基于光强解调的差分-光致热弹光谱痕量气体检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光强解调的差分

【技术实现步骤摘要】
基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置


[0001]本专利技术涉及一种光致热弹光谱痕量气体检测装置，具体涉及一种基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置
。

技术介绍

[0002]基于石英音叉的光致热弹光谱技术是一种高灵敏度的痕量气体检测技术
。
激光波长与检测气体吸收谱线相对应，在实验中通常选择近红外区吸收谱线线强大，且与空气中包含的氧气
、
水
、
二氧化碳等高含量的气体吸收谱线无交叉的波长
。
激光波长由控制器调节并受到外界信号源周期性的高频正弦调制
。
激光准直后经过气体吸收区域，气体吸收掉部分激光能量后，激光被透镜聚焦在石英音叉根部位置，石英吸收剩余的激光能量，在光致热弹效应下，产生周期性变化的热弹性形变从而产生与正弦调制同频的机械振动
。
当正弦调制频率与石英音叉的共振频率相等时，石英音叉发生共振，机械振动得以放大
。
由于石英音叉的压电效应，这种机械振动将产生电流信号，对该电流信号进行谐波解调便可得知气体的浓度信息
。
[0003]在传统的基于石英音叉的光致热弹光谱检测技术中，激光经过气体吸收后照射在石英音叉表面，激光使石英音叉产生光致热弹信号的同时也为系统引入了热噪声
。
随着激光功率的增加，石英音叉内部电子运动产生的热噪声增加更为剧烈，这限制了光致热弹光谱技术中通过增大激光功率来获得更高信噪比
、
提升系统检测性能的想法
。
间接解调方法指的是不通过石英音叉的压电效应对石英音叉的振动进行电学信号解调，而是通过对石英音叉的振动
、
摆动
、
微位移等物理量进行光学信号解调
。
间接解调方法有利于规避传统光致热弹光谱技术中的热噪声
。

技术实现思路

[0004]为了解决热噪声限制光致热弹光谱技术中通过增大激光功率来获得更高信噪比
、
进而提升系统检测性能的问题，本专利技术提供了一种基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置
。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，包括激发半导体激光器
、
激光准直系统
、
气室
、
聚焦透镜
、
石英音叉
、
探测激光器
、
光纤分光器
、
光电探测器
、
信号发生器
、
激光控制器
、
锁相放大器和计算机，其中：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相叠加构成激光波长的调制信号，该调制信号被送入激光控制器中，经过激光控制器调制的激发半导体激光器输出激光，激光经激光准直系统后入射到气室内，气室内的待测目标气体吸收部分激光能量，激光从气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉两叉指的根部位置，由于激光受到调制，在光致热弹效应下石英音叉发生周期性的弹性形变进而叉指产生摆动；光纤分光器将探测激光器输出的激光光束等分为二并调节激光光束与石英音叉的相对位置，使激光光束分别作用在石英音叉叉指的内外两
侧并使石英音叉叉股内外两侧的探测激光经透射后可产生周期性变化的光强，透过石英音叉叉指内外两侧的光强分别被两个同型号的光电探测器检测；由于石英音叉叉指内外两侧的光强变化恰好相反，两者送入锁相放大器中作差分运算并进行后续的二次谐波解调；谐波数据输入计算机中进行处理，反演气体浓度
。
[0006]一种利用上述装置进行基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：步骤一：依次调节激发半导体激光器
、
激光准直系统
、
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；步骤二：激光控制器通过改变温度和电流的方式控制激发半导体激光器的输出波长和光功率，得到对应待测目标气体吸收线的温度和电流并正确设置；步骤三：使用计算机操控锁相放大器先对石英音叉的共振频率进行扫描，将得到的共振频率的一半设定为正弦波的频率；步骤四：三维调节石英音叉的位置，确保激光入射在石英音叉两叉指的根部位置，这时得到的光致热弹信号幅值最大；步骤五：精确调节探测激光器输出的激光束与石英音叉的相对位置，确保光电探测器检测到的透射光强在石英音叉的摆动下产生周期性变化；步骤六：两光电探测器分别检测到的信号被送入到锁相放大器中先进行差分运算，后续对差分信号进行二次谐波解调，计算机根据二次谐波信号的峰值反演出目标气体的浓度信息
。
[0007]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
1、
本专利技术设计了一种基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，石英音叉在光致热弹效应下产生共振振动，探测激光经光纤分光器分别作用于石英音叉叉股内外两侧，经石英音叉遮挡透射过去的激光光强由同型号的光电探测器收集，当石英音叉振动时，经石英音叉叉股内外两侧通过的激光光强恰好产生相位互为
180
°
的信号，这两路信号送入锁相放大器中作差分运算并被解调，由于作差分的两路信号相位互为
180
°
，理想情况下，作差分运算后信号将放大两倍，而噪声将互相抵消
。
[0008]2、
本专利技术的基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱检测装置可以提高信号至两倍的情况下还能规避传统的热噪声，进而提高光致热弹光谱系统的信噪比
。
[0009]3、
本专利技术的基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱检测装置具有噪声免疫
、
灵敏度高
、
成本低等优点
。
附图说明
[0010]图1为基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置的结构示意图；图2为激发激光和探测激光与石英音叉的位置示意图；图3为基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱的信号图
。
具体实施方式
[0011]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
。
[0012]本专利技术提供了一种基于光强间接解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，如图1所示，所述装置包括激发半导体激光器
1、
激光准直系统
2、
气室
3、
聚焦透镜
4、
石英音叉
5、<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光强解调的差分
‑
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激发半导体激光器
、
激光准直系统
、
气室
、
聚焦透镜
、
石英音叉
、
探测激光器
、
光纤分光器
、
光电探测器
、
信号发生器
、
激光控制器
、
锁相放大器和计算机，其中：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相叠加构成激光波长的调制信号，该调制信号被送入激光控制器中，经过激光控制器调制的激发半导体激光器输出激光，激光经激光准直系统后入射到气室内，气室内的待测目标气体吸收部分激光能量，激光从气室出射后经聚焦透镜光斑被聚焦到石英音叉两叉指的根部位置，由于激光受到调制，在光致热弹效应下石英音叉发生周期性的弹性形变进而叉指产生摆动；光纤分光器将探测激光器输出的激光光束等分为二并调节激光光束与石英音叉的相对位置，使激光光束分别作用在石英音叉叉指的内外两侧并使石英音叉叉股内外两侧的探测激光经透射后可产生周期性变化的光强，透过石英音叉叉指内外两侧的光强分别被两个同型号的光电探测器检测；由于石英音叉叉指内外两侧的光强变化恰好相反，两者送入锁相放大器中作差分运算并进行后续的二次谐波解调；谐波数据输入计算机中进行处理，反演气体浓度
。2.
根据权利要求1所述的基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激发半导体激光器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
。3.
根据权利要求1或2所述的基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激发半导体激光器的激光功率至少＞
10 mW。4.
根据权利要求1所述的基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述气室中，气体吸收路径至少＞
10 cm。5.
根据权利要求1所述的基于光强解调的差分
‑
光致热弹光谱痕...

【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，郎梓婷，乔顺达，何应，綦磊，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：