CN111220551A - 基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置及方法，所述装置包括激光器、激光准直系统、气室、第一石英音叉、第二石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：激光器经过控制与数据采集系统调制后输出激光，经激光准直系统后入射到气室内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室出射并照射在第一石英音叉上；第一石英音叉吸收出射激光能量发生周期性的弹性形变进而产生振动，第二石英音叉产生共同振动，从而产生电流信号；阻抗放大器将电流信号放大为电压信号；控制与数据采集系统和计算机对放大后的电压信号进行采集和处理，反演出探测气体的浓度。本发明避免了热噪声源，减小了系统内噪声的引入。

Description

基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光热光谱痕量气体检测装置及方法，具体涉及一种基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置及方法。

背景技术

基于石英音叉的光热光谱技术是一种是利用石英晶体材料光吸收特性的痕量气体检测技术，因其具有探测灵敏度高、响应速度快、选择性好、可在线监测等优点而被广泛应用。对于传感器而言，检测极限是其最重要的指标，是关乎能否满足应用的决定性因素，而检测极限又是由系统信噪比所决定的。因此，减少光热光谱系统噪声水平、进而提升系统信噪比是改善光热光谱传感器探测性能的有效手段。

基于石英音叉的光热光谱技术是一种高灵敏度的痕量气体检测技术，将石英音叉置于充满待测气体的气室外，可调谐激光经过准直后入射到气室内激发待测气体，气体吸收激光的部分能量，然后激光出射气室照射在石英音叉上，石英音叉吸收出射激光的剩余能量，并在音叉中产生光吸收-热膨胀-弹性形变的转换，由于激光受到调制，因此照射在音叉的激光能量会发生周期性的变化，也就使音叉产生了周期性的弹性形变进而产生了振动，当激光的调制频率与音叉的共振频率相等时，音叉会对该振动产生共振放大，从而使音叉有更大的振动幅度。由于石英音叉具有压电效应，因此石英音叉的弹性形变会使音叉产生电流信号，对该电流信号进行解调即可反演出气体浓度。

在基于石英音叉的光热光谱痕量气体检测技术中，激光经过气室激发待测气体后照射在石英音叉上，激光在使音叉产生光热信号的同时也使加剧了音叉自身的热噪声，在光热光谱技术中，光热信号的大小与激光功率成正比，即：

（1）；

式中，S是光热信号幅值，P是激光功率，k是系统常数。因此，采用高功率的激光器可使光热光谱传感系统获得大的信号强度。

但在光热光谱技术中，音叉热噪声大小与激光功率成指数关系，即：

（2）。

因此随着激光功率的增大，热噪声比信号有更大的增长速率，系统的信噪比将随着激光功率的增大而逐渐降低，这使得光热光谱痕量气体传感器不能从更高的激光功率中获得益处，限制了通过采用增大激光器激发功率来实现传感器性能的提升。

发明内容

为了解决目前光热光谱技术在大激光功率激发下系统信噪比低，传感器性能不能从激光功率增大的方法中得到提升的问题，本发明利用音叉共鸣的原理，提供了一种基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，包括激光器、激光准直系统、气室、第一石英音叉、第二石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：

所述控制与数据采集系统对激光器输出波长进行调制；

所述激光器经过调制后输出激光，经激光准直系统准直后入射到气室内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室出射并照射在第一石英音叉上；

所述第一石英音叉吸收出射激光能量发生周期性的弹性形变进而产生振动，放置在第一石英音叉左侧或右侧的第二石英音叉在第一石英音叉的振动带动下产生共同振动，从而产生电流信号；

所述阻抗放大器将第二石英音叉产生的电流信号放大为电压信号；

所述控制与数据采集系统对电压信号进行采集；

所述计算机对控制与数据采集系统采集的信号进行处理，反演出探测气体的浓度。

一种利用上述装置进行基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：激光器电流源控制激光器的输出波长和输出功率，控制与数据采集系统对第一石英音叉与第二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：激光器输出的激光首先经过激光准直系统变成一束平行的准直光束，然后传输入射到含有待测目标气体的气室内激发待测目标气体；

步骤三：激光激发气体后传输出射气室并照射在第一石英音叉上，第一石英音叉吸收出射激光的能量后会伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动；

步骤四：在第一石英音叉左侧或者右侧放置第二石英音叉，根据共鸣原理，第二石英音叉随着第一石英音叉共同振动；

步骤五：阻抗放大器将第二石英音叉产生的电流信号放大为电压信号；

步骤六：控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。

共鸣是指两个发声频率相同的物体，如果彼此相隔不远，那么使其中一个发声，另一个也跟着发声现象。本发明提出的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测技术中，由于音叉会在激光的作用下发生共振振动，在该音叉的左侧或者右侧放置另一个与其共振频率相同的音叉，根据共鸣原理，第二个音叉会跟随第一个音叉产生振动。由于第二个音叉没有受到激光照射，所以热噪声很小，甚至可以忽略，并且可通过增加照射第一个音叉的激光功率使第二个音叉有更大的共振信号，但不会增加其热噪声的大小。通过测量第二个音叉产生的共振信号作为系统的探测信号，进而可以提高光热光谱系统的信噪比，最终改善传感器的系统性能。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明利用音叉共鸣的原理，提出了一种基于音叉激光分离式光热光谱痕量气体检测装置及方法，即第一个石英音叉用于接收激光功率，第二个石英音叉通过共鸣原理产生振动，测量第二个石英音叉上所产生的信号与噪声即可获得传感器的信噪比。

