一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，包括：电极改良型石英音叉；电极改良型石英音叉包括：两个矩形音叉振臂、音叉基座及两个音叉引脚；第一个矩形音叉振臂外侧面没有电极覆盖，内侧面和前后两个侧面均被电极覆盖；第二个矩形音叉振臂的四个侧面均被电极覆盖；当所述探测装置工作时，激光从第一个矩形音叉振臂的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从音叉引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。本发明专利技术提高了音叉激发效率、提高了光致热弹光谱效率、增强了光致热弹效应，使得光致热弹光谱的探测能力增强。使得光致热弹光谱的探测能力增强。使得光致热弹光谱的探测能力增强。

【技术实现步骤摘要】
一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法


[0001]本专利技术属于气体传感领域，更具体地，涉及一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法。

技术介绍

[0002]微量气体检测技术已广泛用于许多领域，包括工业过程控制，医学诊断，环境监测等。传统的检测技术，譬如气相色谱/质谱和电化学的非光学技术具有成本高，结构复杂和反应速度慢等技术缺陷。光学传感技术具有灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点近年来得以广泛研究。在众多的光学传感技术中，光声和光热弹光谱由于具有灵敏度高、结构紧凑、动力学宽等优点，在痕量气体检测中显示出巨大的潜力。与其他光谱方法相比，光声光谱和光热光谱的优点是可以在很小的气体体积下实现高灵敏度探测。
[0003]作为光声和光热光谱技术的一种新型变体，近年来基于石英音叉的光致热弹光谱(LITES)技术发展迅速。当调制的入射激光通过气体吸收池后照射在石英音叉的表面，激光和分子相互作用后的能量被石英音叉探测。由于石英的热弹性效应，被石英吸收的热能转化为石英音叉振动的机械能，被石英音叉共振放大。通过石英音叉本身的压电效应，把振动产生的机械能转化为电能。在标准大气压下，商用的石英音叉具有32.7kHz的谐振频率和104的高Q因子，其整体形状成U型。
[0004]在目前的石英增强光致热弹光谱技术存在以下3点缺点：第一，激励光束难以准直和准确激发。激光通过气体吸收池后，再从正面照射在音叉表面。光束一般采用正入射的形式，光束的入射点一般选取在音叉振臂底部的U型的顶点处。由于音叉表面大部分面积覆盖有银镀层电极，对入射光具有较大的反射影响，导致激励光很难聚焦在石英材料上，光束难以准直。第二，目前激光激励的位置位于音叉表面，不是音叉对光的最优响应位置。光致热弹效应其中一个关键步骤是音叉共振时通过压电效应产生电信号，因此要产生较强的光致热弹效应必须激励较大的压电效应。目前光束激励的位置位于音叉正入射表面，不是音叉振动时受应力最大的位置，因此不能激发其最大的压电效应，也就是说不能激发最大的光致热弹效应。第三，目前技术中石英材料与激励光束的相互作用不够，导致光致热弹效应不强，光致热弹光谱灵敏度不够。入射光垂直入射并穿过音叉的U型顶点，石英音叉的厚度为0.3mm，因此在现有的光致热弹光谱技术中，产生光致热弹效应的吸收路径只有0.3mm。没有对入射光进行充分的吸收利用，导致产生的光致热弹性效应小，产生的信号幅值小，从而影响了探测的灵敏度。
[0005]综上所述，以上3个缺点导致了现有光致热弹光谱中石英音叉的激发效率不高，灵敏度不够，影响气体探测灵敏度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，旨在解决现有石英音叉激发效率不高、光致热弹光谱灵敏度不够，影
响气体探测灵敏度的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种光致热弹光谱信号探测装置，包括：电极改良型石英音叉；
[0008]所述电极改良型石英音叉包括：两个矩形音叉振臂、音叉基座及两个音叉引脚；第一个矩形音叉振臂外侧面没有电极覆盖，内侧面和前后两个侧面均被电极覆盖；第二个矩形音叉振臂的四个侧面均被电极覆盖；
[0009]当所述探测装置工作时，激光从第一个矩形音叉振臂的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从音叉引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。
[0010]在一个可选的示例中，所述第一个矩形音叉振臂为两个矩形音叉振臂中的任意一个。
[0011]在一个可选的示例中，当所述激光从第一个矩形音叉振臂的预设位置处入射时，所述光致热弹光谱信号的信号幅度最高；所述预设位置的高度与矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点处的高度相同。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种包括上述第一方面给出的光致热弹光谱信号探测装置的气体探测装置，其特征在于，还包括：半导体激光器、聚焦器以及信号解调装置；
