[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

说明书

本发明公开了一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法，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。本发明利用石英音叉的谐振特性和压电效应，将其同时作为光信号探测器和声信号探测器，实现了一种同时获取直接吸收光谱信号和光声光谱信号的双光谱技术，通过直接吸收光谱信号反演出的气体浓度信息，为光声光谱提供校正，校正后的光声光谱和直接吸收光谱分别用于低浓度和高浓度的样品分析，能够充分利用激光光强,实现宽动态范围的气体浓度测量。

技术领域

本发明涉及光电或光谱测量技术领域，具体为一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法。

背景技术

激光光谱作为一种光学的分析手段，具有分辨率和选择性高、无二次污染和非破坏性等特性，而被广泛地用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧诊断和呼吸气体成分诊断等。目前，从技术原理上，激光光谱技术分为：基于高精度光学腔的光谱技术(如：腔衰荡光谱，腔增强光谱或积分腔光谱)，调制光谱技术(如：波长/频率调制，磁旋转调制光谱)，直接吸收光谱和光声光谱。总体上，基于高精度光学腔的光谱技术可实现百米至千米级有效吸收光程，灵敏度极高，但是光学系统相对复杂，成本和技术要求高。调制光谱技术通过结合相应的调制技术，使得该方法无法直接获取相关信息，需通过校正过程才能得到相关物理量信息。直接吸收光谱作为一种免校正的光谱分析方法，可通过选择单通池或多次反射型吸收池实现不同级别的灵敏度。光声光谱具有波长响应带宽限制的优点，动态范围宽，系统结构简单，体积小。随着光声信号探测技术的发展,2002年美国莱斯大学的研究人员报道了一种基于石英音叉的新型光声光谱，即石英音叉增强型光声光谱(Quartz-enhancedPhotoacoustic Spectroscopy：QEPAS)。2003年芬兰图尔库大学的研究人员报道了一种基于迈克尔逊干涉技术的新型光声光谱，利用迈克尔逊干涉方法实现光声信号的提取，即悬臂梁增强型光声光谱(Cantilever-enhanced Photoacoustic Spectroscopy:CEPAS)。相比而言，CEPAS灵敏度更高，但系统整体结构相对较复杂；QEPAS以石英音叉代替传统的麦克风作为声信号探测器，使得光声光谱系统体积更加小型化，且灵敏度亦得到很大的提升。因而，近年来，QEPAS光谱技术更受国内外广大光谱科研工作者的青睐。

传统的光谱系统中，通常采用半导体光电探测器实现光电信的转换，依据半导体材料的不同，半导体光电探测器对光波长响应带宽有限。吸收光谱中检测的是光与物质相关作用过程中光强的微弱衰减量，光源光强过强无益，反而亦烧毁光电探测器；而光声光谱中检测的是光与物质相互作用过程中，以无辐射驰豫过程释放的能量而引起的压力波(即声波)，原理上光声信号的大小与入射光源的光功率成正比例。

针对当前直接吸收光谱和光声光谱技术中存在的问题，本发明利用石英音叉的压电效应和谐振特性，将其同时作为光信号探测器和声信号探测器，实现了一种可同时获取直接吸收光谱信号和谐振增强光声光谱信号的双光谱技术。灵敏度低的直接吸收光谱用于高浓度样品测量，灵敏度高的谐振增强光声光谱信号用于低浓度样品测量。此种方法能够克服只采用一种光谱方法的光谱系统中所存在的缺陷或不足，能充分利用入射光源的发光强度，且不受入射光源波长限制，具有全波段响应的特性，及可检测浓度范围宽等特性。到目前为止，尚未发现任何关于利用石英音叉同时获取上述两种光谱信号的方法及其应用的研究。

发明内容

针对现有光谱技术中的不足之处，本发明提出一种以石英音叉同时作为直接吸收光谱的光信号探测器和光声光谱的声信号探测器的双光谱检测装置和方法。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是：