[发明专利]一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法

权利要求书

1.一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，其特征在于，所述装置包括：

沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块（1）、半导体激光器（2）、准直透镜（3）、气体吸收池（4）、石英音叉（5）、控制与数据采集系统（6）以及计算机（7）；

所述准直透镜（3）的焦距应小于10 mm；

所述石英音叉（5）为具有压电特性的材料制成，表面镀有银层，其共振频率为20 kHz-70 kHz，所述石英音叉（5）品质因子大于等于10000；所述石英音叉（5）根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉（5）根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入；

其中，所述激光器控制模块（1）驱动所述半导体激光器（2），所述半导体激光器（2）输出激光经过所述准直透镜（3）后穿过所述气体吸收池（4），经吸收的输出激光以入射角θ斜入射在所述石英音叉（5）去除银层的窗口，激光在所述石英音叉（5）根部内侧实现多次的全反射后从所述窗口射出，所述石英音叉（5）吸收激光能量并产生光热弹效应，促使所述石英音叉（5）产生压电信号并将所述压电信号传输至所述控制与数据采集系统（6），最后由所述计算机（7）进行信号解调与后处理获得吸收气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1-3 mm，所述第二尺寸为0.2-0.8 mm。

3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36 mm。

4. 根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为0.5-1.5 mm²。

5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为1 mm²。

6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述石英音叉（5）的共振频率为30.72kHz。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述入射角θ满足如下关系，15°＜θ≤45°。

8.一种采用权利要求1-7任一所述装置进行气体探测的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S102：所述激光器控制模块（1）通过温度和电流的设定，调节所述半导体激光器（2）输出波长1.53 μm的激光；所述控制与数据采集系统（6）对所述石英音叉（5）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共同调制激光；

步骤S104：调制后的激光经过所述准直透镜（3）变成平行光束，穿过所述气体吸收池（4）传输至所述石英音叉（5），并从所述窗口中以入射角θ斜入射至所述石英音叉（5）中，所述窗口经稀硝酸点涂去除表面银层；

步骤S106：由于银层的高反射率，激光在所述石英音叉（5）内部进行N次全反射后，从所述窗口射出，所述N为大于4的自然数；

步骤S108：入射的激光能量在所述石英音叉（5）内转换为热能，使所述石英音叉（5）产生弹性形变，所述石英音叉（5）具有的压电效应使得所述石英音叉（5）的弹性形变转换为压电电流信号；

步骤S110：所述石英音叉（5）产生的压电电流信号传输至所述控制与数据采集系统（6），将采集到的数据输入所述计算机（7），对数据进行进一步地计算，得出目标探测气体的浓度。