[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

说明书

本申请实施例涉及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，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)；所述准直透镜的焦距应小于10mm；所述石英音叉为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz‑70kHz，所述石英音叉品质因子大于等于10000；所述石英音叉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。本申请检测装置具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。

技术领域

本申请涉及激光检测领域，具体涉及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。

背景技术

光声光谱技术是一种间接吸收光谱技术，近几年因灵敏度高、选择性好、能在线检测等优点广泛应用于痕量气体检测当中。另外，光声光谱传感器的探测性能与激光器的功率有关，即传感器系统探测到的谐波信号幅值与激发气体分子的激光功率成正比。因此光声光谱传感器可以从大功率光源的不断发展中或者从被增强的激光功率中获得益处。

气体传感器在医疗，楼宇自动化，环境监测以及工业制造领域有着广泛的应用。按照检测的物理机制不同，气体检测方法可以分为热导分析法、化学检测法、半导体分析检测法和激光光谱分析法等。

激光吸收光谱式气体检测技术基于比尔-朗伯吸收定律，激光与气体相互作用后获得气体的相关信息。由于具有精度高、响应速度快、稳定性高、可在线测量等优点，目前已成为气体检测领域中重要的手段。石英光声光谱是一种常见的痕量气体检测技术，在该技术中，采用石英音叉作为声波探测元件，激光在石英音叉叉股中与待测气体相互作用，通过压电效应将产生的微弱声波信号转换为电信号，对电信号进行放大解调便可获取气体浓度相关信息。

石英音叉表面镀有银层作为电极，银层是一种具有高反射率的金属膜，例如，当输出波长为1.53μm的激光垂直打在银层上，激光反射率为99.5％，只有0.5％的激光能量透过银层被石英介质吸收，这造成了大量激光能量的损失。因此，提高激光能量的利用率是目前改善石英光热光谱技术探测性能的主要方法之一。

发明内容

本申请实施例提供了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，以解决现有传感器灵敏度受限的技术问题。

具体的，本申请实施例提供的一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，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10mm；

所述石英音叉5为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz-70kHz，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。

可选的，所述第一尺寸为1-3mm，所述第二尺寸为0.2-0.8mm。

可选的，所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36mm。