CN115639156A - 基于石英管探测的光声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石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置及方法，所述装置包括半导体激光器、激光聚焦系统、气室、石英管、控制与数据采集系统、计算机，经过控制与数据采集系统调制的半导体激光器输出激光，经激光聚焦系统后入射到气室内，同时穿过石英管，保证石英管轴向中心线与激光传播方向重合，待测目标气体在石英管中吸收激光能量，产生声波，声波使得石英管产生电信号，该电信号依次输入到控制与数据采集系统、计算机中进行解调与后续处理。本发明将石英设计成细长中空的管状，在管状结构中，气体与激光发生相互作用产生声波，声波作用于石英管上，石英管产生电流信号，据此电流信号进而反演出气体浓度。

Description

基于石英管探测的光声光谱痕量气体检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种石英增强光声光谱系统，具体涉及一种基于石英管探测的光声光谱痕量气体检测装置及方法。

背景技术

光声光谱是基于光声效应的一种光谱分析技术。从1880年贝尔发现固体光声效应以来，至今已有一百多年的历史。近年来，由于半导体激光器工艺发展成熟，基于光声光谱分析技术检测气体成为研究热业。它具有高检测灵敏度、快时间响应、可连续实时监测、小体积、可实现多组分气体等优点，被广泛应用于石化分析、空气污染检测、煤矿瓦斯浓度监测、变压器油中溶解气体分析、医学呼出气体诊断等领域。

石英增强光声光谱技术是一种高灵敏度的痕量气体检测技术，其原理为：当物质吸收光受到激发后，可通过辐射跃迁或无辐射跃迁返回初始态。前一过程产生荧光或磷光，后一过程则产生热。因为吸收光强呈周期性变化，容器内压力涨落也呈周期性。当试样是气体或液体时，其本身就是压力介质。由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压力涨落就成为声波，从而能被声敏元件石英音叉所感知。石英音叉所感知的声波信号经同步放大得到的电信号为光声信号，该光声信号与吸收气体的浓度成正比，通过解调该信号可以反演待测气体浓度。

现有的石英增强光声光谱技术中，用敏锐的石英音叉作为声传感元件，其品质因数Q值较高，能量积累时间较长。但是石英音叉的尺寸非常小，叉股间隙约0.30 mm，叉股厚度约为0.32 mm。在石英增强光声光谱技术中，激光束需要穿过石英音叉叉股间隙，而0.3mm的空间使得激光束完全通过难度非常大，因此对系统光路的调节要求很高。另外，声波与石英音叉的作用距离由音叉叉股厚度决定，0.32 mm的作用距离使得检测系统接收到的声波信号非常微弱，进而限制了系统检测性能。石英音叉叉型结构及超薄的厚度使得石英增强光声光谱技术性能受限。通过多个音叉联用等方式可以在一定程度上增加音叉与声波的相互作用距离，进而改善检测系统的性能。但由于音叉存在个体差异，多音叉系统面临着音叉共振频率难以完全相同的问题，导致此种技术效果受限。

发明内容

鉴于音叉的叉型结构存在叉股间隙小、叉股厚度小等问题，限制了石英增强光声光谱技术的性能，本发明提供了一种基于石英管探测的光声光谱痕量气体检测装置及方法。本发明抛弃石英的叉型结构，将石英设计成细长中空的管状（长度>10 mm），在此管状结构中，气体与激光发生相互作用产生声波，声波作用于石英管上，由于石英的压电效应，石英管将产生电流信号，据此电流信号进而反演出气体浓度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，包括半导体激光器、激光聚焦系统、气室、石英管、控制与数据采集系统、计算机，经过控制与数据采集系统调制的半导体激光器输出激光，经激光聚焦系统后入射到气室内，同时穿过石英管，保证石英管轴向中心线与激光传播方向重合，待测目标气体在石英管中吸收激光能量，产生声波，声波使得石英管产生电信号，该电信号依次输入到控制与数据采集系统、计算机中进行解调与后续处理。

一种利用上述装置进行石英增强光声光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：控制与数据采集系统对半导体激光器的输出特性进行控制；

步骤二：半导体激光器输出的激光经过激光聚焦系统后入射到气室和石英管内，待测目标气体吸收激光的能量产生声波，且通过石英管形成声波驻波场；

步骤三：声波使得石英管产生电信号，控制与数据采集系统进行电信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行后续处理。

