CN110927066A - 基于h形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法，所述装置包括半导体激光器、激光准直系统、气室、H形共振管、石英音叉、直角棱镜、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口；石英音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过石英音叉的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉的两个叉股相对准。本发明解决目前常用的声学共振管对石英光声光谱痕量气体传感器性能提升较低的问题，可使信号提高1800倍，具有放大倍数高、成本低、体积小等优点。

Description

基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种提升光声光谱传感器性能的装置和方法，具体涉及一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法。

背景技术

基于石英音叉的光声光谱技术是一种高灵敏度的痕量气检测方法，将石英音叉放置在充满目标气体的气室中，可调谐激光穿过气室并激发待测气体，气体吸收激光能量后产生了声波，利用石英音叉的压电效应，音叉将声信号转换成了电信号，通过解调电信号的幅值来反演出气体的浓度。为进一步提高系统的探测性能，设计并添加特殊结构的声学共振管使声波在共振管内形成驻波对声信号进行共振放大，并将音叉放置在声压的波腹位置处从而来提高音叉探测到的信号幅值。目前在基于石英音叉的痕量气体检测系统中通常使用圆形共振管并且共振管的添加方式主要可分为两种，即共轴模式和离轴模式。

共轴模式是指在垂直音叉平面的方向上放置两个共振管，共振管中心轴在一条直线上并垂直穿过音叉的叉股间隙（如图1所示），激光从共振管的一端入射，通过第一个共振管后穿过音叉的叉股间隙，然后从第二个共振管出射，气体吸收激光能量产生的声波会在共振管中形成驻波并增大音叉位置处的声压，从而提高了音叉压电信号的幅值，该系统下可使信号相比于未加共振管时提高30倍。

离轴模式是指在平行音叉平面的方向上放置一个共振管，并在音叉的位置处设置一个开口（如图2所示），激光从共振管中穿过，气体产生的光声信号在共振管内形成驻波，并在开口处形成声压的波腹点，以此增大音叉的压电信号，进而提升了系统的探测性能。

目前在离轴模式下有一种T形结构的声学共振管（如图3所示），激光通过共振管后，气体产生的光声信号在横向管内形成驻波，并在T形交点处形成声压的波腹，最终声波由纵向管收集并传输至音叉的叉股间隙处，从而提高系统的探测信号，该共振管最终可使信号相比于未加共振管时提高30倍。

上述目前常用的两种模式下的共振管对传感系统信号的提升只有几十倍（<50倍），放大倍数较低，限制了传感器的探测性能及实际应用。

发明内容

为了解决目前常用的声学共振管对石英光声光谱痕量气体传感器性能提升较低的问题，本发明利用对声波的二次放大，提供了一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，包括半导体激光器、激光准直系统、气室、H形共振管、石英音叉、直角棱镜、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：

所述H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口；

所述石英音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过石英音叉的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉的两个叉股相对准；

所述直角棱镜放置在H形共振管激光出射一侧；

所述半导体激光器输出激光经激光准直系统准直后传输进入含有待测气体的气室内，激光通过H形共振管的第一横向管后传输至直角棱镜并被反射，反射后的激光传输通过H形共振管的第二横向管；

所述H形共振管内的气体吸收激光能量后产生声波，声波首先在第一横向管和第二横向管中形成驻波对声信号进行放大，并在纵向管与第一横向管和第二横向管的两个交点处形成声压的波腹点，然后声波耦合进入纵向管，进入纵向管的声波在纵向管内再次形成驻波对声信号进行二次放大，并在开口位置处形成声压的波腹点，放大后的声波推动石英音叉振动使石英音叉产生压电电流信号；

所述压电电流信号传输至阻抗放大器放大为电压信号；

所述控制与数据采集系统将探测到的电压信号解调为谐波信号，并在计算机中进行显示、保存及处理。

利用上述装置提升光声光谱传感器性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器电流源控制半导体激光器输出波长和输出功率，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激光；

步骤二：半导体激光器输出的激光首先经过激光准直系统准直后变成一束平行的准直光束，然后传输通过气室中H形共振管的第一横向管；

步骤三：激光经过第一横向管到达直角棱镜后，光路实现180°反转并传输通过H形共振管的第二横向管，激光在第二横向管的管内激发气体，气体产生的光声信号在第一横向管和第二横向管内形成驻波，对声信号进行共振放大；

步骤四：驻波在纵向管与第一横向管与第二横向管的两个交点处形成声压的波腹点，并将放大后的声信号耦合进入纵向管，声波在纵向管内再次形成驻波，对声信号进行二次放大，放大后的声信号在开口位置推动石英音叉进行摆动，从而使石英音叉产生压电电流信号；