[0013]所述半导体激光器，用于向待探测气体投射激光；
[0014]所述聚焦器，用于将穿过待测气体的激光聚焦到所述光致热弹光谱信号探测装置；
[0015]所述光致热弹光谱信号探测装置，用于在所述激光的作用下输出对应的电信号；
[0016]所述信号解调装置，用于对所述电信号解调，得到待测气体的浓度信息。
[0017]在一个可选的示例中，所述信号解调装置包括：前置放大器和锁相放大器；
[0018]所述前置放大器，用于对光致热弹光谱信号探测装置输出的电信号进行跨阻抗放大，得到相应的光致热弹光谱信号；
[0019]所述锁相放大器，用于对所述光致热弹光谱信号进行解调，求解得到待测气体的浓度信息。
[0020]在一个可选的示例中，该装置还包括：透明容器；
[0021]所述透明容器，用于承载待测气体。
[0022]在一个可选的示例中，所述半导体激光器，用于向待探测气体投射不同波长的激光，以探测不同种类的待测气体。
[0023]第三方面，本专利技术提供了一种光致热弹光谱信号探测方法，包括以下步骤：
[0024]将石英音叉一个矩形音叉振臂外侧面覆盖的电极去除；
[0025]控制激光从去除电极后的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从石英音叉的引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。
[0026]在一个可选的示例中，当所述激光从所述外侧面预设位置处入射时，所述光致热弹光谱信号的信号幅度最高；所述预设位置的高度与矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点处的高度相同。
[0027]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0028]本专利技术提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，提出了一种新型的内外同步激发方式。电极改良型音叉晶振的振臂外侧电极被人工去除，形成一个激光的入射窗口。允许激光从振臂侧面由外部入射到石英音叉振臂的内部进行激发。在这种激发模式下，内外两个应力较大的侧面同时被光束激发，提高了音叉激发效率。
[0029]本专利技术提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，大大提高了石英音叉与激光的相互作用长度。激光光束从振臂外侧入射，利用振臂内侧所镀有的银电极层作为反射镜，光在激励音叉振臂的内表面后，在出射音叉表面时，被银层电极反射，再次进入音叉振臂，进而从音叉振臂外侧出射，在此过程中，激励光束来回2次穿过音叉的振臂宽度，相比于现有技术激光仅穿过音叉的厚度，提高了光束与音叉的作用长度，提高了光致热弹光谱效率。
[0030]本专利技术提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，确立了音叉侧向激发的最优作用位置。通过音叉表面应力分析，得到了对于音叉振臂侧面的外表面和内便面的最优作用位置均在距离音叉开口处位置。这一特殊位置是音叉振臂振动时，内表面和外表面应力最大处，可以获得较大的光致热弹效应。
[0031]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光致热弹光谱信号探测装置，其特征在于，包括：电极改良型石英音叉；所述电极改良型石英音叉包括：两个矩形音叉振臂、音叉基座及两个音叉引脚；第一个矩形音叉振臂外侧面没有电极覆盖，内侧面和前后两个侧面均被电极覆盖；第二个矩形音叉振臂的四个侧面均被电极覆盖；当所述探测装置工作时，激光从第一个矩形音叉振臂的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从音叉引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一个矩形音叉振臂为两个矩形音叉振臂中的任意一个。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，当所述激光从第一个矩形音叉振臂的预设位置处入射时，所述光致热弹光谱信号的信号幅度最高；所述预设位置的高度与矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点处的高度相同。4.一种包括权利要求1至3任一项光致热弹光谱信号探测装置的气体探测装置，其特征在于，还包括：半导体激光器、聚焦器以及信号解调装置；所述半导体激光器，用于向待探测气体投射激光；所述聚焦器，用于将穿过待测气体的激光聚焦到所述光致热弹光谱信号探测装置；所述光致热弹光谱信号探测装置，用于在所述激光的作用下输出对...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑华丹，吴潜，庄若彬，林灏杨，朱文国，钟永春，余健辉，李真，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：