本发明专利技术提供一种湿度自校准的气体分析装置及方法，包括：音叉和微丝；微丝的两端桥接在音叉开口处的两个振臂上；装置被置于待测环境后，音叉共振频率对应的电导谱用于确定待测环境的湿度，音叉在光信号作用下产生的光声光谱信号用于确定待测环境内待测气体的浓度；当装置用于对待测环境的待测气体浓度进行监控时，预先获取待测气体浓度为预设值时在不同湿度下音叉测量得到的第一光声光谱信号值；之后，装置按照要求测量得到对应的湿度值和待测气体第二光声光谱信号值，将第二光声光谱信号值与对应湿度值的第一光声光谱信号值对比，确定待测气体浓度是否发生变化。本发明专利技术能够进行湿度自校准，实现对待测气体浓度的准确分析。实现对待测气体浓度的准确分析。实现对待测气体浓度的准确分析。
【技术实现步骤摘要】
一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法
[0001]本专利技术属于气体传感领域，更具体地，涉及一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法。
技术介绍
[0002]32768Hz石英音叉是一种大规模生产的晶体振荡器，其谐振频率为32768Hz，通常在手机和时钟中作为计时元件使用。由于石英具有低内部机械损耗，在真空中石英音叉的Q因子高达约100000，在大气中为约10000。去除其金属外壳后，石英音叉被暴露并用作压电传感器。到目前为止，石英音叉已经被用作许多科学领域的传感器。石英音叉可用于微力感知、电场分析、原子力显微镜、动态力学分析、热显微镜、光探测器和声学探测器等领域。与其他机械谐振器(如悬臂梁和弦谐振器)相比，石英音叉具有更简单的结构，其谐振行为可以通过其自身的压电效应直接读取，无需额外的读出设备。
[0003]石英增强光声光谱(Quartz
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enhanced Photoacoustic Spectroscopy，QEPAS)是一种基于石英音叉的光声学，是一种用于痕量气体检测的紧凑且高灵敏度的方法。在石英增强光声光谱中，石英音叉被用作声波传感器，施加在石英音叉振臂上的声波通过压电效应转换成电信号。由于石英音叉只响应频率为32768Hz的振动，石英音叉传感器对环境噪声具有很好的抗干扰性和高灵敏度。石英音叉气体传感器已应用于大气环境监测、石油气体监测、人体医学诊断、火灾预警等方面。与大多数激光光谱传感器一样，当前石英音叉气体传感器在红外区域受到水汽干扰，在实际气体监测中，研究人员必须测量水汽浓度来校准传感器性能。同时，现有技术的音叉频率响应带宽较窄，导致对激励的调制光信号频率稳定性要求较高，从而需要较大的设备成本。
[0004]综上所述，当前的石英增强光声光谱气体传感器在红外区域的检测受到水分子的强烈干扰，音叉频率响应带宽较窄，导致了现有石英增强光声光谱中目标气体浓度检测不准确，对应的气体分析结果不可靠，设备要求和成本高。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法，旨在解决现有目标气体浓度检测不准确，导致气体分析结果不可靠，且设备复杂和成本高的问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种湿度自校准的气体分析装置，包括：音叉和微丝；
[0007]所述微丝的两端桥接在音叉开口处的两个振臂上；所述微丝对水分子敏感，当其所在环境的湿度增加时，微丝存储水分子，当其所在环境的湿度降低时，微丝释放水分子；所述微丝的弹性模量与其内部水分子含量呈反相关关系；
[0008]所述装置被置于待测环境后，所述音叉共振频率对应的电导谱用于确定待测环境的水分子浓度，即湿度，所述音叉在光信号作用下产生的光声光谱信号用于确定待测环境
内待测气体的浓度；
[0009]当所述装置用于对待测环境的待测气体浓度进行监控时，预先获取待测气体浓度为预设值时在不同湿度下音叉测量得到的第一光声光谱信号值；随后，装置按照要求测量音叉电导谱，得到对应的湿度值，接着通过音叉测量待测气体的第二光声光谱信号值，将第二光声光谱信号值与对应湿度值的第一光声光谱信号值对比，若相对较小，则表明待测气体浓度相比预设值有所下降，若相对较大，则表明待测气体浓度相比预设值有所提升，否则表明待测气体浓度未发生变化。
[0010]在一个可能的示例中，所述微丝为蛛丝、蚕丝或动物毛发。
[0011]在一个可能的示例中，所述装置还能用于对待测环境的湿度进行监控。
[0012]在一个可能的示例中，若待测环境的湿度和待测气体浓度需要维持在预设湿度和预设气体浓度；
[0013]当所述装置用于对待测环境的待测气体浓度和湿度进行监控时，若测量得到的湿度相比预设湿度变化，则调整待测环境的湿度，使其达到预设湿度；若测量得到的当前湿度下的待测气体第二光声光谱信号值相比当前湿度下预设气体浓度的第一光声光谱信号值有所变化，则调整待测环境的待测气体浓度，使其达到预设气体浓度。
[0014]在一个可能的示例中，所述装置对光声光谱信号的频率响应带宽相比没有桥接微丝的音叉对光声光谱信号的频率响应带宽有所提高，使装置对输入光信号的频率稳定性要求有所降低。
[0015]第二方面，本专利技术提供了一种湿度自校准的气体分析方法，包括以下步骤：
