【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种改善石英光声光谱传感性能的装置及方法，具体涉及一种基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置及方法。
技术介绍
1、石英增强光声光谱传感技术是一种环境适应性强的痕量气体检测技术，将石英音叉置于充满待测气体的气室内，可调谐激光经过准直后入射到气室内激发待测气体，受激的气体分子通过无辐射跃迁至基态将吸收的光能转化为热能，物质局部温度的变化将会引起压强的变化，进而产生疏密波，当疏密波频率与激光调制频率相同时，就会产生声波信号，由于激光受到调制，产生的声音信号会发生周期性变化，也就使石英音叉产生了周期性弹性形变进而产生了振动，当激光的调制频率与石英音叉的共振频率相同时，石英音叉会对该振动产生共振放大，从而使石英音叉有更大的振动幅度。由于石英音叉具有压电效应，因此石英音叉的弹性形变会使石英音叉产生电流信号，对该电流信号进行解调即可反演出气体浓度信息。
2、在石英增强光声光谱传感系统中，激光经过准直后入射到气室中，激发待测气体产生声波信号，再经过石英音叉探测得到待测气体浓度信息，在这个过程中，石英音叉作为探测元件，发挥着至关重要的作用，其自身特性决定整个传感器系统的优劣，而整个系统探测信号幅值与石英音叉的品质因数成正比，与共振频率成反比，如式(1)所示：
3、
4、式中，s是系统信号幅值，q、f0分别是石英音叉的品质因数和共振频率，k是系统常数，因此，采用高品质因数、低共振频率的石英音叉可使系统获得更强的信号幅值，进而提高整个系统的检测灵敏度。
5、石英音叉的共振频率与石英
6、
7、式中，f0是石英音叉的共振频率，ω、l分别是石英音叉振臂的宽度和长度。
8、石英音叉的品质因数与石英音叉振臂的宽度成正比，与石英音叉振臂的长度成反比，如式(3)所示：
9、
10、因此，在石英音叉的设计加工中，想要系统得到更大的信号幅值，就必须采用高品质因数、低共振频率的石英音叉，但是，通过改变石英音叉设计尺寸的方式，虽然提高了品质因数，但是共振频率会随之上升，两者相互制约，且石英音叉较窄的振臂间隙会影响激光束的通过，导致整个系统探测信号的能力无法得到有效的增强，限制了石英音叉探测性能的提升。
技术实现思路
1、由于石英音叉自身尺寸设计的影响导致整个气体传感系统的探测性能十分有限，常见石英音叉的振臂为矩形结构，为解决这一问题，本专利技术将石英音叉振臂的形状从常见的矩形结构改变为锥形结构，进而提供了一种基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置及方法。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，包括可调谐激光器、激光准直系统、气室、锥形头石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：所述可调谐激光器输出激光经激光准直系统后入射到气室内的锥形头石英音叉振臂中间，激发待测目标气体产生声波信号，锥形头石英音叉基于石英晶体的压电效应产生电流信号，该电流信号传输至阻抗放大器放大为电压信号，控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。
4、一种利用上述装置实现光声光谱痕量气体检测的方法，包括如下步骤：
5、步骤一：对可调谐激光器进行调控，使可调谐激光器输出相应波长的激光和输出功率；
6、步骤二：可调谐激光器输出的激光经过激光准直系统变成准直光束，然后入射到气室中的锥形头石英音叉振臂间隙中，气室中充满待测目标气体；
7、步骤三：控制激光入射角度使其穿过锥形头石英音叉的最佳位置，控制与数据采集系统对锥形头石英音叉的共振频率进行扫描，并用低频的锯齿波和高频的正弦波叠加后的信号再次调制激光；
8、步骤四：待测目标气体受到激光调制产生声波信号，锥形头石英音叉基于石英晶体的压电效应产生电流信号；
9、步骤五：阻抗放大器将锥形头石英音叉产生的电流信号放大为电压信号；
10、步骤六：控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。
11、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
12、本专利技术改变石英音叉振臂的形状，如图2所示，从常见的矩形结构改变为锥形结构，提高了石英音叉的重心，使石英音叉在振臂摆动过程中受力力矩增大。振臂锥形头顶端与其支撑点之间应力场的增大，更加有利于压电电荷的高效收集，进而提高系统探测信号的幅值，且振臂间距的改变，也有利于激光准直通过。此外，石英音叉的锥形头振臂设计既降低了共振频率，又提高了品质因数。
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1.一种基于锥形头石英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激光器、激光准直系统、气室、锥形头石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：所述可调谐激光器输出激光经激光准直系统后入射到气室内的锥形头石英音叉振臂中间，激发待测目标气体产生声波信号，锥形头石英音叉基于石英晶体的压电效应产生电流信号，该电流信号传输至阻抗放大器放大为电压信号，控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于锥形头石英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激光器输出的激光功率＞20mW。
3.根据权利要求1所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉处于密闭的气室中，气室的气压处于50～760Torr之间。
4.根据权利要求1所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉的锥形振臂的中间连接部分的最短长度不能小于0.4mm。
5.根据权利要求1、3或4所述的基于锥形头石英音叉
6.根据权利要求5所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉的厚度不能大于360μm，等效阻抗值小于200kΩ。
7.根据权利要求1、3或4所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉的表面电极采用蒸镀金膜。
8.根据权利要求5所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉的锥形振臂由位于上部的倒锥形振臂和位于下部的正锥形振臂构成，其中：倒锥体沿长度方向呈线性扩大，正锥体沿长度方向呈线性缩小，且二者的锥度比均大于2。
9.根据权利要求1所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述控制与数据采集系统对可调谐激光器输出波长进行调制，调制频率等于锥形头石英音叉共振频率的一半。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置实现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】
1.一种基于锥形头石英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激光器、激光准直系统、气室、锥形头石英音叉、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：所述可调谐激光器输出激光经激光准直系统后入射到气室内的锥形头石英音叉振臂中间，激发待测目标气体产生声波信号，锥形头石英音叉基于石英晶体的压电效应产生电流信号，该电流信号传输至阻抗放大器放大为电压信号，控制与信号采集系统对放大后的电压信号进行采集并由计算机进行处理，反演出探测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的基于锥形头石英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激光器输出的激光功率＞20mw。
3.根据权利要求1所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉处于密闭的气室中，气室的气压处于50～760torr之间。
4.根据权利要求1所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测装置，其特征在于所述锥形头石英音叉的锥形振臂的中间连接部分的最短长度不能小于0.4mm。
5.根据权利要求1、3或4所述的基于锥形头石英音叉的光声光谱痕量气体检测...
【专利技术属性】
技术研发人员：马欲飞，房超，乔顺达，梁添添，申作春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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