[发明专利]用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对气体进行石英增强的光声光谱测量的方法，所述 石英增强的光声光谱测量使用被配置成将有至少一个波长的激光束引入该气 体内而使得该气体内的至少一个分子被激发产生声信号的光源，在谐振声检 测器中积聚该声信号，并且通过至少一个作为谐振声检测器的音叉产生与气 体浓度相关的谐振吸收信号。本发明进一步涉及一种光声气体检测器，所 述光声气体检测器通过用来提供与气体的存在或浓度有关的信号的恰当的处 理元件来进行石英增强的光声光谱测量。

背景技术

这样的方法和气体检测器在美国专利申请US2005/0117155A1中已经公 开，该专利申请作为参考被引入到本发明中。

一般来讲，对于光声气体传感器有三个基本概念。

非谐振光声气体传感器

这个概念使用近似闭合的气体吸收池和更经常的热光源来测量中红外波 段的气体。斩波频率由热光源限制为不超过100～150Hz。气体吸收池的体积 是无关的，并且可以被最小化；限制在于扩音器等中死体积(dead volume) 的贡献。

谐振光声气体传感器

对于这个概念，光源在气体吸收池的谐振频率时被斩波。在厘米范围内 的气体吸收池的千赫兹范围要求将激光作为光源，并且气体吸收池在谐振波 节的地方可以是敞开的(扩音器放在波腹处)。由于较高的斩波频率，这个概 念的优势是对周围环境噪声很高的抑制(周围环境的贡献减少了1/f)。这个 概念的限制在于用于快速应用的传播时间(通常10～30秒)。

石英增强的光声气体传感器

如美国专利US2005/0117155A1公开的，这个概念用谐振扩音器代替了 谐振气体吸收池，并且用宽波段体积空间代替宽波段扩音器。该吸收体积空 间完全不被封闭以致于由气体吸收产生的声波非常弱。这被谐振扩音器的特 别高的品质因数所弥补。典型的方法是使用石英手表的石英音叉作为谐振扩 音器(谐振频率32768Hz)，且使用石英音叉的音叉臂间的空间作为吸收体积 空间。在这个装置中，激光束仅简单地聚焦在石英音叉的音叉臂之间，并且 后者起扩音器的作用。除了极高的传播速率和最小的尺寸(音叉大约10毫米 长，3毫米宽)外，这样的装置还因为石英音叉是石英表的基本元件并且是大 批量生产的原因而非常便宜。

音叉的谐振模式能极大地抑制噪音。气体吸收的声波引发了对称的震动 模式，而任何外部的噪音引发了反对称的震动模式。由于两种模式具有很小 的频率差异以及都具有高的品质因数，因此反对称的贡献不会被信号电子元 件拾取。

在光声测量装置中，具有选定波长的斩波光束被引入气体吸收池或体积 空间内，在那里，目标气体对该光束的吸收产生了声波。该声波被扩音器拾 取，该扩音器的信号与气体吸收池内的气体浓度基本上成比例。

由于扩音器的信号同时也与气体吸收池内的光强基本上成比例，因此作 为参考信号而使用第二检测装置(通常是红外检测器或光电二极管)随着时 间来监控光源的强度。

在所有的光声气体检测器设计中，光束将最终撞击气体吸收池的结构。 入射到该结构上的光的部分吸收在该结构内产生声波，该第二声波也以与气 体浓度信号相同的频率被扩音器拾取。

这所谓的‘壁噪音’因此对扩音器产生了不希望的的抵消贡献，并且当 光源是激光束时该贡献尤其重要。在过去的几年里，为了限制壁噪音对气体 浓度测量的贡献，已经进行了大量的设计努力。

美国专利US5-A-5159411公开了一种使用光声光谱检测气体的方法和设 备，其描述了对在包含有第二气体的气体混合物中的第一气体进行检测的过 程，该第二气体的吸收光谱干扰第一气体的吸收光谱，在第三气体存在下进 行光声测量，该第三气体与第一或第二气体结合显示了动力冷却。在测量中， 通过使有恒定重复频率的脉动激光来影响气体混合物，在这里，激光的频率 逐渐地变化。该测量包含至少一个对作为激光频率函数的光声信号的相进行 的检测。该设备不使用声检测器(更不用说音叉)来测量激光强度，或者更 确切地说是与激光强度成比例的壁噪音。

发明内容

因此本发明的一个目的是提出一种在减少了壁噪音对气体浓度测量的贡 献的情况下针对光声光谱(PAS)的方法和气体检测器。