CN113984675A - 改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置及方法，所述装置包括第一可调谐半导体激光器、第二可调谐半导体激光器、光合束器、激光光束准直单元、光束聚焦透镜、气室、石英音叉、光功率计、信号发生器、锁相放大器、加法器、激光器控制单元、计算机、加湿管。本发明使用一束激光激发处于基态的快弛豫分子，使其跃迁到激发态。由于处于激发态的快弛豫分子性质相比基态分子更加活泼，因此，与待测的慢弛豫气体分子碰撞概率将会显著增加，此时二者碰撞可促使激发态的待测气体分子快速跃迁到基态，从而增加待测气体分子的弛豫速率、声波产生强度以及传感系统的信号幅值。

Description

改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种痕量气体检测装置及方法，具体涉及一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置及方法。

背景技术

光声光谱技术是一种基于光声效应的检测技术。光声效应的本质是能量转换，当受到周期性调制的光（电磁波）照射于待测物质时，物质吸收电磁波能量发生周期性热弛豫，附近温度产生周期性变化。由于热胀冷缩效应，周围介质体积周期性膨胀收缩，激发出声波信号。对于产生的声波进行探测就可以得到待测物质浓度、种类等相关信息。目前，使用光声光谱技术的痕量气体检测具有系统结构简单、选择性好等优点，但检测性能仍需进一步改善。

石英增强光声光谱（QEPAS）技术是一种具有代表性的、基于光声效应原理的痕量气体检测技术。石英增强光声光谱技术利用石英音叉作为探测器来探测待测气体产生的声波信号。石英是一种压电晶体，因此石英音叉的对称振动可以产生压电信号。使用一束周期性调制的光入射至待测气体中，由于光声效应，待测气体产生声波，此时音叉对称振动，将探测到的声信号转换为电信号。当光声信号频率与音叉共振频率相同时，此时音叉产生的压电信号将得到最大值。以共振频率为32.768 kHz的音叉为例，为了与音叉共振频率相匹配，激光调制频率需要设置为32.768 kHz，以获得最大的信号幅值。解调、分析石英音叉产生的压电信号，就可以得到气体浓度等相关信息。

对于石英增强光声光谱技术来说，激光调制频率必须与石英音叉共振频率精确匹配，以获得最大的信号幅值。但是对于某些慢弛豫分子（如：CH₄、CO等），由于其分子振动-平动弛豫速率远远小于调制频率，待测气体分子单周期内吸收的激光能量无法完全释放，所以产生的石英增强光声光谱信号较弱。

为了提高光声信号强度，可以在慢弛豫气体基质中加入水汽（H₂O）等快弛豫分子，使快弛豫分子与待测气体分子间发生碰撞，增加待测气体分子的弛豫速率，从而提升产生的光声信号强度。但由于快弛豫分子大部分处于基态，与待测气体分子之间碰撞概率较低，对分子弛豫速率的增强不显著，因此对于光声信号强度的增强效果不明显，最终导致传感器系统探测性能不理想。

石英增强光声光谱技术中，一束周期性调制的激光入射到气体中，使待测气体产生声波，石英音叉与声波共振产生压电信号，对压电信号进行解调、分析即可得到气体浓度等相关信息。对于慢弛豫分子，由于常用音叉对应的激光调制频率远远大于其弛豫速率，此时加入快弛豫分子，通过分子间碰撞可增加待测慢弛豫气体分子的弛豫速率。但由于快弛豫分子大部分处于基态，与待测气体分子之间碰撞概率较低，对分子弛豫速率的增强不显著。

发明内容

针对背景技术存在的上述问题，本发明提供了一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置及方法。本发明使用一束激光激发处于基态的快弛豫分子，使其跃迁到激发态。由于处于激发态的快弛豫分子性质相比基态分子更加活泼，因此，与待测的慢弛豫气体分子碰撞概率将会显著增加，此时二者碰撞可促使激发态的待测气体分子快速跃迁到基态，从而增加待测气体分子的弛豫速率、声波产生强度以及传感系统的信号幅值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，包括第一可调谐半导体激光器、第二可调谐半导体激光器、光合束器、激光光束准直单元、光束聚焦透镜、气室、石英音叉、光功率计、信号发生器、锁相放大器、加法器、激光器控制单元、计算机、加湿管，其中：

