【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气体检测，更具体地，涉及一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置及系统。
技术介绍
1、光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，其具有零背景噪声检测、全频带响应和紧凑放大等优势，在痕量气体检测领域迅速发展。在光声效应中，气体分子吸收特定波长的红外光而被激发到高能态，处于高能态的分子通过无辐射跃迁的形式将吸收的光能转变为热能后回到低能态。如果对入射光进行频率调制，热能会呈现出与调制频率相同的周期性变化从而产生声波，通过微音器对声音信号进行检测可以计算得到气体的最终浓度。
2、为了有效地检测光声信号，具有高品质因数的石英音叉被应用于光声光谱中形成了石英增强光声光谱。由气体光声效应产生的声波可等效为力“推动”石英音叉的叉股摆动，跨阻抗放大器将压电效应产生的微弱电流信号放大为电压信号，并将其传递至锁相放大器，最终解调为谐波分量信号，分析得到气体浓度信息。在石英音叉增强型光声光谱技术中，为了提高装置的探测性能，通常在石英音叉的周围添加光声谐振管以实现信号增强。
3、理论上，在石英增强光声光谱技术中，光声信号强度符合以下规律：spa＝kcellαcpi，其中，kcell是光声池的池常数，由谐振管、品质因数和调制频率共同决定；α是目标气体的吸收系数；c是气体浓度；pi是入射光的光功率。在一定范围内光声信号强度与谐振管长度成正比，与半径成反比，光声池谐振管的尺寸越小，光生声压越大，光声效应越强。但是小内径的谐振管内气体粘性阻尼大，光声信号的能量会损失，并且小内径的谐振管难以实现光信号的耦合与传输，因此需要设
4、尤其是对于共轴配置的石英增强型光声光谱检测装置，虽然共轴配置的谐振管能显著提高灵敏度达30倍，但光束必须从振臂侧面的两个谐振管和音叉的两振臂间隙依次通过，光耦合损失大，引出谐振管有效的入射光功率难以保证。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置及系统，其目的在于，采用具有轴向延伸的内部空腔的条状光波导作为引入谐振管，实现传振一体谐振腔，减少引入谐振管的光能量损失，提高引出谐振管的入射光功率，从而实现更精确、灵敏的光声光谱气体检测，由此解决现有的共轴配置的石英增强型光声光谱检测装置引出谐振管的入射光功率较低的技术问题。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其石英音叉周围具有共轴设置的引入谐振管与引出谐振管；引入谐振管、引出谐振管与石英音叉共振耦合；
3、频率调制的气体分子吸收波段入射光，依次经过引入谐振管、石英音叉的引入与引出振臂间隙、以及引出谐振管；
4、所述引入谐振管为条状光波导，具有轴向延伸的内部空腔，其末端开口处于所述石英音叉引入振臂附近，且其末端与引入振臂侧面垂直；其开端与入射光耦合；
5、工作时，所述条状光波导将光能量约束于其内部空腔中延所述条状光波导轴向传播；内部空腔通入待检测气体，吸收所述入射光发生光声光谱效应产生的声波信号，由所述光波导末端开口，推动所述石英音叉的振臂振动，产生电信号输出。
6、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述引出谐振管为条状光波导，具有轴向延伸的内部空腔，其开端开口处于所述石英音叉引出振臂附近，且其开端与引出振臂侧面垂直。
7、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述引入谐振管和/或引出谐振管为空气孔微结构光纤。
8、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述光纤长度在10～200mm之间，其最小弯曲半径大于等于50mm。
9、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其当弯曲半径超过100mm时，所述光纤在3～8μm的中红外范围的约束损耗小于1db/m。
10、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述引入谐振管和/或引出谐振管为空芯反谐振光纤；所述空芯反谐振光纤具有圆形外包层，以及排列在所述外包层内表面的多个反谐振微结构；所述多个反谐振微结构构成反谐振包层，其合围形成空气纤芯。
11、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述空芯反谐振光纤的外包层内表面周向均匀排列有七个反谐振微结构，空气纤芯直径为100～160μm。
12、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其所述反谐振微结构为单层微环结构，其内径为40～80μm，厚度为1.0～1.8μm。
13、按照本专利技术的另一个方面，提供了一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测系统，其包括：
14、光源模块，用于发出频率调制的气体分子吸收波段入射光；
15、气体传导模块，具有可封闭腔室，用于通入待检测气体，其内部设有本专利技术提供的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，产生电信号输出；
16、信号处理模块，用于将所述电信号解调并处理为气体浓度检测结果。
17、优选地，所述传振一体式石英增强光声光谱气体检测系统，其所述光源模块发出的入射光为红外波段；
18、所述气体传到模块的可封闭腔室，在入射光的光路上依次设有前窗片、后窗片；所述前窗片材质为红外波段高透过率材料caf2。
19、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，能够取得下列有益效果：
20、本专利技术提供的石英增强光声光谱气体检测装置，其引入谐振管采用具有轴向延伸的内部空腔的条状光波导，实现传振一体的谐振管，有效激发声谱信号的同时，入射光能量在引入谐振管段的传输损耗，有效提高引出谐振管的入射光功率，从而产生更强的声场，提高光声光谱气体检测装置的灵敏度，实现更精确的气体浓度探测。
21、优选方案，采用本专利技术提供的采用空气孔微结构光纤为谐振管，具有柔性，使得整体系统的结构可以更加紧凑，质量更轻，抗干扰能力更强，系统更加稳定。
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1.一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，其石英音叉周围具有共轴设置的引入谐振管与引出谐振管；引入谐振管、引出谐振管与石英音叉共振耦合；
2.如权利要求1所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述引出谐振管为条状光波导，具有轴向延伸的内部空腔，其开端开口处于所述石英音叉引出振臂附近，且其开端与引出振臂侧面垂直。
3.如权利要求1或2所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述引入谐振管和/或引出谐振管为空气孔微结构光纤。
4.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述光纤长度在10～200mm之间，其最小弯曲半径大于等于50mm。
5.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，当弯曲半径超过100mm时，所述光纤在3～8μm的中红外范围的约束损耗小于1dB/m。
6.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述引入谐振管和/或引出谐振管为空芯反谐振光纤；所述空芯反谐振光纤具有圆
7.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述空芯反谐振光纤的外包层内表面周向均匀排列有七个反谐振微结构，空气纤芯直径为100～160μm。
8.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述反谐振微结构为单层微环结构，其内径为40～80μm，厚度为1.0～1.8μm。
9.一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测系统，其特征在于，包括：
10.如权利要求9所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述光源模块发出的入射光为红外波段；
...【技术特征摘要】
1.一种传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，其石英音叉周围具有共轴设置的引入谐振管与引出谐振管；引入谐振管、引出谐振管与石英音叉共振耦合；
2.如权利要求1所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述引出谐振管为条状光波导，具有轴向延伸的内部空腔，其开端开口处于所述石英音叉引出振臂附近，且其开端与引出振臂侧面垂直。
3.如权利要求1或2所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述引入谐振管和/或引出谐振管为空气孔微结构光纤。
4.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述光纤长度在10～200mm之间，其最小弯曲半径大于等于50mm。
5.如权利要求3所述的传振一体式石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于，当弯曲半径超过100mm时，所述光纤在3～8μm的中红外范围的约束损耗小于1db/m。...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴琴，于春花，徐祖应，吕大娟，司马朝坦，冯智宇，艾言，陈牧琪，
申请(专利权)人：长飞光纤光缆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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