本发明中，由于石英管的长度（长度>10 mm）远大于石英音叉的厚度（0.32 mm），因此，它与声波的作用效果将远优于石英音叉。同时，通过合理的设计，声波在石英管中还可形成驻波场，进一步放大声波的强度。另外，石英管的内径（0.5~1 mm）也大于石英音叉的叉股间隙（0.3 mm），这将有利于激光束的传输，使得光束能量能完全通过石英探测器，进而减小光学噪声。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明为解决目前石英增强光声光谱技术中声波作用效果弱、光束耦合难度大等不利问题，改变了传统石英的叉型结构，设计了一种石英管，采用石英管代替石英音叉作为声学探测元件。由半导体激光器出射激光，经过准直聚焦照射在气室中并通过石英管出射，由于气体吸收激光产生周期性膨胀，当激光的调制频率为石英管的谐振频率时，该激励引起石英管中声波信号的共振增强，该机械振动信号通过石英管的压电效应转换为电信号，该信号通过谐波探测技术经过锁相放大器进行信号解调，最终反演出气体浓度等所需信息。由于石英管的设计非常灵活，因此该方案可以很好地增大声波作用效果，同时易于光束耦合和传输。

附图说明

图1为基于石英管探测的光声光谱痕量气体检测装置的结构示意图；

图2为半导体激光器与气室和石英管的位置关系。

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石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，如图1所示，所述装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器1、激光聚焦系统2、气室3、石英管4、控制与数据采集系统5、计算机6，经过控制与数据采集系统5调制的半导体激光器1输出激光，经激光聚焦系统2后入射到气室3内，同时穿过石英管4，待测目标气体在石英管4中吸收激光能量，产生声波，由于石英管4的压电效应，声波将使得石英管4产生电信号，该电信号输入到控制与数据采集系统5与计算机6进行解调与后续处理。半导体激光器1与气室3和石英管4的位置关系如图2所示。

具体实现过程如下：

步骤一：控制与数据采集系统5对半导体激光器1的输出特性（功率、波长、调制速率等）进行控制。

步骤二：半导体激光器1输出的激光经过激光聚焦系统2后入射到气室3和石英管4内，待测目标气体吸收激光的能量产生声波，且通过石英管4形成声波驻波场。

步骤三：石英管4产生电流信号，并连接控制与数据采集系统5进行信号的实时监测与采集，并输入到计算机6中进行后续处理。

本发明中，石英管4的长度应大于10 mm，此外，其还应为声波波长的整数倍，以形成驻波场。

本发明中，石英管4的内径应大于0.5 mm，同时为了形成驻波场，其还不应大于1mm。

本发明中，为了增大声波能量积累时间，石英管4的共振频率应为kHz量级。

本发明中，为了减小声波能量损失，石英管4的两端还可添加透明窗口片。

本发明中，为了提高石英压电效率，石英管4最优选择z轴切割的石英晶体。

本发明中，为了提高石英管4的电荷收集效率，表面电极可选择金、银等金属。

本发明中，石英管4可替换为其他具有压电效应的部件。

本发明中，半导体激光器1为近红外可调谐单纵模输出的分布反馈式连续波半导体激光器，线宽应＜10 MHz。

本发明中，为提高声波信号强度，半导体激光器1的激光功率应＞20 mW。

本发明中，半导体激光器1发射的激光束穿过石英管4的透过率应大于95%。

本发明中，采用波长调制技术来减小系统的噪声，控制与数据采集系统5对半导体激光器1输出波长进行调制。

本发明中，计算机6连接控制与数据采集系统5，通过软件进行实时控制与信号采集处理。

Claims (10)

1.一种基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括半导体激光器、激光聚焦系统、气室、石英管、控制与数据采集系统、计算机，经过控制与数据采集系统调制的半导体激光器输出激光，经激光聚焦系统后入射到气室内，同时穿过石英管，保证石英管轴向中心线与激光传播方向重合，待测目标气体在石英管中吸收激光能量，产生声波，声波使得石英管产生电信号，该电信号依次输入到控制与数据采集系统、计算机中进行解调与后续处理。

2.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英管的长度大于10 mm且为声波波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英管的内径＞0.5 mm且≦1 mm。

4.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英管的共振频率为kHz量级。

5.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英管的两端设置有透明窗口片。

6.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英管选择z轴切割的石英晶体。

7.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述半导体激光器为近红外可调谐单纵模输出的分布反馈式连续波半导体激光器，线宽＜10 MHz。

8.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述半导体激光器的激光功率＞20 mW。

9.根据权利要求1所述的基于石英管探测的石英增强光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述半导体激光器发射的激光束穿过石英管的透过率大于95%。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行石英增强光声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：控制与数据采集系统对半导体激光器的输出特性进行控制；

步骤二：半导体激光器输出的激光经过激光聚焦系统后入射到气室和石英管内，待测目标气体吸收激光的能量产生声波，且通过石英管形成声波驻波场；

步骤三：声波使得石英管产生电信号，控制与数据采集系统进行电信号的实时监测与采集，并输入到计算机中进行后续处理。

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