所述石英音叉位于气室内；

所述激光器控制单元的输出端与第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器的输入端相连，激光器控制单元的输入端与加法器的输出端相连；

所述加法器的输入端与信号发生器和锁相放大器的输出端相连；

所述计算机与锁相放大器相连；

所述锁相放大器产生的高频正弦波调制信号与信号发生器产生的低频锯齿波调制信号经加法器叠加后被送入激光器控制单元，激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第一可调谐半导体激光器的输出波长至待测气体吸收峰处、控制第二可调谐半导体激光器的输出波长至快弛豫分子吸收峰处，光合束器将第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器输出的激光耦合为一束激光，耦合输出的激光束依次经激光光束准直单元准直、光束聚焦透镜聚焦，聚焦后的激光从石英音叉叉指中间穿过，而后被光功率计检测，由于受到第一可调谐半导体激光器产生的周期性调制激光的激发，石英音叉叉指中间位置附近的待测气体分子通过热弛豫向周围释放声波，与此同时，使用加湿管控制气室内气体湿度，并使用第二可调谐半导体激光器对快弛豫分子进行激发，通过快弛豫分子与待测气体分子的碰撞加快待测气体弛豫速率，增强产生的声波信号，增强后的声波信号被石英音叉探测并转化为电信号，此电信号被输入到锁相放大器，计算机控制锁相放大器对信号进行实时的解调处理，根据解调出的信号，反演获得待测气体浓度。

一种利用上述装置实现改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：调节第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器、光合束器、激光光束准直单元、光束聚焦透镜、气室、石英音叉、光功率计的光路，保证合束后的激光光束穿过石英音叉两叉指中间位置，并最终被光功率计采集探测；

步骤二：使用加湿管控制气室内的快弛豫分子浓度为定值；

步骤三：参照第一可调谐半导体激光器的输出特性曲线，使用激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第一可调谐半导体激光器的输出波长至待测气体吸收峰处，并固定温度和电流值；

步骤四：参照第二可调谐半导体激光器的输出特性曲线，使用激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第二可调谐半导体激光器的输出波长至快弛豫分子吸收峰处，并固定温度和电流值；

步骤五：使用计算机操控锁相放大器扫描石英音叉的共振频率，使用锁相放大器输出该频率正弦波信号对激光器控制单元进行外部调制，使用计算机控制锁相放大器对调制深度进行优化；

步骤六：调节石英音叉的位置，保证激光穿过石英音叉两叉指的中间位置，从而产生最大的光声信号；

步骤七：光声信号幅值与气体浓度成线性关系，气体浓度越大，光声信号幅值越大，将待测气体产生的光声信号与标定浓度产生的光声信号进行对比，即可计算出待测气体浓度。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明产生的光声信号幅值比现有技术显著增大，探测灵敏度和信噪比均显著优于现有技术。

2、本发明中，可采用多个输出波长的激光对不同位置的快弛豫分子吸收线同时进行激发、增大激发激光功率等手段，增加激发态分子数目、增强光声信号，相比现有技术更容易实现更灵敏的探测和更高的信噪比。

附图说明

图1为本发明改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置的结构图；

图2为激光从石英音叉两叉指中间位置穿过的示意图。

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。

本发明提供了一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，如图1所述，所述装置包括第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2、光合束器3、激光光束准直单元4、光束聚焦透镜5、气室6、石英音叉7、光功率计8、信号发生器9、锁相放大器10、加法器11、激光器控制单元12、计算机13、加湿管14，其中：

所述石英音叉7位于气室6内；

所述激光器控制单元12的输出端与第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2的输入端相连，激光器控制单元12的输入端与加法器11的输出端相连；