步骤五：阻抗放大器将压电效应产生的纳安量级的压电电流信号放大为电压信号，控制与数据采集系统将探测到的电压信号解调为谐波信号，并在计算机中进行显示、保存及处理。

本发明中，H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，纵向管在两个横向管的中点位置对其进行连通，并在纵向管的中点位置处设有两个开口（如图4所示），将音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过音叉的叉股间隙，且音叉的两个叉股放置在纵向管的两个开口位置处。在共振管的一侧放置一个直角棱镜，激光从共振管未放置直角棱镜的一侧入射，通过第一横向管后由直角棱镜反射并传输通过第二横向管（如图5所示），气体吸收激光的能量后产生声波，由于H形共振管的两个横向管与纵向管的尺寸均满足声波产生驻波的条件，因此声波首先在两个横向管中产生驻波对声信号进行一次放大，并在纵向管与横向管的两个交点处形成声压的波腹点，然后声波耦合进入纵向管并在纵向管内再次形成驻波对声信号进行二次放大，纵向管内的声波能够在开口处形成声压的波腹点，从而使音叉受到更大的声压作用，增大音叉产生的压电信号进而提升系统探测性能。根据目前已有的方案可知，共轴模式下的圆形共振管可使信号提升30倍，T形管也可使信号提升30倍，而H形管可以看作是两个T形管与一个共轴圆形管的结合。H形共振管的两个横向管首先对信号分别提升了30倍，然后纵向管再对经横向管放大后的信号再次放大30倍，因此H形共振管最终可使信号提高（30+30）×30=1800倍。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明解决目前常用的声学共振管对石英光声光谱痕量气体传感器性能提升较低的问题，可使信号提高1800倍，具有放大倍数高、成本低、体积小等优点。

附图说明

图1为共轴模式下共振管与音叉的位置关系图，（a）主视图，（b）俯视图；

图2为离轴模式下共振管与音叉的位置关系图，（a）主视图，（b）俯视图；

图3为T形结构声学共振管与音叉的位置关系图，（a）主视图，（b）俯视图；

图4为H形共振管的结构示意图；

图5为H形共振管与音叉的位置关系图，（a）主视图，（b）俯视图；

图6为基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，如图6所示，所述装置包括半导体激光器1、激光准直系统2、气室3、H形共振管4、石英音叉5、直角棱镜6、阻抗放大器7、控制与数据采集系统8、计算机9，其中：

所述H形共振管4包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口（如图4所示）；

所述石英音叉5和H形共振管4放置在含有待测气体的气室3中，纵向管穿过石英音叉5的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉5的两个叉股相对准；

所述直角棱镜6放置在H形共振管4激光出射一侧用来反射激光；

所述控制与数据采集系统8对石英音叉5的共振频率进行扫描，并对半导体激光器1输出波长进行调制；

所述半导体激光器1输出激光经激光准直系统2准直后传输进入含有待测气体的气室3内，激光通过气室3中H形共振管4的第一横向管后传输至直角棱镜6并被反射，反射后的激光传输通过H形共振管4的第二横向管（如图5所示）；

所述H形共振管4内的气体吸收激光能量后产生了声波，由于H形共振管4的两个横向管与纵向管的尺寸均满足声波产生驻波的条件，因此声波首先在H形共振管4的两个横向管中形成了驻波对声信号进行了一次放大，并在纵向管与横向管的两个交点处形成声压的波腹点，然后声波耦合进入纵向管，进入纵向管的声波在纵向管内再次形成驻波对声信号进行二次放大，并在开口位置处形成了声压的波腹点，放大后的声波推动石英音叉5振动使石英音叉5产生压电电流信号，该压电电流信号传输至阻抗放大器7并由控制与数据采集系统8与计算机9进行信号解调与后续处理。

本发明中，半导体激光器1为近红外连续可调谐的单纵模输出的分布反馈式半导体激光器。

本发明中，直角棱镜6的材质为近红外波段损耗较低的BK7玻璃（反射率~4%）。

本发明中，为使声波在H形共振管4的横向管与纵向管中产生驻波，并在其共振管中点位置形成声压的波腹点，两个横向管的长度应等于声波半波长的奇数倍，纵向管的长度应等于声波半波长的偶数倍。

