【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光声光谱痕量气体检测装置及方法，具体涉及一种基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置及方法。
技术介绍
1、石英增强光声光谱技术利用压电石英音叉来探测气体分子热弛豫产生的声波。使用正弦波调制过的激光照射音叉叉指间的气体时，产生的声波作用于石英音叉并激励其振动，由于石英音叉的压电效应，其形变会产生电荷，此时通过计算机可以检测到石英音叉上的压电信号，若激光调制频率与石英音叉共振频率相同，则产生的声波会使石英音叉发生共振，进而使探测到的压电信号最大。使用信号解调单元对石英音叉的压电信号解调，便可获得气体浓度与压电信号强度的关系，进而完成气体浓度的探测。
2、目前石英增强光声光谱技术所用石英音叉种类单一，以共振频率为32.768khz的商用石英音叉为主。石英增强光声光谱技术所用音叉拥有较高的谐振频率，能较好抑制低频噪声，但是，由于石英的压电系数相对较小(最大压电系数d26约为4.61pc/n)，因此光声效应使石英音叉产生的电信号较小，在不使用跨阻抗放大器的情况下，一般解调的二次谐波峰值信号幅值最大仅能达到μv量级，这限制了光声光谱技术的探测灵敏度。
3、此外，目前使用的石英音叉难以适应不同场景的需求。一方面，上述共振频率的商用石英音叉不适合测量弛豫速率慢的气体；另一方面，由于石英音叉需要进行晶体生长和切割加工等复杂工艺，定制石英音叉成本较高，不适合大范围使用，这些大大限制了该技术的实际应用。
4、压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，其利用压电效应可以对压力进
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置及方法，利用压电陶瓷音叉探测气体分子吸收激光后所产生的光声信号，待测气体充满压电陶瓷音叉叉指间隙，经频率调制的激光器发出的激光经准直聚焦后传输至压电陶瓷音叉叉指间隙，聚焦点附近的气体分子吸收光能后跃迁至激发态，其中部分气体分子通过热弛豫过程回到基态，并向外发射声波，声波强度与气体浓度成正比。声波在音叉表面施加压力，进而产生压电效应。音叉两端接至信号解调单元，信号解调单元解调出二次谐波信号，基于此，最终可获得气体浓度与解调出二次谐波信号峰值电压之间的关系曲线，实现气体检测的功能。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，包括可调谐半导体激光器、激光光束准直单元、前光束聚焦透镜、压电陶瓷音叉、气室、后光束聚焦透镜、检测气体、计算机、信号解调单元、信号发生器和激光器控制单元，其中：
4、所述信号发生器产生的高频正弦波和低频锯齿波叠加后被送入激光器控制单元，激光器控制单元通过控制可调谐半导体激光器的工作温度和工作电流，改变可调谐半导体激光器的输出波长及其输出功率，可调谐半导体激光器输出的激光光束被激光光束准直单元准直后经前光束聚焦透镜聚焦至位于气室内的压电陶瓷音叉的叉指间隙，而后激光光束经过后光束聚焦透镜出射，在前光束聚焦透镜焦点附近的检测气体分子被激光光束激发至高能态，随后热弛豫向周围释放声波，声波作用于压电陶瓷音叉两叉指致使其产生振动，其振动由于压电效应产生周期性电压，电压信号经压电陶瓷音叉传输至信号解调单元并被检测，将解调得到的数据输入计算机内进行最终处理，以获得气体浓度与电压信号的关系。
5、一种利用上述装置进行基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：
6、步骤一：调节可调谐半导体激光器、激光光束准直单元、前光束聚焦透镜、气室、后光束聚焦透镜的光路，保证激光光束能依次入射到器件的指定位置；
7、步骤二：利用激光器控制单元改变可调谐半导体激光器的工作温度和工作电流，使其输出波长重合于气体吸收线，并固定可调谐半导体激光器设定的工作温度和工作电流；
8、步骤三：利用计算机控制信号发生器扫描压电陶瓷音叉的共振频率，将所得共振频率的一半设置为信号发生器产生的高频正弦波的频率，最后扫描调制深度，获得调制深度最佳值后进行设置；
9、步骤四：调节压电陶瓷音叉的倾角使其叉指侧壁与激光光束传播方向平行，使激光光束焦点位于压电陶瓷音叉叉指中心附近，根据信号解调单元得到的信号强度调节优化压电陶瓷音叉的位置，以保证压电陶瓷音叉叉指可接收到激光光束焦点处产生的最强光声信号；
10、步骤五：结合需求设定信号发生器产生的低频锯齿波信号的周期、相位及幅值，以保证该低频锯齿波信号与高频正弦波叠加并作用于可调谐半导体激光器后，经信号解调单元与计算机进行数据处理后，获得完整的二次谐波信号；
11、步骤六：周期性的光声信号激励压电陶瓷音叉周期性振动，变化的压力产生压电信号，将该信号传输到信号解调单元中，利用计算机控制信号解调单元对电压信号处理可得二次谐波信号，根据二次谐波信号的峰值反推出待测气体的浓度信息。
12、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
13、1、压电陶瓷制成的音叉具有更高的压电系数。同现有技术相比，使用压电陶瓷音叉的光声光谱技术具有更优的探测极限，探测灵敏度更高。
14、2、压电陶瓷音叉加工工艺简单，不需要进行晶体生长和控制切割角度加工等复杂工艺，加工工艺成熟。相比于石英音叉，压电陶瓷音叉的成本更低。
15、3、压电陶瓷材料种类丰富，有钙钛矿结构、钨青铜结构、铋层状结构和钙钛矿层状结构等。这些材料具有不同的压电系数、弹性系数、热膨胀系数等，在实际应用中可根据探测需求采用不同的压电陶瓷材料制作音叉。同现有技术相比，探测器件具有丰富的可选择性。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括可调谐半导体激光器、激光光束准直单元、前光束聚焦透镜、压电陶瓷音叉、气室、后光束聚焦透镜、检测气体、计算机、信号解调单元、信号发生器和激光器控制单元，其中：
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述可调谐半导体激光器为近红外波段连续可调谐的单纵模输出分布反馈式量子级联激光器。
3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉所用材料为PZT-5A，压电陶瓷音叉的极化方向与音叉振动方向一致。
4.根据权利要求1或3所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉叉指的高度为4～20mm，宽度为0.5～1.2mm，厚度为0.1～0.4mm，叉指间隙宽度为0.3～2mm。
5.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉的叉指表面涂敷银层作为电极，一叉指前后表面和另一叉指侧面银层相连为一极，其侧面与另一叉指
6.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述激光光束传播方向与压电陶瓷音叉叉指侧面平行。
7.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述前光束聚焦透镜的焦距为50mm。
8.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述信号发生器的调制频率为压电陶瓷音叉共振频率的一半。
9.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉的共振频率为1～50kHz，工作温度为100～300oC。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述装置包括可调谐半导体激光器、激光光束准直单元、前光束聚焦透镜、压电陶瓷音叉、气室、后光束聚焦透镜、检测气体、计算机、信号解调单元、信号发生器和激光器控制单元，其中：
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述可调谐半导体激光器为近红外波段连续可调谐的单纵模输出分布反馈式量子级联激光器。
3.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉所用材料为pzt-5a，压电陶瓷音叉的极化方向与音叉振动方向一致。
4.根据权利要求1或3所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述压电陶瓷音叉叉指的高度为4～20mm，宽度为0.5～1.2mm，厚度为0.1～0.4mm，叉指间隙宽度为0.3～2mm。
5.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷音叉的光声光谱痕量气体检测装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，王元治，梁添添，乔顺达，何应，段小明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。