空下，采用电阻式蒸发原理，利用大电流在蒸发舟上加热所蒸镀材料，使其在高温下熔化蒸发，从而在样品金属上沉积所需要的薄膜的工艺。并利用光刻工艺，在AI薄膜上光刻出长6mm×宽6mm的图形。采用湿法刻蚀工艺，首先将图形表面涂上光刻胶，之后将图形表面AI薄膜刻蚀掉，露出金刚石表面，最后去除光刻胶。湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术。主要在较为平整的膜面上刻出绒面，从而增加光程，减少光的反射。光刻工艺是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。光刻胶是微电子技术中微细图形加工的关键材料之一。光刻胶的技术复杂，品种较多。根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶。反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。
②悬臂梁薄膜制备：将上述图形衬底放入上述ICP设备，利用氧气和氩气等等离子刻蚀金刚石，将上述图形处金刚石厚度刻蚀到6μm，去除AI金属膜。等离子刻蚀是暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。
③悬臂梁和框架分离：在图形金刚石背面蒸镀AI金属薄膜，利用光刻技术，在上述图形边界处刻蚀出20μm的AI薄膜狭缝。将此样品转移至上述ICP设备，进一步刻蚀金刚石，将狭缝处金刚石全部刻蚀掉，使得金刚石微悬臂梁膜与金刚石框架分离，得到完整的金刚石微悬臂梁及金刚石框架结构。其中，如图3所示，金刚石微悬臂梁的长度可以为L，L的取值通常为2mm-6mm。上述金刚石微悬臂梁的宽度可以为h，h的取值通常为1.5mm-6mm。上述金刚石微悬臂梁的厚度可以为d，d的取值通常为300μm-500μm。上述金刚石微悬臂梁与框架之间的间隔可以为m，m的取值通常为5μm-30μm。
继续参考图4，示出了金刚石微悬臂梁传感器的示意图。
如图4所示，首先此为金刚石微悬臂梁传感器的示意图。如图4所示，416为谐振腔，417为金刚石微悬臂梁。
继续参考图5，示出了本公开的用于基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统气体检测的方法的一些实施例的流程图500。该方法可以包括以下步骤：
步骤501，金刚石微悬臂梁声学传感器确定进入光声吸收池的采样气体与射入该光声吸收池的激光是否发生光声反应。
在一些实施例中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器包括金刚石微悬臂梁。上述金刚石微悬臂梁探测的通常是声波信号。如果上述金刚石微悬臂梁探测到了上述声波信号，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器通常可以确定进入上述光声吸收池的上述采样气体与射入上述光声吸收池的上述激光发生光声反应。如果上述金刚石微悬臂梁未探测到上述声波信号，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器通常可以确定进入上述光声吸收池的上述采样气体与射入上述光声吸收池的上述激光未发生光声反应。其中，上述光声反应产生上述声波信号。
作为示例，采样气体为SF6进入到上述光声吸收池。光源为红外量子级联激光器。由上述红外量子级联激光器发射的一束激光经调制会聚后射入到上述光声吸收池。上述金刚石微悬臂梁通过探测有无声波信号，进而上述金刚石微悬臂梁声学传感器常常可以确定上述光声吸收池内SF6气体与上述调制会聚后射入到上述光声吸收池的上述一束激光是否发生上述光声反应。如果上述金刚石微悬臂梁通过探测有上述声波信号，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器常常可以确定上述光声吸收池内SF6气体与上述调制会聚后射入到上述光声吸收池的上述一束激光发生了上述光声反应。如果上述金刚石微悬臂梁通过未探测到上述声波信号，则上述金刚石微悬臂梁声学传感器常常可以确定上述光声吸收池内SF6气体与上述调制会聚后射入到上述光声吸收池的上述一束激光未发生上述光声反应。
步骤502，响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光发生上述光声反应，上述金刚石微悬臂梁声学传感器将探测到的上述光声反应产生的声波信号转换为电信号，以及传入锁相放大器，其中，上述锁相放大器将上述电信号放大，传入计算机中进行分析处理，其中，上述计算机生成上述采样气体的检测结果。
在一些实施例中，经上述步骤501，上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光发生上述光声反应，进而上述金刚石微悬臂梁声学传感器将探测到的上述光声反应产生的声波信号转换为电信号。上述电信号是由以下步骤产生的：气体分子吸收特定波长的调制光，由基态激发到高能态；处于高能态的分子通过分子碰撞，将吸收的光能通过无辐射跃迁转变为碰撞分子的平动动能，以热的方式释放吸收的能量，使气体受热(周期性)；受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同)；高灵敏度的金刚石微悬臂梁感应出与调制频率相同的气室压力周期性的变化，转化为电信号。将该电信号传入到锁相放大器。进而由上述锁相放大器中型号为ADUC7026AD的集成放大电路将上述电信号放大以后传入计算机中进行分析处理。从而生成上述采样气体的检测结果。检测结果包括气体的浓度与种类。
