外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法，所述装置包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一光学准直系统、第二光学准直系统、气室、石英音叉、阻抗放大器、激光控制及数据采集系统和计算机。本发明专利技术从增大信号的角度来提升系统信噪比，通过两个方面来有效增大测量信号幅值：一方面，双光束的入射使得石英音叉在做阻尼振荡时吸收了更高的功率，增大了压电信号；另一方面，新的调制信号仍然能够参与拍频信号的产生并且不改变其频率，使得叠加后拍频信号显著增强，从而有力改善系统信噪比。本发明专利技术具有灵敏度高、响应速度快、成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种光致热弹光谱气体检测装置及方法，具体涉及一种外差增强型的双光束光致热弹光谱气体检测装置与方法。

技术介绍

[0002]光致热弹光谱技术是一种基于石英音叉光吸收特性的痕量气体检测技术，其选择性好、探测灵敏度高，并且可以实现非接触式的在线测量，因而具有十分广阔的应用前景。对于气体传感器而言，系统的响应时间是决定其能否实现对气体快速检测的关键因素，因此，优化光致热弹光谱系统的响应模式，寻求信号的快速解调方式是光致热弹光谱传感器满足快速检测的重要手段。此外，为了尽可能提高光致热弹光谱传感器的探测性能，设法提升系统的信噪比，获取更好的探测极限也是研究的重要内容。
[0003]传统的光致热弹光谱技术是将经过准直后的可调谐激光入射到气室内，激光的部分能量被待测气体吸收，出射的激光照射在外部的石英音叉上，石英音叉吸收出射激光的剩余能量，使得其产生光吸收
‑
受热膨胀
‑
弹性形变的转换。照射在音叉上的激光能量由于受到调制而发生周期性的变化，也就是音叉产生的弹性形变也呈周期性变化，进而产生振动。当激光的调制频率与音叉的共振频率相等时，音叉会对该振动产生共振放大的效果，由音叉压电效应产生的电信号也相应更大，通过对电信号的解调便能反演出气体浓度信息。
[0004]外差式的石英光谱技术是通过对可调谐激光进行高速调制，使得石英音叉以瞬态响应为主，即产生一个个脉冲式的待测信号。在外差式石英光谱技术中，驱动电流的调制频率通常为f＝f0±
Δf，发生振动的石英音叉在随后一段时间内将在非本征损耗和本征损耗的共同作用下发生阻尼振荡直至将积累的能量耗尽。由于不存在外界有效激励，石英音叉阻尼振荡的频率将与自身共振频率相等，即石英音叉产生压电信号的频率将等于其共振频率。若此时以与石英音叉共振频率f0存在一定频率差Δf的频率对石英音叉振荡过程输出的压电信号进行解调即可获得频率为Δf的拍频信号，通过拍频信号便可以反演出气体的浓度信息。
[0005]现有的外差式测量主要是应用在石英增强光声光谱技术中，其主要特点是用一个频率为f＝f0‑
Δf或f＝f0+Δf的控制信号进行调制，并使之与音叉的本征响应产生拍频信号，并通过拍频的一次谐波幅值反演气体浓度信息。根据拍频的定义，产生的拍频信号幅值范围为|A1‑
A2|～A1+A2，其中A1和A2分别代表两个信号的幅值。由于石英音叉在受到激励后产生的是阻尼振荡，其幅值随时间呈指数下降，且幅值较低，从而导致系统信噪比较差、探测能力受到限制。

