[发明专利]一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置

说明书

本发明提供了一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，包括：气室和石英音叉；气室包括：两个气体缓冲区和一个声学谐振腔；声学谐振腔的中间开设有狭缝缺口，且狭缝缺口由弹性薄膜填补；石英音叉置于气室外侧，其振臂正对声学谐振腔上的弹性薄膜耦合，双方可以接触，也可以不接触；当激光穿过声学谐振腔后，在光声效应的作用下，激光光束所激发的声波在声学谐振腔内形成驻波，驻波对应的声波信号经过弹性薄膜形成振动波，振动波推动石英音叉振臂振动；石英音叉振臂振动信号强度与气室内气体的浓度正相关，气体探测装置能够在石英音叉不与气体接触的情况下实现对气体浓度的探测。本发明提供的装置对腐蚀性气体和含尘气体的检测意义重大。

技术领域

本发明属于气体传感领域，更具体地，涉及一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置。

背景技术

光声光谱是一种痕量气体检测技术，被广泛用于各种应用。光声光谱优于其他光谱方法的优点是检测灵敏度不依赖于吸收长度。使用光声光谱技术可以对少量样品气体进行高灵敏度的检测。光声光谱技术的检测原理是一束经过调制激光将气体分子从基态驱动到激发态。处于激发态的分子通过非辐射弛豫释放能量并返回基态。释放的能量导致局部温度和压力升高，产生声波，即光声效应。再经麦克风将声波转化为电信号反演出检测气体的浓度。光声气体传感器已广泛用于大气环境监测、空间站空气监测、人类呼出气诊断、石油田天然气分析、火灾早期预报等实际应用中。2002年美国莱斯大学A.Kosterev等人在光声光谱技术的基础上提出了石英增强光声光谱，与光声光谱相比，石英增强光声光谱使用音叉式石英晶振代替麦克风作为换能器，通过压电效应将声信号转换为电信号。音叉式石英晶振是一种卓越的压电器件，在大气中具有高共振频率(32.7kHz)和高Q因子(10,000)。在石英增强光声光谱中，仅需几立方厘米的气体样品即可进行高灵敏度分析。石英增强光声光谱已成功用于温室气体检测中，例如二氧化碳、一氧化二氮和甲烷等。

在石英增强光声光谱中，激光束通常聚焦在音叉式石英晶振的两个力臂之间，从而产生的声波驱动音叉式石英晶振对称振动。为了提高石英增强光声光谱的性能，一对由不锈钢管组成的声学微谐振器放置在音叉式石英晶振的两侧，以通过纵向共振增强声压，在业界内把这种配置称为共轴石英增强光声光谱。香港中文大学任伟等人使用基于在～7.73μm运行的量子级联激光器的共轴石英增强光声光谱来实现过氧化氢的ppb级检测。安徽光机所刘锟等人展示了一个离轴石英增强光声光谱传感器，其中激光束不再需要聚焦在音叉式石英晶振的力臂中间。音叉式石英晶振靠近到谐振器狭缝以收集声信号，从而降低了激光准直的难度。山西大学董磊等人使用椭圆管作为离轴声学谐振器来匹配高功率多模激光二极管。暨南大学郑华丹等人展示了径向腔石英增强光声光谱传感器，以通过径向声共振提高灵敏度。法国巴黎萨克雷大学M.Duquesnoy开发了一种基于定制音叉式石英晶振的径向腔石英增强光声光谱传感器。

到目前为止，所有已经报道的石英增强光声光谱传感器都是把音叉式石英晶振放入到气室中的。这些传感器有一个无法克服的问题。那就是音叉式石英晶振表面的金属膜电极会被腐蚀性气体腐蚀，所以不能用于高浓度的腐蚀性气体检测。另一个问题是石英增强光声光谱传感器不能用于含尘气体检测，那是因为附着在音叉式石英晶振上的微粒会显着影响其振动。为了解决这个问题，哈尔滨工业大学马欲飞等人提出光诱导热弹性光谱技术，音叉式石英晶振作为光电检测器放置在吸收池后面。然而，光诱导热弹性光谱技术本质上是吸收光谱，而非光声光谱，其检测灵敏度取决于光学吸收长度。与石英增强光声光谱技术相比，光诱导热弹性光谱技术放弃了传感器结构紧凑、气体采样体积小的优势。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，旨在解决基于石英增强光声光谱传感器在检测高浓度腐蚀性气体或含灰尘气体时抗腐蚀性不强、系统不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种非接触式石英增强光声光谱气体探测装置，包括：气室和石英音叉；