CN112285027B - 基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置及方法，所述装置包括激光器、光束准直器、气室、石英音叉、直角棱镜、光谱数据采集系统、计算机，激光器输出激光经光束准直器入射到气室内并传输通过石英音叉的叉股间隙，待测目标气体吸收激光能量后产生声波推动石英音叉进行摆动，产生光声电流信号；激光传输射出气室入射在直角棱镜上，由直角棱镜反射出的激光再度入射到气室内并打到石英音叉的根部位置，石英音叉吸收激光能量后发生弹性形变，从而产生光热电流信号；光声电流信号和光热电流信号由光谱数据采集系统和计算机进行信号解调与后续处理，反演出气体的浓度。本发明具有结构简单、成本低、探测灵敏度高等优点。

Description

基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置及方法

技术领域

本发明涉及一种激光吸收光谱式痕量气体检测装置及方法，具体涉及一种基于单音叉探测的光声光热双光谱提高痕量气体传感器性能的装置及方法。

背景技术

激光吸收光谱式痕量气体检测技术是一种利用气体分子对不同波长的光具有选择性吸收这一特性的光谱学痕量气体检测方法，由于该技术具有探测灵敏度高、响应速度快、可以在线监测等优点而被广泛应用。激光吸收光谱式痕量气体检测技术根据探测方法不同又分为多种痕量气体检测技术，如光声光谱技术、光热光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术等。每种技术都具有各自的优点与缺点，通过对各技术进行结合可使不同技术之间优势互补，进一步提高痕量气体传感器的探测性能。

基于石英音叉的光声光谱是一种痕量气体检测技术，将石英音叉置于充满待测气体的气室中，可调谐激光穿过音叉的叉股间隙并激发目标气体分子，气体分子吸收光子能量并产生微弱的声波信号推动石英音叉摆动，利用石英音叉的压电效应使其产生电流信号，对该电流信号进行解调可反演出气体浓度。

基于石英音叉的光热光谱也是一种痕量气体检测技术，可调谐激光首先入射到气室内激发目标气体，气体吸收激光的部分能量，然后剩余激光从气室射出并照射在气室外的石英音叉上，利用石英晶体材料固有的光吸收特性，音叉将吸收出射激光的剩余能量并在石英音叉中发生光热转换，引起音叉产生弹性形变。由于石英音叉存在压电效应，音叉的弹性形变会产生电流信号，对该电流信号进行解调可反演出气体的浓度。

在基于石英音叉探测的光声光谱痕量气体检测技术中，激光在气室内激发气体分子后射出系统，只有在气室内气体吸收的激光能量能够使气体膨胀并推动石英音叉摆动产生电信号，而射出气室的大部分剩余激光能量对光声信号没有作用，未能被系统利用，造成了激光能量的损失；在基于石英音叉探测的光热光谱技术中，由于激光在气室内激发待测目标气体后再照射到置于气室外的石英音叉上，只有照射在石英音叉上的激光能量才能使石英音叉产生电信号，气室内气体吸收激光能量后转换成的光声信号对光热探测技术来说没有作用，未能被系统利用，因此同样存在激光能量损失的问题。两种技术中的能量损失都导致了各技术对激光能量的利用率不高，这也限制了两种传感器系统的探测性能。

后来，哈尔滨工业大学团队提出了一种基于双音叉探测的光声或光热单光谱气体检测技术，但是这种技术的问题是需要采用两个音叉，并且由于生产和环境因素影响，两个音叉的频率无法保证完全一致。然而，根据石英音叉的频率响应特性曲线可以得知，频率微小的偏移都将造成信号极大的衰弱（见图1），因而进一步限制了这种双音叉探测气体检测技术的性能。

发明内容

为了解决目前基于双音叉探测的光谱技术中两个音叉频率不一致的问题，本发明提供了一种基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置，包括激光器、光束准直器、气室、石英音叉、直角棱镜、光谱数据采集系统、计算机，其中：

