[发明专利]径向腔石英增强光声光谱测声器及其气体探测装置

说明书

本发明涉及一种光声光谱测声器，包括：具有中心轴线和垂直于中心轴线的对称线的圆柱筒；设置在圆柱筒入口端的入射窗口；设置在圆柱筒的出口端的透光的出射窗口；设置在圆柱筒外壁的进出气口；由入射和出射窗口之间封闭的径向腔气室；在径向腔气室内固定布置的石英音叉，使得圆柱筒的对称线沿石英音叉的两叉臂之间的缝隙中间穿入石英音叉座，并且圆柱筒的中心轴线垂直地通过石英音叉的两叉臂之间的缝隙。还涉及一种气体探测装置，包括上述的光声光谱测声器。本发明采用的径向共振模式对谐振腔的长度要求低，使得光束准直更便利；以强径向共振模式还使得输出信号有了大幅度增强；而径向腔可以同时用作谐振腔和气室，简化结构及减少体积。

技术领域

本发明涉及气体传感技术，具体涉及一种径向腔石英增强光声光谱(RC-QEPAS)测声器及采用该测声器的气体探测装置。

背景技术

光声光谱(PAS)是一种有着高灵敏度，高选择性，大动态范围优点的零背景光学气体传感技术。PAS的原理是气体分子在被激光照射后发生非辐射跃迁从而产生局部压力。假如激光是被调制的，产生的局部压力会周期性地变化，形成声波。与其他激光吸收光谱相比，光声光谱最大的特点是不依赖光传播路径的长度，允许在体积很小的样品中吸收程长度较短，浓度响应呈高度线性。作为PAS的一个变种，石英增强光声光谱技术(QEPAS)自从它2002年被发明以来迅速发展。在QEPAS中，具有压电性能的强烈共振的石英音叉(QTF)被用作把声音信号转化为电信号的换能器。由于QTF有着成本低、体积小、高Q值的优点，QEPAS传感器相比传统光声光谱传感器更加紧凑，有着更强的抗噪声能力。得益于QEPAS的这些优点，它被广泛引用于大气污染物监测、农业与工业以及医学诊断过程控制。近年来，QEPAS被应用在监测汽车排放到大气气体中一氧化氮和甲烷的监测。

为了提升QEPAS传感器的性能，微型声学谐振腔(AmR)被用来产生声学谐振以增强声音信号，例如用于同轴石英增强光声光谱(on-beam QEPAS)装置、旁轴石英增强光声光谱(off- beam QEPAS)装置以及它们的变种。到目前为止，所有这些QEPAS装置都是基于轴向的共振，这需要谐振腔的长度远大于它的直径。在QEPAS中，激光光束通常需要穿过音叉两臂之间大约为300μm的间隙和一根或多根直径为几百微米、全长大约9cm或更长的细管。谐振腔必须被精确地放置在距离音叉平面大约几百微米的位置以得到一个强的耦合。QEPAS的信号与 QTF的谐振频率成反比，当气体分子的振转弛豫率较低时，低谐振频率的QTF表现更好。但是低的谐振频率会导致谐振腔更长。在这种情况下，特别是在使用长波长光源(比如量子级联激光器和THz光源)的时候，光束准直难度更大。

发明内容

本发明提供一种径向腔石英增强光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置，旨在至少解决现有技术中存在的解决目前的一维轴向谐振模式的QEPAS中光束难以准直、谐振腔搭建精度要求高等技术问题之一。

本发明的技术方案涉及一种光声光谱测声器，包括：圆柱筒，所述圆柱筒具有中心轴线和垂直于所述中心轴线的对称线；设置在所述圆柱筒的入口端的透光的入射窗口；设置在所述圆柱筒的出口端的透光的出射窗口；设置在所述圆柱筒外壁的进气口和出气口，其中优选地，所述进气口和出气口可以相对于所述对称线对称布置；由所述入射窗口和所述出射窗口之间封闭的径向腔气室，所述径向腔气室与所述进气口和所述出气口连通；在所述径向腔气室内固定布置的石英音叉，使得所述圆柱筒的对称线沿所述石英音叉的两叉臂之间的缝隙中间穿入石英音叉座，并且所述圆柱筒的中心轴线垂直地通过所述石英音叉的两叉臂之间的缝隙。

进一步，所述入射窗口和所述出射窗口由近红外光的高透光材质的薄片组成；所述入射窗口和所述出射窗口分别与所述圆柱筒的对称线的夹角为4°至6°，优选为5°。

进一步，所述石英音叉为标准尺寸的强烈共振型石英音叉；所述圆柱筒的所述径向腔气室的腔半径尺寸为6mm至6.6mm；所述圆柱筒的所述径向腔气室的腔长度尺寸为6.5mm至 7.5mm。