[发明专利]一种测量痕量气体浓度的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电领域，特别是涉及一种测量痕量气体浓度的装置及方法。

背景技术

痕量气体检测在污染监控、石油勘探、工业过程控制、航天工业及医学诊断等多个领域都有重要的应用。但是现有测量痕量气体浓度技术的分辨率较低、测量精度较差，不能满足实际需求。

发明内容

本发明提供一种测量痕量气体浓度的装置及方法，用以解决现有测量痕量气体浓度技术的分辨率较低、测量精度较差，故而不能满足实际需求的问题。

本发明的装置包括：光学组件部分和电信号控制测量部分；其中，所述光学组件部分包括：激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次设置的空间光束滤波器和样品池，所述样品池中注入有痕量气体；所述空间光束滤波器包括两个聚焦透镜，以及位于所述两个聚焦透镜之间的针孔，光路从所述两个聚焦透镜和针孔内通过；所述样品池中包括石英晶振，以及对称设置在所述石英晶振两侧的两个微谐振腔，所述石英晶振和两个微谐振腔的轴心与光路同轴，所述石英晶振平面与光路相垂直，光路从所述两个微谐振腔内和石英晶振两振臂间通过；其中，所述电信号控制测量部分分别与激光器和石英晶振电连接；在测量所述痕量气体浓度之前，电信号控制测量部分采用校准模式对石英晶振进行校准；在测量所述痕量气体浓度时，电信号控制测量部分切换到测量模式，并根据所述石英晶振将声信号转化得到的电信号，测量所述痕量气体的浓度。

进一步，空间光束滤波器的针孔平面与光路非垂直。空间光束滤波器的针孔与激光器之间的聚焦透镜焦点位于所述针孔中心；所述空间光束滤波器的针孔与样品池之间的聚焦透镜成像点位于石英晶振两臂中心。空间光束滤波器的针孔直径为50μm至300μm。

进一步，每个微谐振腔的长度为大于四分之一个声波波长小于二分之一个声波波长。微谐振腔内径为0.6mm至1mm，每个微谐振腔与石英晶振的间隙为30μm至50μm。

进一步，样品池的光路方向上还装配有入射窗口和出射窗口，并且与光路非垂直。

进一步，样品池上还装配有进气口和出气口，用于注入和排出痕量气体。

进一步，电信号控制测量部分包括：切换模块，与所述石英晶振电连接，用于切换校准模式和测量模式；信号发生模块，与所述切换模块和激光器电连接，用于发生信号；锁相放大器，与所述切换模块和信号发生模块电连接，用于设置谐波探测模式，并对探测的信号进行解调，以及得出响应曲线；数据采集卡，与锁相放大器电连接，用于采集锁相放大器得出的响应曲线；计算机，与信号发生模块和数据采集卡电连接，用于控制信号发生模块发出信号，以及分析数据采集卡采集的数据。切换模块包括：与所述石英晶振输入端电连接的电子开关；与所述电子开关的控制端和一个输入端电连接的耦合电容；与所述石英晶振输出端电连接的集成运放及放大电阻，并且所述集成运放的输出端电连接锁相放大器。或者，切换模块包括：与所述石英晶振输入端电连接的继电器；与所述继电器的常开触点和第一信号发生器输出端电连接的耦合电容；与继电器线圈电连接的三极管；与所述石英晶振输出端电连接的集成运放及放大电阻，并且所述集成运放的输出端电连接锁相放大器。信号发生模块包括：输出端与所述切换模块电连接的第一信号发生器；触发输入端与所述第一信号发生器的触发输出端电连接的第二信号发生器；与所述激光器的激光调制输入端电连接的电子加法器，所述电子加法器还与第二信号发生器的触发输出端电连接；与所述电子加法器的一个输入端电连接的第三信号发生器。

进一步，激光器为中红外量子级联激光器，发射出中红外激光。

本发明的方法包括：石英晶振校准的步骤：在校准模式下，用电信号激发石英晶振振动，以一次谐波探测模式对由石英晶振振动产生的电信号进行探测，经解调后分析得出所述石英晶振的共振频率；切换模式的步骤：切换到测量模式，并根据所述的石英晶振共振频率，将一次谐波探测模式切换到二次谐波探测模式；测量痕量气体浓度的步骤：将红外线光束的频率调至所述石英晶振共振频率的二分之一，并以二次谐波探测模式对由石英晶振将声信号转化得到的电信号进行探测；其中，石英晶振校准的步骤、切换模式的步骤以及测量痕量气体浓度的步骤，采用本发明的测量痕量气体浓度的装置来实施。