[发明专利]一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置，其特征在于，包括波长可调谐激光器、聚焦准直透镜、孔径可调方形光栏、样品池、透光窗片、第一音叉、进出气口、第二音叉、第一前置放大电路和第二前置放大电路、激光器控制模块、模数转换模块、数模转换模块、计算机控制单元；所述计算机控制单元的信号输出端与数模转换模块连接，数模转换模块的信号输出端与激光器控制模块连接，激光器控制模块与波长可调谐激光器控制连接；所述样品池的两端分别开孔并嵌入透光窗片，样品池上设有进气口、出气口，样品池内充有待检测的气体分子，气体分子种类依据波长可调谐激光器的工作波长而定，第一音叉和第二音叉分别设置在样品池内、外；所述聚焦准直透镜、孔径可调方形光栏、样品池的两透光窗片依次设置在波长可调谐激光器的光束出射光路上，所述第一音叉和第二音叉为谐振频率相同的两个石英音叉，两者平行安置但不完全同轴，且两个音叉振臂的侧面皆与入射光束垂直；孔径可调方形光栏调节后的入射光束光斑要大于音叉振臂的侧面宽度；所述第一前置放大电路和第二前置放大电路的信号输入端分别与第一音叉和第二音叉连接，第一前置放大电路和第二前置放大电路的信号输出端接入模数转换模块，模数转换模块的信号输出端与计算机控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元内包括Labview软件编写的模拟信号输出模块和双路光谱信号分析处理算法模块。

3.一种基于权利要求1所述基于石英音叉的双光谱气体检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

[01]计算机控制单元中Labview软件编写的激光器调制信号或脉冲驱动电压信号通过数模转换模块变成模拟信号，再经过激光器控制模块，最终输入给波长可调谐激光器，实现激光器波长的调谐和调制输出；

[02]波长可调谐激光器发出的调制激光经过聚焦准直透镜变成平行光束，平行光束的光斑大小由孔径可调方形光栏控制调节后，再耦合进入样品池；

[03]样品池内，入射光束光斑要大于音叉振臂的侧面宽度，使得入射光束一部分光垂直入射到第一音叉振臂的侧面上，另一部分光穿过样品池后，直接入射到第二音叉振臂的侧面上；

[04]由于波长可调谐激光器的调制频率与石英音叉的谐振频率相同，样品池内的入射光束中部分能量被充入的待检测分子吸收，并通过无辐射驰豫过程形成光声信号，激发第一音叉共振，同时入射到第一音叉振臂侧面的光束通过光压作用亦引起第一音叉共振，从而实现两种不同信号源同时激励第一音叉谐振，最终产生两种共振增强信号的叠加信号；

[05]此外，穿过样品池的入射光束亦通过光压作用引起第二音叉共振；

[06]由于石英音叉自身的压电效应会感应出压电电流，第一音叉和第二音叉共振产生的压电电流分别通过低噪声、高精度第一前置放大电路和第二前置放大电路放大并转换成电压信号；

[07]上述两路信号再由模数转换模块转换成数字信号后输入到计算机控制单元中Labview软件编写的双光谱信号分析处理算法模块，进行相关处理；

[08]双光谱信号分析处理算法模块首先通过快速傅里叶变换算法对石英音叉输出的时域信号进行频谱分析，再结合极值算法计算出谐振频率处两路光谱信号的幅值，最终依据激光器发射波长与两路光谱信号幅值之间的对应关系，分别获得对应第一音叉的叠加光谱和第二音叉对应的直接吸收光谱；

[09]利用所述双光谱气体检测装置测量未知浓度分析物之前，首先利用第二音叉对应的直接吸收光谱反演出分析物的浓度值，再利用该浓度值对第一音叉对应的共振增强叠加光谱进行校正，计算出光声池响应常数；

[10]最后，分别利用直接吸收光谱和光声光谱用于高浓度或低浓度样品分析，依据待检测分析物浓度范围，选择相应的检测方法。