2、本发明的检测装置具有噪声免疫、灵敏度高、成本低等优点。

3、本发明的检测方法避免了热噪声源，减小了系统内噪声的引入。

附图说明

图1为本发明基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置的结构示意图；

图2为第一石英音叉和第二石英音叉的位置关系图。

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音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，如图1所示，所述检测装置包括激光器1、激光准直系统2、气室3、第一石英音叉4、第二石英音叉5、阻抗放大器6、控制与数据采集系统7、计算机8。经过调制的激光器1输出激光，经激光准直系统2后入射到气室3内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室3出射并照射在第一石英音叉上4，第一石英音叉4吸收出射激光能量发生弹性形变，由于激光受到调制，所以第一石英音叉4会发生周期性的弹性形变进而产生了振动，在第一石英音叉4左侧或右侧放置第二石英音叉5，根据共鸣原理，由于第一石英音叉4与第二石英音叉5频率相同，因此第一石英音叉4振动会带动第二石英音叉5共同振动，从而使第二石英音叉5因压电效应产生电流信号，该电流信号传输至阻抗放大器6放大为电压信号后由控制与数据采集系统7与计算机8进行解调与后续处理。

本发明中，激光器1可以为半导体激光器或其他波段的可调谐激光器。

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

本发明中，为提高系统信噪比可使用大功率激光光源或对激光的功率进行放大，激光功率应＞10 mW。

本发明中，第一石英音叉4与第二石英音叉5共振频率范围为20 ~70 kHz，且两者共振频率应接近相同，频率差＜0.1 Hz。

本发明中，第二石英音叉5放置在第一石英音叉4的左侧或者右侧，两者处于等高的同一条直线上，且相距不超过5 mm（如图2所示）。

本发明中，为使第一石英音叉4有更大的振动幅度，激光应照射在第一石英音叉4叉股的根部位置（如图2所示），在相同的激光功率下，该位置处可使音叉产生更大的弹性形变。

本发明中，第二石英音叉5的等效阻抗值应小于200 kΩ，以此尽可能消除其本身的电子噪声。

本发明中，采用波长调制与二次谐波解调技术来减小系统的噪声，控制与数据采集系统7对激光器输出波长进行调制，调制频率应该等于第一石英音叉4共振频率的一半。

本发明中，计算机8连接控制与数据采集系统7，通过软件进行实时控制与信号采集处理。

利用上述装置进行基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测的具体实现过程如下：

步骤一：半导体激光器电流源控制激光器1的输出波长和输出功率，控制与数据采集系统7对第一石英音叉4与第二石英音叉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：激光器1输出的激光首先经过激光准直系统2变成一束平行的准直光束，然后传输入射到含有待测目标气体的气室3内激发待测目标气体。

步骤三：激光激发气体后传输出射气室3并照射在第一石英音叉4上，第一石英音叉4由于吸收出射激光的能量后会伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动。

步骤四：在第一石英音叉4左侧或者右侧放置第二石英音叉5，根据共鸣原理，由于第一石英音叉4与第二石英音叉5共振频率相同，因此第二石英音叉5会随着第一石英音叉4共同振动。

步骤五：阻抗放大器6将第二石英音叉5产生的电流信号放大为电压信号。

步骤六：控制与信号采集系统7对放大后的电压信号进行采集并由计算机8进行处理，反演出探测气体的浓度。

Claims (9)

1.一种基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括激光器、激光准直系统、气室、第一石英音叉、第二石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：

所述控制与数据采集系统对激光器输出波长进行调制；

所述激光器经过调制后输出激光，经激光准直系统准直后入射到气室内，待测目标气体吸收激光能量后，激光从气室出射并照射在第一石英音叉上；

所述第一石英音叉吸收出射激光能量发生周期性的弹性形变进而产生振动，放置在第一石英音叉左侧或右侧的第二石英音叉在第一石英音叉的振动带动下产生共同振动，从而产生电流信号；

所述阻抗放大器将第二石英音叉产生的电流信号放大为电压信号；

所述控制与数据采集系统对电压信号进行采集；

所述计算机对控制与数据采集系统采集的信号进行处理，反演出探测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激光器为半导体激光器或其他波段的可调谐激光器。

3.根据权利要求2所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于半导体激光器为近红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器。

4.根据权利要求1或2所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激光器的激光功率＞10 mW。

5.根据权利要求1所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第一石英音叉与第二石英音叉的共振频率范围为20 ~70 kHz，且两者共振频率差＜0.1Hz。

6.根据权利要求1或5所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第二石英音叉与第一石英音叉处于等高的同一条直线上，且相距不超过5 mm。

7.根据权利要求1所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激光照射在第一石英音叉叉股的根部位置。

8.根据权利要求1所述的基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第二石英音叉的等效阻抗值小于200 kΩ。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述装置进行基于音叉共鸣的光热光谱痕量气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：激光器电流源控制激光器的输出波长和输出功率，控制与数据采集系统对第一石英音叉与第二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：激光器输出的激光首先经过激光准直系统变成一束平行的准直光束，然后传输入射到含有待测目标气体的气室内激发待测目标气体；

步骤三：激光激发气体后传输出射气室并照射在第一石英音叉上，第一石英音叉吸收出射激光的能量后会伴随调制的激光源进行周期性的弹性形变进而产生振动；

步骤四：在第一石英音叉左侧或者右侧放置第二石英音叉，根据共鸣原理，第二石英音叉随着第一石英音叉共同振动；

步骤五：阻抗放大器将第二石英音叉产生的电流信号放大为电压信号；

步骤六：控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。

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