[发明专利]一种痕量气体浓度检测方法

说明书

本发明实施例涉及一种痕量气体检测的方法，包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器(1)、激光准直聚焦系统(2)、石英谐振器(3)、阻抗放大器(4)、控制与数据采集系统(5)、计算机(6)。半导体激光器(1)输出激光经激光准直聚焦系统(2)聚焦后沿石英谐振器(3)的宽度面传输，气体分子吸收激光后产生的声波直接作用到石英谐振器(3)的宽度面上。石英谐振器(3)受到声波激励后产生的压电信号传输至阻抗放大器(4)并由控制与数据采集系统(5)与计算机(6)进行信号解调与后处理。本方法能够快速检测出大气环境中存在多种痕量气体。

技术领域

本发明涉及激光检测领域，具体涉及一种利用激光对痕量气体的检测方法。

背景技术

大气环境中存在多种痕量气体，例如甲烷(CH₄)、臭氧(O₃)、一氧化碳(CO)等，浓度在ppt-ppm量级，它们的含量虽然很低，但是却对环境有着很大的影响。精确测量这些痕量气体的组分、含量以及其随时间、空间的分布变化，对于基础科学和应用技术研究也具有非常重要的意义。

在痕量气体检测技术研究中，测量方式可分为非光谱法和光谱法。相比非光谱法的测量手段而言，光谱法有着高灵敏度、高分辨率等优点，同时随着激光光谱技术的迅速发展和激光器件的研究进步，使得利用激光光谱技术实现痕量气体的检测成为了新的研究领域。在众多激光光谱测量方法中，光声光谱由于具有成本低、探测性能好而成为目前的研究热点。

提高激光光声光谱探测技术的探测范围和探测灵敏度的方法通常包括光声池的优化设计以及高灵敏度新型传感器的设计两个方面。例如，Harren等人通过理论分析和实验研究对纵向共振光声池结构进行了优化设计，并完成了C₂H₂气体的探测，其极限探测灵敏度高达6ppt。V.Koskinen等采用微悬臂梁作为光声光谱探测系统的声传感器，完成对CO2气体探测对象。特别是美国的Anatoliy A.Kosterev等在2002年采用具有极高品质因数的石英音叉作为声传感器，首次提出了石英增强型光声光谱探测系统，极大地增加了系统对环境噪声的抗干扰能力，因此受到了研究工作者的极大关注，对此进行了深入的探索研究，并广泛应用于各种痕量物质探测中。上述方法采用光声池作为声信号增强器件，仅能对被测物质进行接触式近距离探测，因此极大地限制了对爆炸物、有毒有害物质的探测。

光谱法痕量气体检测技术有着灵敏度高、可在线测量等优点，随着激光光谱技术的迅速发展和以及激光器件的研究进步，成为了一大热门的研究应用领域。近年来，在众多光谱法测量技术中，石英增强光声光谱由于具有探测灵敏度高，成本低、体积小等优点，在光谱式气体传感技术中脱颖而出。

在石英增强光声光谱技术中，由于石英谐振器经声波激励后产生的压电信号与谐振器叉股弯曲摆幅成正比，因此，通过提高石英谐振器叉股弯曲摆幅可提高其产生的压电信号，最终提高传感器的探测极限。然而目前就提高石英谐振器叉股弯曲摆幅而言，只有通过提高激光器入射功率，没有其他有效的技术手段。但激光器输出功率有限，因此通过使用高功率激光器、改善传感器性能的方法具有一定局限性。另一方面，在石英增强光声光谱技术中，探测信号与石英谐振器的谐振频率f₀成反比。而据该技术目前报道所知，未见低于6kHz谐振频率的石英谐振器，因此现有技术均没有有效的方案来降低石英谐振器的谐振频率。

因此，研发一种高灵敏度、且能在任意环境中进行检测的装置或方法就变得十分紧迫。

发明内容

本发明实施例提供了一种痕量气体检测的方法，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。

本发明实施例提供的一种痕量气体检测的方法，包括如下步骤：

半导体激光器1输出中心波长为1528nm的检测激光，激光波长随注入电流的调谐系数为-0.025cm^-1/mA，温度系数为-0.43cm^-1/℃；