[发明专利]一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、准直透镜(2)、样品池(3)、聚焦透镜(4)、微型石英晶振阵列(5)、转换电路(6)、数模转换模块(7)、计算机控制单元(8)、光源驱动控制模块(9)；

所述计算机控制单元(8)的输出端与光源驱动控制模块(9)输入端连接，所述光源驱动控制模块(9)的输出端与光源(1)连接，所述光源的出射光经过准直透镜(2)并穿过样品池(3)，所述样品池(3)后面设置聚焦透镜(4)，所述聚焦透镜(4)后面设有微型石英晶振阵列(5)，所述微型石英晶振阵列(5)与转换电路(6)连接，所述转换电路(6)的输出端与数模转换模块(7)连接，所述数模转换模块(7)连接计算机控制单元(8)；

所述光源(1)为可调制的LED光源；所述样品池(3)为带有高反射率腔镜的衰荡腔；

所述微型石英晶振阵列(5)为多个型号相同的微型石英晶振集成而成；

所述微型石英晶振阵列中每个微型石英晶振的尺寸均为3.2*1.3*0.8mm，本征频率皆为32.763kHz；

所述微型石英晶振由微型石英音叉通过微纳技术加工将其密封在材质为石英的真空壳体中；所述微型石英音叉的尺寸选取1097*253um。

2.根据权利要求1所述的一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(8)内包括Labview软件编写的LED光源调制算法和信号解调分析算法模块。

3.一种如根据权利要求2所述的一种基于微型石英晶振阵列探测器的腔增强光谱气体检测装置的检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

[01]计算机控制单元(8)中Labview软件编写的LED光源调制数字信号输出模块输出特定频率的调制信号或脉冲驱动电压信号，通过数模转换模块变成模拟信号，再经过光源驱动控制模块(9)输入到光源(1)，实现光源(1)的调制发光；

[02]光源(1)发出的调制光通过准直透镜(2)准直后穿过样品池(3)，再经过聚焦透镜(4)聚焦后，入射到微型石英晶振阵列(5)并透过其表面石英玻璃外壳照射到内部微型石英音叉表面；

[03]微型石英音叉受到调制光的激发，由于其自身具有的压电效应和谐振效应将产生压电电流；

[04]微型石英晶振阵列(5)中每个微型石英音叉产生的压电电流经过叠加后输入到转换电路(6)，经过放大滤波并转化为电压信号；

[05]转换电路(6)输出的电压信号通过数模转换模块(7)将电压信号输入到计算机控制单元(8)中的Labview软件编写的信号解调分析算法模块，进行相关处理；

[06]根据腔增强吸收光谱满足的朗伯比尔定律以及共振曲线幅值与气体浓度之间的校正曲线，即可反演出气体浓度信息。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述步骤[05]中基于Labview软件编写的信号解调分析算法模块的算法步骤：首先通过快速傅里叶变换算法对微型石英晶振阵列(5)输出的原始时域信号进行频谱分析，解调出微型石英晶振响应的频率信号；然后进行取极值算法，分析频域信号幅值随激光器调制频率变化之间的对应关系；最后获得在本征频率附近一定带宽的晶振频率响应曲线。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，以中心波长在440nm波段的可调制LED光源用于NO₂气体浓度测量，或选择中心波长在760nm和1653nm附近的可调制LED光源分别用于O₂和CH₄气体浓度的测量。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，其中，以中心波长在440nm波段的可调制的LED光源用于NO₂气体浓度测量：首先以N₂或零空气为背景气，在一定频率范围内，记录出衰荡腔样品池的背景条件下共振响应曲线；然后将样品池抽空，再注入不同NO₂浓度下标准气体样品并测量出其共振响应曲线；最后，以不同NO₂浓度样品的最佳中心调制频率处的信号幅值和背景幅值相除并取负对数得到对应样品的吸光度，利用吸光度与已知样品浓度建立实验系统校正曲线，通过上述过程测量未知浓度样品气体的吸光度，并将其代入校正曲线即可反演出对应浓度信息。