所述加法器11的输入端与信号发生器9和锁相放大器10的输出端相连；

所述计算机13与锁相放大器10相连；

所述锁相放大器10产生的高频正弦波调制信号与信号发生器9产生的低频锯齿波调制信号经加法器11叠加后被送入激光器控制单元12，激光器控制单元12通过控制激光器的工作温度和工作电流来改变第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2的输出波长及其输出功率。使用光合束器3将第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2输出的激光耦合为一束激光，耦合输出的激光束依次经激光光束准直单元4准直、光束聚焦透镜5聚焦，聚焦后的激光从石英音叉7叉指中间穿过，而后被光功率计8检测。由于受到第一可调谐半导体激光器1产生的周期性调制激光的激发，石英音叉7叉指中间位置附近的待测气体分子通过热弛豫向周围释放声波，与此同时，使用加湿管14控制气室6内气体湿度，并使用第二可调谐半导体激光器2对快弛豫分子进行激发，通过快弛豫分子与待测气体分子的碰撞加快待测气体弛豫速率，增强产生的声波信号。增强后的声波信号被石英音叉7探测并转化为电信号，此电信号被输入到锁相放大器10。计算机13控制锁相放大器10对信号进行实时的解调处理。根据解调出的信号，可反演获得待测气体浓度等数据。

具体实现过程如下：

步骤一：调节第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2、光合束器3、激光光束准直单元4、光束聚焦透镜5、气室6、石英音叉7、光功率计8的光路，保证激光光束穿过石英音叉7两叉指中间位置，并最终被光功率计8采集探测。

步骤二：使用加湿管14控制气室6内的快弛豫分子浓度为定值。

步骤三：参照第一可调谐半导体激光器1的输出特性曲线，使用激光器控制单元12通过改变温度和电流的方式控制第一可调谐半导体激光器1的输出波长至待测气体吸收峰处，并固定温度和电流值。

步骤四：参照第二可调谐半导体激光器2的输出特性曲线，使用激光器控制单元12通过改变温度和电流的方式控制第二可调谐半导体激光器2的输出波长至快弛豫分子吸收峰处，并固定温度和电流值。

步骤五：使用计算机13操控锁相放大器10扫描石英音叉7的共振频率，将其共振频率的一半设定为调制正弦波的频率。使用锁相放大器10输出该频率正弦波信号对激光器控制单元12进行外部调制。使用计算机13控制锁相放大器10对调制深度进行优化。

步骤六：调节石英音叉7的位置，保证激光穿过石英音叉7两叉指的中间位置，从而产生最大的光声信号。

步骤七：光声信号幅值与气体浓度成线性关系，气体浓度越大，光声信号幅值越大，将待测气体产生的光声信号与标定浓度产生的光声信号进行对比，即可计算出待测气体浓度。

本发明中，第一可调谐半导体激光器1和第二可调谐半导体激光器2均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，为使石英音叉7产生更强的压电信号，聚焦后的激光从石英音叉7两叉指中间位置穿过（如图2所示）。

本发明中，使用光功率计8辅助调节光路。为使得聚焦后的激光光束尽可能从石英音叉7两叉指中间位置穿过，光功率计8探测到的激光功率值应达到激光光束准直单元4出射激光功率的90%以上。

本发明中，石英音叉7的等效阻抗值应小于200 kΩ，品质因数应大于10000，以此尽可能消除电子噪声并提高信号幅值。

本发明中，采用波长调制与二次谐波检测技术来减小系统的噪声，由锁相放大器10产生的高频正弦波对激光器输出波长进行调制，正弦波调制信号频率等于石英音叉7共振频率的一半。

本发明中，计算机13通过软件控制锁相放大器10对信号进行实时的解调处理。

本发明中，第二可调谐半导体激光器2的数量可以为多个，使用多个输出波长的第二可调谐半导体激光器2对不同位置的快弛豫分子吸收线进行激发，使得激发态分子的数目更多、光声信号得到更好的增强。

