[发明专利]基于光声效应的气体检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，包括：

冷肼预浓缩装置，用于去除待测气体中的水分，从而获得浓缩的待测气体分子，在所述冷肼预浓缩装置的前端设有待测气体入口；

气体吸收腔，为密闭腔体，在腔体一端设有激光入射口，在激光入射口处设有光隔离器，所述腔体的另一端为弹性薄膜，在腔体的侧壁上设有进气口、出气口、压力监测口以及压力控制口，所述进气口与所述冷肼预浓缩装置相连通，在所述进气口和出气口处均设有单向阀，在所述出气口和压力控制口处均设有真空泵，在所述压力监测口处设有气体压力传感器；

激光二极管，设于所述气体吸收腔的左侧，所述激光二极管由激光驱动器控制，并产生中心波长为待测气体吸收峰处的激光，激光可通过激光入射口进入气体吸收腔中；

微针悬臂梁探测系统，设于所述气体吸收腔的右侧，包括悬臂梁音叉以及设于悬臂梁音叉顶端的微针，微针的针尖与弹性薄膜距离若干纳米，所述悬臂梁音叉在与其谐振频率同频的正弦电压激励下将发生谐振，通过跨阻放大电路检测到稳定的电压；弹性薄膜振动通过微针传导到谐振的音叉臂后，音叉振动状态将发生改变，通过检测悬臂梁音叉输出信号幅值、频率及相位中的某一偏移量获得弹性薄膜振动幅度信息，根据光声效应转化系数可反演计算得到待测气体浓度；

信号处理系统，与所述微针悬臂梁探测系统相连，用于根据悬臂梁音叉所检测到的振动信号，计算得到气体吸收腔中待测气体的浓度信息；

控制系统，分别与激光驱动器、出气口和压力控制口处的真空泵以及信号处理系统相连，用于控制激光驱动器、对应真空泵的运行，同时对信号处理系统所得的数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，所述冷肼预浓缩装置内的温度为-30℃，所述待测气体入口处设有待测气体收集装置。

3.根据权利要求1所述的基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，所述气体吸收腔为长度为4 cm、宽度为3cm、高度为2cm的长方体不锈钢腔体，在所述激光二极管与气体吸收腔之间设有楔形窗。

4.根据权利要求1所述的基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，用于待测气体检测的激光二极管的波长可调谐，可通过加载特定频率的锯齿波调制波形实现波长调谐，激光二极管的工作电流小于10 mA，功率不超过10 mW。

5.根据权利要求1所述的基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，所述悬臂梁音叉由具有压电效应的U型臂构成，其中，在U型臂的一个臂的顶端固定所述微针，微针为微型的钨针，钨针的轴向与悬臂梁音叉的振动方向平行。

6.根据权利要求1所述的基于光声效应的气体检测系统，其特征在于，通过加载悬臂梁音叉本振频率的正弦电压信号使其处于简谐振动，微针受到气体吸收腔弹性薄膜的作用力后，悬臂梁音叉振动幅值、频率、相位状态发生变化，通过提取变化信号获得待测气体吸收光后的绝热膨胀量。

7.一种基于光声效应的气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、设置权利要求1~6任一检测系统；启动所述检测系统，通过控制系统将气体吸收腔抽真空至-50 kPa，待测气体经冷肼预浓缩装置除去水分干扰后进入气体吸收腔中；

b、通过激光驱动器产生并发射加载有正弦波的锯齿波信号，并驱动激光二极管输出中心波长为待测气体吸收峰处的激光，光束照射到气体吸收腔后，待测气体吸收光能通过绝热膨胀转化为声波，引起腔面弹性薄膜振动，通过微针悬臂梁探测系统来检测气体吸收腔内气体光声效应产生的微小振动，并将所得的信号输送至信号处理系统进行处理；

c、信号处理系统通过锁相放大器提取二次谐波信号的幅值，并计算得到待测气体浓度随时间变化的波形图；

d、控制系统控制对应真空泵，将待测气体排出，并进行下一个周期的测量。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，测量前需测定气体吸收腔中充入氮气后所产生的二次谐波的幅值，并计算出氮气的吸收进行背景扣除。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，在测量过程中，需监测气体吸收腔内的压力和温度，并保持气体吸收腔的压力和温度稳定在预先设定的目标值。