[0016]将微丝的两端桥接在音叉开口处的两个振臂上；所述微丝对水分子敏感，当其所在环境的湿度增加时，微丝存储水分子，当其所在环境的湿度降低时，微丝释放水分子；所述微丝的弹性模量与其内部水分子含量呈反相关关系；
[0017]将音叉置于待测环境，通过音叉共振频率对应的电导谱确定待测环境的水分子浓度，即湿度，通过音叉在光信号作用下产生的光声光谱信号确定待测环境内待测气体的浓度；
[0018]预先获取待测气体浓度为预设值时在不同湿度下音叉测量得到的第一光声光谱信号值；之后，按照要求通过音叉测量得到对应的湿度值和待测气体第二光声光谱信号值，将第二光声光谱信号值与对应湿度值的第一光声光谱信号值对比，若相对较小，则表明待测气体浓度相比预设值有所下降，若相对较大，则表明待测气体浓度相比预设值有所提升，否则表明待测气体浓度未发生变化。
[0019]在一个可能的示例中，所述微丝为蛛丝、蚕丝或动物毛发。
[0020]在一个可能的示例中，所述音叉还能用于对待测环境的湿度进行监控。
[0021]在一个可能的示例中，若待测环境的湿度和待测气体浓度需要维持在预设湿度和预设气体浓度；
[0022]若音叉测量得到的湿度相比预设湿度变化，则调整待测环境的湿度，使其达到预设湿度；
[0023]若音叉测量得到的当前湿度下待测气体第二光声光谱信号值相比当前湿度值下预设气体浓度的第一光声光谱信号值有所变化，则调整待测环境的待测气体浓度，使其达到预设气体浓度。
[0024]在一个可能的示例中，所述微丝用于提高音叉对光声光谱信号的频率响应带宽，降低其对输入光信号的频率稳定性要求。
[0025]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0026]本专利技术提供一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法，提出了一种新型的分析混合气体方式。石英增强光声光谱
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电导谱联用音叉的两个振臂上桥接一条蜘蛛丝，形成一个电导谱的通道。激光从两个振臂的缝隙入射，穿过石英音叉进行激发，形成一个光声光谱通道。本专利技术可以在预设条件下判别湿度和待测气体浓度变化。
[0027]本专利技术提供一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法，经过微丝修饰的音叉，频率响应曲线的带宽比现有技术提高67％，降低了光谱技术中装置对激光的调制频率稳定性要求，提高了设备的公差容忍度，减小了设备成本。本专利技术使用同一个音叉测量电导谱和光谱，简化装置结构，成本经济，且功能高于现有技术。
[0028]本专利技术提供一种湿度自校准的混合气体分析装置及方法，排除了水分子对于红外区域气体检测的干扰本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种湿度自校准的气体分析装置，其特征在于，包括：音叉和微丝；所述微丝的两端桥接在音叉开口处的两个振臂上；所述微丝对水分子敏感，当其所在环境的湿度增加时，微丝存储水分子，当其所在环境的湿度降低时，微丝释放水分子；所述微丝的弹性模量与其内部水分子含量呈反相关关系；所述装置被置于待测环境后，所述音叉共振频率对应的电导谱用于确定待测环境的水分子浓度，即湿度，所述音叉在光信号作用下产生的光声光谱信号用于确定待测环境内待测气体的浓度；当所述装置用于对待测环境的待测气体浓度进行监控时，预先获取待测气体浓度为预设值时在不同湿度下音叉测量得到的第一光声光谱信号值；随后，装置按照要求测量音叉电导谱，得到对应的湿度值，接着通过音叉测量待测气体的第二光声光谱信号值，将第二光声光谱信号值与对应湿度值的第一光声光谱信号值对比，若相对较小，则表明待测气体浓度相比预设值有所下降，若相对较大，则表明待测气体浓度相比预设值有所提升，否则表明待测气体浓度未发生变化。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微丝为蛛丝、蚕丝或动物毛发。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还能用于对待测环境的湿度进行监控。4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，若待测环境的湿度和待测气体浓度需要维持在预设湿度和预设气体浓度；当所述装置用于对待测环境的待测气体浓度和湿度进行监控时，若测量得到的湿度相比预设湿度变化，则调整待测环境的湿度，使其达到预设湿度；若测量得到的当前湿度下的待测气体第二光声光谱信号值相比当前湿度下预设气体浓度的第一光声光谱信号值有所变化，则调整待测环境的待测气体浓度，使其达到预设气体浓度。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置对光声光谱信号的频率响应带宽相比没有桥接微丝的音...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑华丹，庄若彬，林乐晴，林灏杨，王成龙，谢嘉保，朱文国，钟永春，余健辉，李真，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：
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