本发明中，可以通过增加激光器功率的方式增强快弛豫分子激发效果，使得激发态分子的数目更多、光声信号得到更好的增强。

本发明中，快弛豫分子为水汽或六氟化硫（SF₆），当快弛豫分子为六氟化硫（SF₆）时，可使光声信号得到增强。

Claims (8)

1.一种改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述装置包括第一可调谐半导体激光器、第二可调谐半导体激光器、光合束器、激光光束准直单元、光束聚焦透镜、气室、石英音叉、光功率计、信号发生器、锁相放大器、加法器、激光器控制单元、计算机、加湿管，其中：

所述石英音叉位于气室内；

所述激光器控制单元的输出端与第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器的输入端相连，激光器控制单元的输入端与加法器的输出端相连；

所述加法器的输入端与信号发生器和锁相放大器的输出端相连；

所述计算机与锁相放大器相连；

所述锁相放大器产生的高频正弦波调制信号与信号发生器产生的低频锯齿波调制信号经加法器叠加后被送入激光器控制单元，激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第一可调谐半导体激光器的输出波长至待测气体吸收峰处、控制第二可调谐半导体激光器的输出波长至快弛豫分子吸收峰处，光合束器将第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器输出的激光耦合为一束激光，耦合输出的激光束依次经激光光束准直单元准直、光束聚焦透镜聚焦，聚焦后的激光从石英音叉叉指中间穿过，而后被光功率计检测，由于受到第一可调谐半导体激光器产生的周期性调制激光的激发，石英音叉叉指中间位置附近的待测气体分子通过热弛豫向周围释放声波，与此同时，使用加湿管控制气室内气体湿度，并使用第二可调谐半导体激光器对快弛豫分子进行激发，通过快弛豫分子与待测气体分子的碰撞加快待测气体弛豫速率，增强产生的声波信号，增强后的声波信号被石英音叉探测并转化为电信号，此电信号被输入到锁相放大器，计算机控制锁相放大器对信号进行实时的解调处理，根据解调出的信号，反演获得待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器均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。

3.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述光功率计探测到的激光功率值达到激光光束准直单元出射激光功率的90%以上。

4.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述石英音叉的等效阻抗值应小于200 kΩ，品质因数应大于10000。

5.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述正弦波调制信号频率等于石英音叉共振频率的一半。

6.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述第二可调谐半导体激光器的数量为多个，使用多个输出波长的第二可调谐半导体激光器对不同位置的快弛豫分子吸收线进行激发。

7.根据权利要求1所述的改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的装置，其特征在于所述快弛豫分子为水汽或六氟化硫。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述装置实现改进石英增强光声光谱痕量气体检测性能的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：调节第一可调谐半导体激光器和第二可调谐半导体激光器、光合束器、激光光束准直单元、光束聚焦透镜、气室、石英音叉、光功率计的光路，保证合束后的激光光束穿过石英音叉两叉指中间位置，并最终被光功率计采集探测；

步骤二：使用加湿管控制气室内的快弛豫分子浓度为定值；

步骤三：参照第一可调谐半导体激光器的输出特性曲线，使用激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第一可调谐半导体激光器的输出波长至待测气体吸收峰处，并固定温度和电流值；

步骤四：参照第二可调谐半导体激光器的输出特性曲线，使用激光器控制单元通过改变温度和电流的方式控制第二可调谐半导体激光器的输出波长至快弛豫分子吸收峰处，并固定温度和电流值；

步骤五：使用计算机操控锁相放大器扫描石英音叉的共振频率，使用锁相放大器输出该频率正弦波信号对激光器控制单元进行外部调制，使用计算机控制锁相放大器对调制深度进行优化；

步骤六：调节石英音叉的位置，保证激光穿过石英音叉两叉指的中间位置，从而产生最大的光声信号；

步骤七：光声信号幅值与气体浓度成线性关系，气体浓度越大，光声信号幅值越大，将待测气体产生的光声信号与标定浓度产生的光声信号进行对比，即可计算出待测气体浓度。

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