[发明专利]基于光声效应的气体检测系统及方法

说明书

本发明提供了一种基于光声效应的气体检测系统及方法，所述检测系统包括冷肼预浓缩装置、气体吸收腔、垂直腔面发射激光二极管、微针悬臂梁探测系统、信号处理系统以及控制系统。本发明利用冷肼预浓缩装置去除了待测气体中水分的干扰，提高了待测气体浓度，气体吸收光后通过光声效应激发出声信号，利用微针悬臂梁音叉测量其与吸收腔表面的相互作用力，获得光声信号强度并间接获得气体浓度及待测气体对特定波长红外光的吸收系数，具有更宽的响应频带、更高的检测精度和灵敏度。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于光声效应的气体检测系统及方法。

背景技术

气体浓度的快速准确检测是安全生产、环境监测、工业控制等领域内必不可少的关键环节，在工业生产、医疗等诸多行业都有着广泛的应用。在医疗健康领域，人体呼出气体中的挥发性有机化学物质（VOC）的测量作为目前一种无创检测技术，适合于在健康人群中对先兆病人进行筛查，因此受到了越来越多的重视，相应的气体传感器研究也受到了极大地重视。

目前，现在的气体检测技术和方法，存在吸收池体积比较大，在样品量比较少的情况不易测得有效数据的问题。于此同时，一些大分子的有机气体由于吸收谱较宽，吸收系数比较小，吸收峰不明显，不容易测出有效的差量信号。此时，气体虽然对相应波段的光有强烈的吸收，但是无法产生有效的二次谐波，这种气体很难通过可调谐半导体吸收光谱和光声光谱技术测量出来，有一定的应用局限性。

光声效应描述的是光与物质之间的相互作用，当入射光激励源进行强度调制时，待测气体的周期性无辐射弛豫将使其温度呈现同频率周期性变化。当光源脉宽比较窄时会发生绝热膨胀，将热能转化为机械波，声波的主频为光调制频率。然而，以往的光声光谱系统主要采用石英音叉，灵敏度较低，因此如何利用光声效应实现气体的高灵敏度检测具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光声效应的气体检测系统及方法，以解决现有装置光谱特征识别较难，检测灵敏度低，响应时间长，光电传感器响应带宽有限的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光声效应的气体检测系统，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，所述悬臂梁音叉通过微针检测气体吸收腔弹性薄膜所产生的微弱振动，并通过跨阻放大将振动信号转化为电压信号并传递给信号处理系统；

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。

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。

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。