作为示例，上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定SF6与上述激光发生光声反应，上述金刚石微悬臂梁声学传感器探测到了声波信号，进而将上述声波信号转换为电信号，上述电信号是由以下步骤产生的：气体分子吸收特定波长的调制光，由基态激发到高能态；处于高能态的分子通过分子碰撞，将吸收的光能通过无辐射跃迁转变为碰撞分子的平动动能，以热的方式释放吸收的能量，使气体受热(周期性)；受热气体膨胀产生热声波(频率与调制光源频率相同)；高灵敏度的金刚石微悬臂梁感应出与调制频率相同的气室压力周期性的变化，转化为电信号。将该电信号传入到锁相放大器。由上述锁相放大器中型号为ADUC7026AD的集成放大电路将上述电信号放大。然后传入到计算机中进行分析处理。从而生成上述SF6气体的浓度与种类。
步骤503，响应于上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光未发生上述光声反应，则上述采样气体经上述光声吸收池的出气口进入到气体回收装置。
在一些实施例中，上述金刚石微悬臂梁声学传感器确定上述采样气体与上述激光未发生上述光声反应。经上述步骤501，可以确定上述金刚石微悬臂梁声学传感器包括金刚石微悬臂梁。通过上述金刚石微悬臂梁未探测到声波信号，上述金刚石微悬臂梁声学传感器通常可以确定上述采样气体与上述激光未发生上述光声反应。因此，上述采样气体则会由上述光声吸收池的出气口进入到气体回收装置。气体回收装置用来对气体进行回收处理。
作为示例，通过上述金刚石微悬臂梁未探测到声波信号，上述金刚石微悬臂梁声学传感器通常可以确定上述SF6气体与上述激光未发生上述光声反应。则上述SF6气体会由上述光声吸收池的出气口进入到气体回收装置。
以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：光源模块、调制模块、会聚模块、光声吸收池模块、金刚石微悬臂梁声学传感器模块、微弱信号放大模块、处理模块以及气体采样和回收模块，其中：
所述调制模块和所述会聚模块设置于所述光源模块与所述光声吸收池模块之间，其中，所述光声吸收池模块与所述气体采样和回收模块相连，所述金刚石微悬臂梁声学传感器模块装在所述光声吸收池模块上，所述微弱信号放大模块与所述处理模块相连；
所述光源模块用于发射激光；
所述调制模块用于调制所述激光；
所述会聚模块用于将所调制的激光进行准直会聚；
所述气体采样模块用于气体的采样；
所述光声吸收池模块用于为所采样的气体与准直会聚后的激光发生光声反应提供场所，其中，所述光声反应产生声波信号；
所述金刚石微悬臂梁声学传感器模块用于确定所述采样的气体与所述准直会聚后的激光是否发生所述光声反应，响应于所述金刚石微悬臂梁声学传感器模块确定所述采样的气体与所述准直会聚后的激光发生所述光声反应，则所述金刚石微悬臂梁声学传感器模块以及将探测到的声波信号转换为电信号以及传送给所述微弱信号放大模块；
所述微弱信号放大模块用于将电信号进行放大；
所述处理模块用于对所述放大的电信号进行分析跟处理；
所述回收模块用于回收与所述准直会聚后的激光未发生所述光声反应的所述采样的气体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述会聚模块包括第一透镜和第二透镜，其中，所述第一透镜和第二透镜的透镜材料选用CaF2，所述第一透镜的焦距是30mm，所述第二透镜的焦距是20mm。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源模块包括光源，其中，所述光源包括以下几种激光器之一：红外量子级联激光器、近红外DFB半导体激光器和带间级联激光器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调制模块包括光调制器，所述调制模块采用电流驱动调制，并结合波长调制技术，利用相敏检测技术方法来提高光声光谱信号的灵敏度。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光声吸收池模块包括光声池，其中，所述光声池包括有第一缓冲室、第二缓冲室、谐振腔、第一光学窗口、第二光学窗口、进气口和出气口；所述光声池采用圆柱形结构和一阶纵向模式的共振光声池。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微弱信号放大模块包括锁相放大电路。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块包括计算机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金刚石微悬臂梁声学传感器模块包括有金刚石微悬臂梁声学传感器，其中，所述金刚石微悬臂梁声学传感器包括金刚石微悬臂梁和迈克尔逊干涉仪，所述金刚石微悬臂梁采用化学气相淀积法制作，其中，所述采用化学气相淀积法制作所述金刚石微悬臂梁包括大尺寸单晶金刚石片的制作和金刚石微悬臂梁的制作。
9.一种用于如权利要求1-7之一所述的基于金刚石微悬臂梁的气体检测系统气体检测的方法，所述方法包括：
金刚石微悬臂梁声学传感器确定进入光声吸收池的采样气体与射入所述光声吸收池的激光是否发生光声反应；
响应于所述金刚石微悬臂梁声学传感器确定所述采样气体与所述激光发生所述光声反应，所述金刚石微悬臂梁声学传感器将探测到的所述光声反应产生的声波信号转换为电信号，以及传入锁相放大器，其中，所述锁相放大器将所述电信号放大，传入计算机中进行分析处理，其中，所述计算机生成所述采样气体的检测结果；
响应于所述金刚石微悬臂梁声学传感器确定所述采样气体与所述激光未发生所述光声反应，则所述采样气体经所述光声吸收池的出气口进入到气体回收装置。
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