一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法，所述光声光谱气体传感器由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。利用其实现微量气体传感测量的方法如下：步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。本发明专利技术可以实现空间浓度场多点的同时测量，具有简单易行、可靠性高、成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光传感器领域，涉及一种多点测量的光声光谱气体传感器及气体测量方法。
技术介绍
微量气体传感器技术可对气体的组分、浓度进行检测，在大气化学、燃烧学以及医学等领域有着重要的用途。石英增强光声光谱气体传感器是一种常见的气体传感器，具有灵敏度高、可在线测量等优点。但常见的石英增强光声光谱气体传感器只能对空间中某一点处的气体浓度进行测量，无法实现多点同时测量。为了获取空间多点处的气体浓度值，需要同时采用多个传感器，这就会大大增加测量成本。光纤分束器可将激光束进行分束，实现一束变多束。如果采用单模光纤分束器，将石英增强光声光谱气体传感器中的半导体激光器输出光束进行分束，实现多光束输出，那么，采用多个石英音叉在空间多处进行探测，将会得到空间多个位置处的气体浓度值。这将会解决传统石英增强光声光谱气体传感器无法实现多点测量的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法，利用光纤分束器将半导体激光器输出的激光束分为N束，然后采用N个石英音叉进行测量，实现空间浓度场多点的同时测量，具有简单易行、可靠性高、成本低的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种多点测量的光声光谱气体传感器，由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。利用上述多点测量石英增强光声光谱气体传感器实现微量气体传感测量的方法，由以下步骤实现：步骤一、半导体激光源发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束，N>1；步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器对此电流信号进行解调，反演气体浓度。本专利技术针对微量气体传感探测，构建了一种新型多点测量石英增强光声光谱气体传感器，利用光纤分束器将半导体激光器输出的激光束分为N束（以N=3为例），然后采用N个石英音叉进行测量，实现空间浓度场多点的同时测量，相对于传统的石英增强光声光谱传感器来说，可实现多点、多空间测量，可满足不同空间同时测量的要求。附图说明图1为多点测量石英增强光声光谱气体传感器的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的多点测量石英增强光声光谱气体传感器由半导体激光器1、光纤分束器2、石英音叉3、锁相放大器4构成，所述半导体激光器1、光纤分束器2、石英音叉3沿光束传播方向依次设置，石英音叉3与锁相放大器4连接，半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。本实施方式中，所述半导体激光器1为单模输出，激光线宽小于10MHz，光学功率不低于3W。本实施方式中，所述光纤分束器2为单模光纤，N＞1，光纤分束比相等。本实施方式中，所述光纤分束器2中的单模光纤距离石英音叉的顶部距离为0.7~1.3mm。本实施方式中，所述光纤分束器2中的光纤对半导体激光的传输损耗小于1db/km。本实施方式中，所述光纤分束器2中的光纤长度决定了空间N点之间的距离。本实施方式中，经过光纤分束器2的N束激光，每一束激光功率均不小于1mW。本实施方式中，石英音叉3的Q值必须大于5000（1个大气压下）。本实施方式中，石英音叉3的叉股间隙不小于10μm，且不大于300μm。本实施方式中，所述石英音叉3的共振频率不大于50kHz。具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用多点测量石英增强光声光谱气体传感器可以实现空间多处微量气体浓度测量的方法，由以下步骤实现：步骤一、半导体激光器发射出的激光通过光纤分束器将激光束分为N束（以N=3为例）；步骤二、待测目标气体吸收光纤分束器2输出的激光能量，产生声波场，N个石英音叉3接受声波信号并转化为电流信号，锁相放大器4对此电流信号进行解调，反演气体浓度。本实施方式中，所述待测气体浓度不能低于ppb量级。本实施方式中，所述待测气体成分由半导体激光器输出波长决定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光声光谱气体传感器由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。

【技术特征摘要】
1.一种多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光声光谱气体传感器由半导体激光源、光纤分束器、石英音叉、锁相放大器构成，其中：半导体激光器输出的激光束经光纤分束器分为N束激光后传输至N个石英音叉处，石英音叉将声波信号转化为电流信号传输至锁相放大器。
2.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述半导体激光器为单模输出，激光线宽小于10MHz，光学功率不低于3W。
3.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器为单模光纤，N＞1，光纤分束比相等。
4.根据权利要求3所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器中的单模光纤距离石英音叉的顶部距离为0.7~1.3mm。
5.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱气体传感器，其特征在于所述光纤分束器中的光纤对半导体激光的传输损耗小于1db/km。
6.根据权利要求1所述的多点测量的光声光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，于欣，彭江波，李旭东，何应，杨超博，闫仁鹏，樊荣伟，董志伟，陈德应，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23