技术实现思路

[0006]为了解决普通外差式痕量气体传感器所测量拍频信号小、信噪比差，导致系统最小探测极限难以改善的问题，本专利技术在普通外差系统的基础上重新设计，提出了一种外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法，即分别使用两束调制频率为f＝f0‑
Δf和f
＝f0+Δf的激光对同一目标气体进行探测，这两束激光分别在石英音叉的两侧入射，激励石英音叉振荡并产生增强的拍频信号，通过对增强的拍频信号进行气体浓度的检测。本专利技术具有灵敏度高、响应速度快、成本低等优点。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]一种外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置，包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一光学准直系统、第二光学准直系统、气室、石英音叉、阻抗放大器、激光控制及数据采集系统和计算机，其中：
[0009]所述气室包括第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体之间相互连通，石英音叉位于气室外且位于第一腔体和第二腔体之间；
[0010]所述激光控制及数据采集系统对第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出波长进行调制，使第一半导体激光器输出激光的调制频率f1＝f0‑
Δf，第二半导体激光器输出激光的调制频率f2＝f0+Δf，f0为石英音叉的本征频率，f为拍频的频率，Δf为本征频率与拍频频率之差；
[0011]所述第一半导体激光器输出的激光经过第一光学准直系统后入射到第一腔体内，第二半导体激光器输出的激光经过第二光学准直系统后射到第二腔体内，经由待测气体吸收部分能量后，第一腔体和第二腔体的出射激光从两侧照射在石英音叉上；
[0012]所述石英音叉吸收激光的能量后产生弹性形变，按照本征频率作阻尼振荡，根据拍频信号的产生原理，石英音叉产生的压电信号与第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的两个调制信号形成拍频电流信号；
[0013]所述电流信号传输至阻抗放大器放大，激光控制及信号采集系统对放大后的电流信号进行采集并传输至计算机进行解调和处理，反演出探测气体的浓度。
[0014]一种利用上述装置进行外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：
[0015]步骤一：通过半导体激光器控制器控制第一半导体激光器和第二半导体激光器输出相应的波长与功率；
[0016]步骤二：激光控制及数据采集系统扫描出石英音叉的谐振频率，并用低频的扫描信号与两个特定频率f1＝f0‑
Δf和f2＝f0+Δf的高频正弦信号分别叠加后调制对应激光；
[0017]步骤三：第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出光束分别经过第一光学准直系统和第二光学准直系统后变成两束准直光束，入射至装有待测气体的气室被气体吸收部分能量后出射；
[0018]步骤四：两束激光从气室出射后分别照射石英音叉两侧，石英音叉吸收激光的能量后产生弹性形变，按照本征频率作阻尼振荡，直至吸收的能量衰荡至零；
[0019]步骤五：石英音叉由于压电效应产生电流信号，经过阻抗放大器对其进一步放大，并滤除部分噪声；
[0020]步骤六：激光控制及信号采集系统对放大后的电流信号进行采集并由计算机进行处理，两个解调信号与放大后的压电信号形成一个增强的拍频信号，根据其幅度反演出探测气体的浓度。
[0021]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0022]1、本专利技术从增大信号的角度来提升系统信噪比，通过两个方面来有效增大测量信
号幅值：一方面，双光束的入射使得石英音叉在做阻尼振荡时吸收了更高的功率，增大了压电信号；另一方面，新的调制信号仍然能够参与拍频信号的产生并且不改变其频率，使得叠加后拍频信号显著增强，从而有力改善系统信噪比。
[0023]2、本专利技术通过额外增加一个激光激励的方式，使得产生的拍频信号幅值增大，从而提高信噪比、获得更佳的最小探测极限。使用调制频率分别为f＝f0‑
Δf和f＝f0+Δf的两束激光，通过同一气室后分别从两侧入射石英音叉，石英音叉仍然会以本征频率做阻尼振荡，但由于增加了一束入射激光，因此信号幅值会显著增大。同时，由于三个信号的频率都非常接近，因此依然会发生拍频。根据基本物理原理，拍频的频率为f，拍频信号的最大幅值为A1+A2+A3，其中A1、A2和A3分别代表两个调制信号和音叉产生的信号幅值，相比普通外差产生的最大信号幅值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一光学准直系统、第二光学准直系统、气室、石英音叉、阻抗放大器、激光控制及数据采集系统和计算机，其中：所述气室包括第一腔体和第二腔体，第一腔体和第二腔体之间相互连通，石英音叉位于气室外且位于第一腔体和第二腔体之间；所述激光控制及数据采集系统对第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出波长进行调制，使第一半导体激光器输出激光的调制频率f1＝f0‑
Δf，第二半导体激光器输出激光的调制频率f2＝f0+Δf，f0为石英音叉的本征频率，f为拍频的频率，Δf为本征频率与拍频频率之差；所述第一半导体激光器输出的激光经过第一光学准直系统后入射到第一腔体内，第二半导体激光器输出的激光经过第二光学准直系统后射到第二腔体内，经由待测气体吸收部分能量后，第一腔体和第二腔体的出射激光从两侧照射在石英音叉上；所述石英音叉吸收激光的能量后产生弹性形变，按照本征频率作阻尼振荡，根据拍频信号的产生原理，石英音叉产生的压电信号与第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的两个调制信号形成拍频电流信号；所述电流信号传输至阻抗放大器放大，激光控制及信号采集系统对放大后的电流信号进行采集并传输至计算机进行解调和处理，反演出探测气体的浓度。2.根据权利要求1所述的外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述第一半导体激光器和第二半导体激光器均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，输出功率大于15mW。3.根据权利要求1所述的外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述石英音叉的共振频率范围为5～70kHz，品质因数Q>8000，石英音叉具有小于500kΩ的等效阻抗值。4.根据权利要求1所述的外差增强型光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所出射激光从石英音叉的两侧入射，入射位置为叉股根部或音叉臂根部，使用温度范围为
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20～90℃。5.根据权利要求1所述的外差增强型光致热弹光谱痕...

【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，刘亚辉，乔顺达，梁添添，何应，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：