本发明中，H形共振管4的横向管的外径不超过1 mm，纵向管的外径不超过0.8 mm。

本发明中，H形共振管4的纵向管中点开口位置尺寸不大于0.3 mm×0.3 mm。

本发明中，H形共振管4产生的声波最终在纵向管的开口位置处推动石英音叉5摆动，使音叉产生压电电流信号。

本发明中，阻抗放大器7将石英音叉5通过压电效应产生的微弱电流信号放大为电压信号。

本发明中，计算机9连接控制与数据采集系统8，通过软件进行实时控制与信号采集处理。

利用上述装置提升光声光谱传感器性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器电流源控制半导体激光器1输出波长和输出够功率，控制与数据采集系统8对石英音叉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。

步骤二：半导体激光器1输出的激光首先经过激光准直系统2准直后变成一束平行的准直光束，然后传输通过气室3中H形共振管4的第一横向管。

步骤三：激光经过第一横向管到达直角棱镜6后，光路实现180°反转并传输通过H形共振管4的第二横向管，激光在管内激发气体，气体产生的光声信号在两个横向管内形成驻波，对声信号进行共振放大。

步骤四：第一横向管与第二横向管内形成的驻波在纵向管与横向管的两个交点处形成声压的波腹点，并将放大后的声信号耦合进入纵向管，因为纵向管的长度等于声波半波长的偶数倍，满足声波形成驻波的条件，且能够在管的中点处即开口位置形成声压的波腹点，因此声波在纵向管内再次形成驻波，对声信号进行二次放大，放大后的声信号会在开口位置推动石英音叉5进行摆动，从而使石英音叉5产生压电电流信号。

步骤五：阻抗放大器7将压电效应产生的纳安量级的微弱压电电流信号放大为电压信号，控制与数据采集系统8中的锁相放大器将探测到的电压信号解调为谐波信号，并在计算机9中进行显示、保存及处理。

Claims (9)

1.一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述装置包括半导体激光器、激光准直系统、气室、H形共振管、石英音叉、直角棱镜、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：

所述H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口；

所述石英音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过石英音叉的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉的两个叉股相对准；

所述直角棱镜放置在H形共振管激光出射一侧；

所述半导体激光器输出激光经激光准直系统准直后传输进入含有待测气体的气室内，激光通过H形共振管的第一横向管后传输至直角棱镜并被反射，反射后的激光传输通过H形共振管的第二横向管；

所述H形共振管内的气体吸收激光能量后产生声波，声波首先在第一横向管和第二横向管中形成驻波对声信号进行放大，并在纵向管与第一横向管和第二横向管的两个交点处形成声压的波腹点，然后声波耦合进入纵向管，进入纵向管的声波在纵向管内再次形成驻波对声信号进行二次放大，并在开口位置处形成声压的波腹点，放大后的声波推动石英音叉振动使石英音叉产生压电电流信号；

所述压电电流信号传输至阻抗放大器放大为电压信号；

所述控制与数据采集系统将探测到的电压信号解调为谐波信号，并在计算机中进行显示、保存及处理。

2.根据权利要求1所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述半导体激光器为近红外连续可调谐的单纵模输出的分布反馈式半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述直角棱镜的材质为BK7玻璃。

4.根据权利要求1所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述第一横向管和第二横向管的长度应等于声波半波长的奇数倍。

5.根据权利要求1所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述纵向管的长度应等于声波半波长的偶数倍。

6.根据权利要求1或4所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述第一横向管和第二横向管的外径不超过1 mm。

7.根据权利要求1或5所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述纵向管的外径不超过0.8 mm。

8.根据权利要求1所述的基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，其特征在于所述纵向管中点开口位置尺寸不大于0.3 mm×0.3 mm。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置提升光声光谱传感器性能的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器电流源控制半导体激光器输出波长和输出功率，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激光；

步骤二：半导体激光器输出的激光首先经过激光准直系统准直后变成一束平行的准直光束，然后传输通过气室中H形共振管的第一横向管；

步骤三：激光经过第一横向管到达直角棱镜后，光路实现180°反转并传输通过H形共振管的第二横向管，激光在第二横向管的管内激发气体，气体产生的光声信号在第一横向管和第二横向管内形成驻波，对声信号进行共振放大；

步骤四：驻波在纵向管与第一横向管与第二横向管的两个交点处形成声压的波腹点，并将放大后的声信号耦合进入纵向管，声波在纵向管内再次形成驻波，对声信号进行二次放大，放大后的声信号在开口位置推动石英音叉进行摆动，从而使石英音叉产生压电电流信号；

步骤五：阻抗放大器将压电效应产生的纳安量级的压电电流信号放大为电压信号，控制与数据采集系统将探测到的电压信号解调为谐波信号，并在计算机中进行显示、保存及处理。

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