激光器输出激光经光束准直器入射到气室内，并传输通过置于气室内的石英音叉的叉股间隙，待测目标气体吸收激光能量后产生声波推动石英音叉进行摆动，产生光声电流信号；

激光传输射出气室入射在直角棱镜上，由直角棱镜反射出的激光再度入射到气室内，并且打到石英音叉的根部位置，石英音叉吸收激光能量后发生弹性形变，从而产生光热电流信号；

石英音叉产生的光声电流信号和光热电流信号由光谱数据采集系统和计算机进行信号解调与后续处理，反演出气体的浓度。

一种基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感方法，包括如下步骤：

步骤一：调节激光器的输出波长和输出功率，使得输出波长与待测气体吸收峰相吻合，同时尽可能使得激光器的输出功率最高；

步骤二：激光器输出的激光首先经过光束准直器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并穿过石英音叉的叉股间隙，使石英音叉产生光声电流信号；

步骤三：激光传输出射气室后照射在直角棱镜上，从直角棱镜反射回的激光再度入射到气室中并且打到石英音叉的根部上，石英音叉由于吸收出射激光的能量后引起热膨胀进而发生弹性形变，产生光热电流信号；

步骤四：光声电流信号与光热电流信号叠加后传输至光谱信号采集系统，由光谱数据采集系统和计算机进行信号解调与后续处理，反演出气体的浓度并在计算机上进行显示。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明通过提高激光能量的利用率进一步提高了痕量气体传感系统的探测性能，并且最重要的是仅使用了一个石英音叉，通过直角棱镜将从气室中出射的激光再度利用。

2、本发明具有结构简单、成本低、探测灵敏度高等优点。

附图说明

图1为石英音叉的频率响应特性曲线；

图2为基于单音叉探测的光声光热双光谱痕量气体传感装置的结构示意图；

图3为石英音叉和直角棱镜的位置关系。

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单音叉探测的光声光热双光谱提高痕量气体传感器性能的装置，如图2所示，所述装置包括激光器1、光束准直器2、气室3、石英音叉4、直角棱镜5、光谱数据采集系统6、计算机7，其中：激光器1输出激光经光束准直器2入射到气室3内，并传输通过置于气室3内的石英音叉4的叉股间隙，待测目标气体吸收激光能量后产生声波推动石英音叉4进行摆动，产生光声电流信号。激光传输射出气室3入射在直角棱镜5上，接下来由直角棱镜5反射出的激光再度入射到气室3内，并且打到石英音叉4的根部位置，石英音叉4吸收激光能量后发生弹性形变，从而产生光热电流信号。石英音叉4产生的光声电流信号和光热电流信号由光谱数据采集系统6和计算机7进行信号解调与后续处理。具体实现过程如下：

步骤一：调节激光器1的输出波长和输出功率，使得输出波长与待测气体吸收峰相吻合，同时尽可能使得激光器1的输出功率最高，有利于提高光声光谱和光热光谱的信号强度。

步骤二：激光器1输出的激光首先经过光束准直器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内并穿过石英音叉4的叉股间隙，使石英音叉4产生光声电流信号。

步骤三：激光传输出射气室3后照射在直角棱镜5上，从直角棱镜5反射回的激光再度入射到气室3中并且打到石英音叉4的根部上，石英音叉4由于吸收出射激光的能量后引起热膨胀进而发生弹性形变，产生光热电流信号。

步骤四：光声电流信号与光热电流信号叠加后传输至光谱信号采集系统6，光谱信号采集系统6反演出探测气体的浓度并在计算机7上进行显示。

本发明中，激光器1为近红外或中红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器或量子级联激光器。

本发明中，石英音叉4的共振频率范围为30 ~100 kHz，品质因子不低于5000。

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，光谱数据采集系统6对激光器输出波长进行调制和采集。

本发明中，石英音叉4和直角棱镜5分别置于气室3内与气室3外，直角棱镜5用来让激光再度入射到气室3中，从而打到石英音叉4上，进而产生光热信号，石英音叉4和直角棱镜5的位置关系如图3所示。

