[发明专利]一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉、共振管、信号发生器、激光控制器、加法器、锁相放大器、计算机，其中：

所述石英音叉与共振管之间预留一定间隙；

所述石英音叉的厚度为0.32 mm时，石英音叉与共振管之间预留0.5 mm的间隙；

所述共振管为两段，两段共振管放置在石英音叉叉指中心的前后两侧；

所述信号发生器产生的低频锯齿波和锁相放大器产生的高频正弦波被送入加法器，叠加后的信号构成了激光波长的调制信号；

所述调制信号被送入激光控制器中，通过温度和电流两个模块改变可调谐半导体激光器输出激光的波长，激光经过激光准直系统后入射到待测气体气室中，待测目标气体吸收部分激光能量；

所述激光从待测气体气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉叉指的根部位置，由于光致热弹性形变和压电效应，产生的振动信号转换为电信号并将此电信号输入到锁相放大器中进行谐波信号采集，谐波数据最后输入计算机中进行处理，反演气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述可调谐半导体激光器为近红外连续可调谐单纵模输出的分布反馈式半导体激光器或其他波段的可调谐激光器。

3.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉顶部与共振管在高度上的相对距离不超过2 mm。

4.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉处于密闭气室中，密闭气室的气压处于50~500 Torr之间。

5.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉的等效阻抗值小于200 kΩ，品质因数大于10000。

6.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锁相放大器产生的正弦波对激光器输出波长进行调制，且调制频率等于石英音叉共振频率的一半。

7.根据权利要求1所述的基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述共振管替换为圆柱形腔、圆形腔或椭圆形腔。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述装置进行基于腔增强的光热光谱痕量气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：调节依次通过可调谐半导体激光器、激光准直系统、待测气体气室、聚焦透镜、石英音叉的光路，保证光路在水平和垂直方向上笔直，并合理选择共振管的内径与长度；

步骤二：激光控制器通过改变温度和电流的方式控制可调谐半导体激光器的输出波长，找到对应检测气体吸收线的温度和电流；

步骤三：使用计算机操控锁相放大器先对石英音叉的共振频率进行扫描，将得到的共振频率的一半设定为正弦波的频率，随后对调制深度进行扫描，得到最佳调制深度；

步骤四：三维调节石英音叉的位置，确保激光入射在石英音叉两叉指的根部位置，并优化两段共振管与石英音叉的相对位置使实验效果最佳；

步骤五：通过激光控制器改变温度或电流，使可调谐半导体激光器波长被调节到合适范围，以便信号发生器输出的低频锯齿波作用到可调谐半导体激光器上，经计算机与锁相放大器的数据处理得到一个完整的二次谐波信号；

步骤六：石英音叉由于压电效应产生的电信号被传输到锁相放大器中，经计算机与锁相放大器处理得到二次谐波信号，根据二次谐波信号的峰值便可反演出目标气体的浓度信息。