一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法，信号发生器产生的低频锯齿波和锁相放大器产生的高频正弦波被送入加法器，叠加后的信号构成激光波长的调制信号；调制信号被送入激光控制器中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器输出激光的波长，激光经激光准直系统后入射到待测气体气室中，待测目标气体吸收部分激光能量；激光从待测气体气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机中进行处理，反演气体浓度。本发明专利技术的装置具有灵敏度高、成本低、非接触式测量等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法
本专利技术涉及一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法。
技术介绍
石英增强光热光谱技术是在2018年被马欲飞等人提出的一种新型痕量气体检测技术，近几年国内外多个研究单位利用该技术实现了灵敏度高、选择性好、响应速度快、非接触式的气体测量。该技术利用了石英材料对光的吸收特性并将吸收的光能转化为热能。由于热弹性效应，石英音叉表面会产生机械形变，利用石英的压电效应，可以检测到电信号，从而反演出气体浓度。在同一气体浓度和实验条件下，噪声值只会在某个小范围内随机涨落，而信号值就成为了该传感器信噪比和最小探测极限的决定因素。因此，增强光热光谱系统信号水平、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。在基于石英音叉的光热光谱痕量气体检测技术中，激光经过待测气体气室激发待测气体后照射在石英音叉的叉指根部，使音叉振动而产生光热信号。在光热光谱技术中，光热信号的大小与音叉的振动幅度成正比，所以增强音叉的振动幅度有利于获得更高的信号幅值，提升气体传感器性能。目前，通过增大激光激发功率来提高光热信号强度的方法是一种增大音叉摆动幅度的有效途径。但激光功率过高，音叉中的热噪声幅值会急剧上升，导致传感系统信噪比恶化，最终限制了传感器的探测性能，使得这种方法具有很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术为增强光热光谱技术的信号强度，受到腔增强型光声光谱技术的启发，利用共振管能使音叉振动产生的声波形成驻波场达到加强，并反作用到石英音叉上增强振动幅度、增强信号幅值的原理，提出了一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法，即共振管放置在音叉的叉指中间位置，用以增强光热光谱的信号幅值。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，包括可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉、共振管、信号发生器、激光控制器、加法器、锁相放大器、计算机，其中：所述共振管为两段，两段共振管放置在石英音叉叉指中心的前后两侧；所述信号发生器产生的低频锯齿波和锁相放大器产生的高频正弦波被送入加法器，叠加后的信号构成了激光波长的调制信号；所述调制信号被送入激光控制器中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器输出激光的波长，激光经过激光准直系统后入射到待测气体气室中，待测目标气体吸收部分激光能量；所述激光从待测气体气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机中进行处理，反演气体浓度。一种利用上述装置进行基于腔增强的光热光谱痕量气体检测的方法，具体实现过程如下：步骤一：调节依次通过可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉的光路，保证光路在水平和垂直方向上笔直，并合理选择共振管的内径与长度；步骤二：激光控制器通过改变温度和电流的方式控制可调谐半导体激光器的输出波长，找到对应检测气体吸收线的温度和电流；步骤三：使用计算机操控锁相放大器先对石英音叉的共振频率进行扫描，将得到的共振频率的一半设定为正弦波的频率，随后对调制深度进行扫描，得到最佳调制深度；步骤四：三维调节石英音叉的位置，确保激光入射在石英音叉两叉指的根部位置，并优化两段共振管与石英音叉的相对位置使实验效果最佳；步骤五：通过激光控制器改变温度或电流，使可调谐半导体激光器波长被调节到合适范围，以便信号发生器输出的低频锯齿波作用到可调谐半导体激光器上，经计算机与锁相放大器的数据处理得到一个完整的二次谐波信号；步骤六：石英音叉由于压电效应产生的电信号被传输到锁相放大器中，经计算机与锁相放大器处理得到二次谐波信号，根据二次谐波信号的峰值便可反演出目标气体的浓度信息。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术将石英增强光声光谱技术里面的共振管声波增强原理巧妙引入到石英增强光热光谱技术里面，增强了光热信号的幅值，有利于系统性能的改善。2、本专利技术的探测装置具有灵敏度高、成本低、非接触式测量等优点。