[发明专利]基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感装置领域，尤其是基于离轴声谐振腔石英音叉双波长差分光声气体传感装置，具体为一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声二氧化氮气体传感装置。 

背景技术

随着国民经济的快速发展，环境和健康已经引起人们的广泛关注。二氧化氮(NO₂)是一种有毒并具有腐蚀性的污染气体之一，对人类健康具有严重的危害性，因此二氧化氮(NO₂)成为我国空气质量预报的首选监测的污染物之一。目前二氧化氮(NO₂)探测方法主要有电化学法、气相色谱法、质谱法和差分吸收光谱法等。目前在工业上使用较多的是差分吸收光谱方法用于烟气排放检测，对于实时在线测量环境中的二氧化氮浓度，需要较长的光程，系统体积较大，价格昂贵。因此发展体积小、功耗低、灵敏度高的微型新型光学传感器在工业和环境等领域具有重要的应用价值。 

2005年6月2日公告的美国发明专利说明书US 2005/0117155A1中提及的一种“石英增强光声光谱装置”。它意欲提供一种采用石英音叉的光声光谱装置来探测气体物质的成分或含量。它的构成为激光器及其光路上置有的聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉，以及激光器的输入端与函数发生器电连接，石英音叉的输出端与锁相放大器电连接，函数发生器的输出端与锁相放大器的输入端电连接；其中，管状谐振腔为分置于石英音叉两边的两只长度为2.45mm、内直径为0.3～0.5mm的细管，这两只细管的管轴心均与光路同轴，聚焦透镜的焦点位于石英音叉的音叉切口处。探测时，函数发生器发出石英音叉共振频率f的f/2的正弦调制信号来调制激光器的输出，位于石英音叉的音叉切口附近的待测气体样品吸收受调制的激光后将产生频率与石英音叉的共振频率f相同的声波，由于声波的频率等于石英音叉的共振频率，因此声波的振动将激发石英音叉产生共振。因石英音叉具有压电效应，故此共振的石英音叉将产生压电电流信号，此信号经锁相放大器在共振频率f处进行解调，从而得到气体样品的吸收。 

在2009年2月4日公开的专利说明书(申请号200810214782.3，公开号CN101358918A)中提及了一种另外的石英音叉增强型光声光谱的发明。在该专利说明书中所述的发明与前面所述的美国发明专利说明书中的发明不同之处在于：在该发明中用了两个石英音叉。第一个石英音叉放置在光路中用来探测光声信号。第二个石英音叉放置在探测光声信号的第一个石英音叉后面用来探测或监控光功率。 

但是，这两种装置均存在着不足之处，首先，为形成共振，光路即激光束必须通过两只细管及石英音叉的音叉切口，而音叉切口的宽度一般仅为0.2～0.3mm，因此，激光源的光束质量必须非常的好，即聚焦后的光斑必须能通过石英音叉的音叉切口，这既增大了装置调整的难度，又增加了装置的制造成本和使用成本；其次，用于共振增强信号的两只细管间隔有石英音叉，以及石英音叉与两只细管间又存在着间隔，使声共振条件并没有完全满足，大大地降低了共振增强的效果；再次，石英音叉的音叉切口极大地限制了其两边所加细管的内径大小，管内径越大增强效果越小，而小的管内径却给激光束的布置带来了极大的复杂性，激光束必须严格地穿过两只细管的中心以及石英音叉的音叉切口的中心，如果激光束射到细管的管壁或石英音叉的一个臂上，那将会引起噪声，且激光束偏离石英音叉的音叉切口的中心也将会大大地降低共振信号的强度。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，以解决现有技术中的装置体积大、功耗高、价格昂贵、难以大范围推广等缺点。 

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：