[发明专利]基于石英增强光声光谱的全光学气体探测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及光声光谱测量技术，具体是一种基于石英增强光声光谱的全光学气体探测方法及装置。

背景技术

随着科学技术以及经济社会的不断发展，环境问题也日益凸显，无论出于工业生产监控还是人们健康生活，对气体质量的监测正变得越来越重要，相关研究人员也一直为此进行着不懈的努力。激光光声光谱技术便是发展较为成熟的一种气体探测技术，它具有探测灵敏度高、动态响应范围大以及响应速度快等优点，在空气质量监测，石油化工、航天医疗以及国防科研等领域都有着广泛应用。

传统的光声光谱技术（QEPAS）采用麦克风作为光声信号探测器件，它的光声池体积较大，并且很容易受到外界环境噪声的影响。随着相关技术的发展，Kosterev等人创造性的用石英音叉代替麦克风作为光声信号探测器，首次提出石英增强光声光谱技术，并于2005 年 6 月 2 日在美国申请获得发明专利（专利说明书为 USZOOS / 0117155AI ）。利用该专利所述仪器探测时，由函数发生器发出频率为石英音叉共振频率f₀的一半 f₀/2 的正弦交流信号通过激光控制器对激光频率进行调制，与此同时，激光控制器提供一定大小的直流电流使激光器输出光波长恰好位于待测气体的特定吸收线波长处。位于音叉式石英晶振两振臂间隙附近的待测气体样品吸收受调制的激光后将产生频率与石英音叉的共振频率 f₀相同的声波。由于声波的频率与石英晶振的共振频率相同，因此二者会产生共振。音叉的振动在其自身压电效应的特性下会转化为压电电流，该微弱电流经前置放大器放大后传输至锁相放大器进行解调最终获得包含待测气体信息的吸收谱信号。

该方法目前已经得到广泛的应用，但仍然有一些应用限制。首先，前置放大器必须安置在距离音叉式石英晶振非常近的地方，以避免微弱的压电信号淹没在噪声之中；其次，为了把前置放大器与外界电磁场隔离，接地良好的电磁屏蔽罩必须被使用，否者很容易串入电磁噪声。这样，当测量位置处空间很小时（空间不足以安放前置放大器），或者当测量处电磁场干扰很大，这时信噪比会迅速恶化，从而无法完成测量。

  传统的光声光谱技术中，采用激光器、光束聚焦器、气体池、音叉式石英晶振等组成的用于激发待测气体产生声波的方法称为基于音叉式石英晶振的气体共振发生方法；音叉式石英晶振包括一对通过下部固定在一起、间隔一定且竖直设置的振臂，两振臂相对的一面称作内侧面，与内侧面相对的一面称为外侧面。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱技术中探测信号易受电磁环境干扰且器件布置易受空间大小影响的技术问题，提供一种基于石英增强光声光谱的全光学气体探测方法及装置。

本发明所述的一种基于石英增强光声光谱的全光学气体探测方法是采用以下技术方案实现的：一种基于石英增强光声光谱的全光式微量气体探测方法，包括基于音叉式石英晶振的气体共振发生方法；还包括全光学探测方法；所述全光学探测方法采用以下步骤：引入一束探测光入射至音叉式石英晶振的任意一个振臂的外侧面，音叉式石英晶振的振臂在待测气体吸收激发光能量后产生的声波的作用下发生共振，引起入射至振臂上的入射光的入射方向及其反射光的反射方向发生变化；采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光因反射方向变化引起的强度变化信息，根据该强度变化信息得到待测气体的浓度；所述入射光与反射光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂侧面；所述接收面接收到的反射光的强度变化量I_大－I_小=ΔI，式中I_大、I_小分别是接收面接收到的反射光的强度最大值和最小值；所述反射光的强度变化量ΔI与音叉式石英晶振的振幅成线性关系，而音叉式石英晶振的振幅与待测气体的浓度y成线性关系，可知反射光的强度变化量ΔI与待测气体浓度y成线性关系；设反射光的强度变化量ΔI与某一种待测气体浓度y的关系式为y=kΔI+b，式中k，b为待定常数；至少取两份浓度已知的该种待测气体样品，分别测出至少两份待测气体样品吸收激光能量后产生声波引起的探测光反射后的光强变化量，根据至少两组[y, ΔI]值拟合出k和b，即得到反射光强度的变化量ΔI与待测气体浓度y的定量关系；据此就可以用于测定该种气体的浓度；选择不同气体的样品，拟合出该种气体对应的k，b值，就可用于测定该种气体的浓度；所述用于探测的入射光与音叉式石英晶振的振臂外侧面的法线所成角度为10~80°。