[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

说明书

本发明公开了一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法，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，叠加后的信号构成激光波长的调制信号；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；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。本发明的装置具有灵敏度高、成本低、非接触式测量等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法。

背景技术

石英增强光热光谱技术是在2018年被马欲飞等人提出的一种新型痕量气体检测技术，近几年国内外多个研究单位利用该技术实现了灵敏度高、选择性好、响应速度快、非接触式的气体测量。该技术利用了石英材料对光的吸收特性并将吸收的光能转化为热能。由于热弹性效应，石英音叉表面会产生机械形变，利用石英的压电效应，可以检测到电信号，从而反演出气体浓度。在同一气体浓度和实验条件下，噪声值只会在某个小范围内随机涨落，而信号值就成为了该传感器信噪比和最小探测极限的决定因素。因此，增强光热光谱系统信号水平、进而提升系统信噪比是改善光热光谱传感器探测性能的有效手段。

在基于石英音叉的光热光谱痕量气体检测技术中，激光经过待测气体气室激发待测气体后照射在石英音叉的叉指根部，使音叉振动而产生光热信号。在光热光谱技术中，光热信号的大小与音叉的振动幅度成正比，所以增强音叉的振动幅度有利于获得更高的信号幅值，提升气体传感器性能。目前，通过增大激光激发功率来提高光热信号强度的方法是一种增大音叉摆动幅度的有效途径。但激光功率过高，音叉中的热噪声幅值会急剧上升，导致传感系统信噪比恶化，最终限制了传感器的探测性能，使得这种方法具有很大的局限性。

发明内容

本发明为增强光热光谱技术的信号强度，受到腔增强型光声光谱技术的启发，利用共振管能使音叉振动产生的声波形成驻波场达到加强，并反作用到石英音叉上增强振动幅度、增强信号幅值的原理，提出了一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置及方法，即共振管放置在音叉的叉指中间位置，用以增强光热光谱的信号幅值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于腔增强的光热光谱痕量气体检测装置，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。

一种利用上述装置进行基于腔增强的光热光谱痕量气体检测的方法，具体实现过程如下：

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；