附图说明图1为基于腔增强的光热光谱痕量气体检测的装置结构图；图2为石英音叉与共振管之间的位置关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，如图1所示，所述装置包括可调谐半导体激光器1、激光准直系统2、待测气体气室3、聚焦透镜4、石英音叉5、共振管6、锁相放大器7、信号发生器8、激光控制器9、加法器10、计算机11，其中：所述共振管6为两段，两段共振管6放置在石英音叉5叉指中心的前后两侧用于增强声波场，石英音叉5和共振管6的相对位置可调节；所述信号发生器8产生的低频锯齿波和锁相放大器7产生的高频正弦波被送入加法器10，叠加后的信号构成了激光波长的调制信号；所述调制信号被送入激光控制器9中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器1输出激光的波长，激光经过激光准直系统2后入射到待测气体气室3中，待测目标气体吸收部分激光能量；所述激光从待测气体气室3出射后经聚焦透镜4光斑被聚焦到石英音叉5叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号经石英音叉5转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器7中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机11中进行后续处理，反演气体浓度。一种利用上述装置进行基于腔增强的光热光谱痕量气体检测的方法，具体实现过程如下：步骤一：调节依次通过可调谐半导体激光器1、激光准直系统2、待测气体气室3、聚焦透镜4、石英音叉5的光路，保证光路在水平和垂直方向上笔直，并合理选择共振管6的内径与长度。步骤二：激光控制器9通过改变温度和电流的方式来控制可调谐半导体激光器1的输出波长，找到对应检测气体吸收线的温度和电流。步骤三：使用计算机11操控锁相放大器7先对石英音叉5的共振频率进行扫描，将得到的共振频率的一半设定为正弦波的频率，随后对调制深度进行扫描，得到最佳调制深度并设置。步骤四：三维调节石英音叉5的位置，确保激光入射在石英音叉5叉指的根部位置，这时得到的光热信号幅值最大，并优化两段共振管6与石英音叉5的相对位置使实验效果最佳。步骤五：通过激光控制器9改变温度或电流，使可调谐半导体激光器1波长被调节到合适范围，以便信号发生器8输出的低频锯齿波作用到可调谐半导体激光器1上，可以经计算机11与锁相放大器7的数据处理得到一个完整的二次谐波信号。步骤六：石英音叉5由于压电效应产生的电信号被传输到锁相放大器7中，经计算机11与锁相放大器7处理得到二次谐波信号，根据二次谐波信号的峰值便可反演出目标气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉、共振管、信号发生器、激光控制器、加法器、锁相放大器、计算机，其中：/n所述共振管为两段，两段共振管放置在石英音叉叉指中心的前后两侧；/n所述信号发生器产生的低频锯齿波和锁相放大器产生的高频正弦波被送入加法器，叠加后的信号构成了激光波长的调制信号；/n所述调制信号被送入激光控制器中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器输出激光的波长，激光经过激光准直系统后入射到待测气体气室中，待测目标气体吸收部分激光能量；/n所述激光从待测气体气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机中进行处理，反演气体浓度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉、共振管、信号发生器、激光控制器、加法器、锁相放大器、计算机，其中：
所述共振管为两段，两段共振管放置在石英音叉叉指中心的前后两侧；
所述信号发生器产生的低频锯齿波和锁相放大器产生的高频正弦波被送入加法器，叠加后的信号构成了激光波长的调制信号；
所述调制信号被送入激光控制器中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器输出激光的波长，激光经过激光准直系统后入射到待测气体气室中，待测目标气体吸收部分激光能量；
所述激光从待测气体气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机中进行处理，反演气体浓度。


2.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述可调谐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或其他波段的可调谐激光器。


3.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉与共振管之间预留一定间隙。


4.根据权利要求3所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉的厚度为0.32mm时，石英音叉与共振管之间预留0.5mm的间隙。


5.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉顶部与共振管在高度上的相对距离不超过2mm。


6.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉处于密闭气室中，密闭气室的气压处...

【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，郎梓婷，乔顺达，何应，于欣，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23