本发明中，直角棱镜5与石英音叉4之间的距离不大于20 mm，直角棱镜5最大面与石英音叉4平面相互平行。

本发明中，激光器1发出的激光束经过光束准直器2使激光束准直输出，然后入射到气室3内并穿过石英音叉4的叉股间隙。

本发明中，为使石英音叉4产生的光声信号达到最大，激光束穿过叉股间隙的位置应距石英音叉4顶部1 mm，在相同的声压下，该位置可使音叉有更大振动幅度。

本发明中，为使石英音叉4产生的光热信号达到最大，激光应照射在石英音叉4叉股的根部位置（如图3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，为使石英音叉4产生更大的光热信号，可去除石英音叉4表面上激光照射位置处（即：叉股的根部位置）金属层，增加石英音叉对激光的吸收。

本发明中，计算机7连接光谱数据采集系统6，通过软件进行实时控制与信号采集处理。

本发明中，石英音叉4可替换为其他具有压电效应的器件。

在本发明的石英音叉光声光谱痕量气体传感系统中，处于气室中的待测气体分子吸收光子能量后被激发到高能态，然后以无辐射跃迁的形式跃迁回基态，这一过程会释放热量，使气体体积发生膨胀，从而推动置于气室内的音叉摆动，产生电流信号，即光声电流信号。由于在气室内的气体只吸收了激光的部分能量，因此从气室出射的激光含有大量能量，在气室后方放置一个直角棱镜，调节直角棱镜的位置，从而使出射的激光由直角棱镜反射后再度入射进气室中，让音叉接收从直角棱镜反射出的激光束，从而吸收出射激光的剩余能量并产生光热弹性形变，最终产生电流信号，即光热电流信号。通过解调叠加后的两个电流信号就能够反演出气体的浓度。

以激光器的输出功率10 mW为例，激光经过气室时，气室内的待测气体吸收5 mW的激光能量，石英音叉产生的光声信号大小为10 μV，激光从直角棱镜出射后照射在气室内的石英音叉上，激光余下的5 mW能量被音叉吸收，在该音叉上产生了10 μV的光热信号，将两个信号进行叠加，最终得到系统的探测信号为20 μV。由于光声光谱与光热光谱技术产生的信号均与气体浓度有很好的线性关系，因此叠加后的信号也具有良好的浓度线型响应。

Claims (4)

1.一种基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置，其特征在于所述装置包括激光器、光束准直器、气室、石英音叉、直角棱镜、光谱数据采集系统、计算机，其中：

所述激光器为近红外或中红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器或量子级联激光器；

所述石英音叉的共振频率范围为30 ~100 kHz，品质因子不低于5000；

所述激光穿过石英音叉的叉股间隙的位置距石英音叉顶部1 mm；

所述直角棱镜与石英音叉之间的距离不大于20 mm；

激光器输出激光经光束准直器入射到气室内，并传输通过置于气室内的石英音叉的叉股间隙，待测目标气体吸收激光能量后产生声波推动石英音叉进行摆动，产生光声电流信号；

激光传输射出气室入射在直角棱镜上，由直角棱镜反射出的激光再度入射到气室内，并且打到石英音叉的根部位置，石英音叉吸收激光能量后发生弹性形变，从而产生光热电流信号；

石英音叉产生的光声电流信号和光热电流信号由光谱数据采集系统和计算机进行信号解调与后续处理，反演出气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置，其特征在于所述光谱数据采集系统对激光器输出波长进行调制和采集。

3.根据权利要求1所述的基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感装置，其特征在于所述直角棱镜最大面与石英音叉平面相互平行。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述装置实现基于单音叉探测的光声光热双光谱气体传感方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：调节激光器的输出波长和输出功率，使得输出波长与待测气体吸收峰相吻合，同时尽可能使得激光器的输出功率最高；

步骤二：激光器输出的激光首先经过光束准直器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并穿过石英音叉的叉股间隙，使石英音叉产生光声电流信号；

步骤三：激光传输出射气室后照射在直角棱镜上，从直角棱镜反射回的激光再度入射到气室中并且打到石英音叉的根部上，石英音叉由于吸收出射激光的能量后引起热膨胀进而发生弹性形变，产生光热电流信号；

步骤四：光声电流信号与光热电流信号叠加后传输至光谱信号采集系统，由光谱数据采集系统和计算机进行信号解调与后续处理，反演出气体的浓度并在计算机上进行显示。

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