[发明专利]基于平行入射的石英光声光谱传感系统

说明书

本发明公开了一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，所述传感系统包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、光学准直器、石英音叉、数据采集系统、计算机。本发明设计了一种新的激光入射到石英音叉的方式，激光平行于石英音叉的叉股入射，从音叉叉股的中间穿过最后直接打在音叉的底部。由于石英音叉的长度远大于其厚度，所以激光与气体有效的相互作用距离会大大增加，从而提高声波对石英音叉的作用效果使得石英音叉的输出信号增大，最终提高气体探测的灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种石英光声光谱传感系统。

背景技术

石英增强光声光谱技术是一种利用石英音叉作为探测元件的间接吸收光谱技术。石英增强光声光谱技术的基础原理是光声效应。所谓光声效应是指吸收气体吸收光能后通过无辐射跃迁形式转化为热能，这会导致吸收气体局部温度的升高及压强的变化。如果光能是经过周期性调制的，那么这种局部温度升高及压强的变化也会是周期性的，调制频率如果在声频，那就会产生声波。当声源位于石英音叉两叉股中间时，压力波会对石英音叉的两叉股分别产生相反的力的作用，由于石英材料具有压电效应，这种相反的力的作用会导致音叉两叉股产生相反的电信号，通过引出电极，石英音叉就可以输出信号。石英增强光声光谱技术中使用的光源是激光，气体分子吸收激光能量产生光声效应。由于音叉叉股只有分别向相反方向摆动时才会产生有效信号，故激光入射需要穿过两音叉叉股之间，目前激光入射方式是垂直穿过音叉叉股（图1所示），方式较为单一，激光与音叉叉股之间的气体相互作用产生声波信号并通过石英晶体的压电效应转化为电流信号输出，通过解调输出电流信号反演得出待测气体浓度。

在现有的激光的入射方式中，激光与气体的有效作用距离短，只有音叉厚度大小，约为0.36 mm（图1），导致由光声效应产生的声波对石英音叉的作用较弱，进而使得音叉输出的电流信号较小（约为 pA量级），最终影响气体检测的灵敏度。此外，在这种方案中，激光与音叉顶部的相对距离也会影响输出信号强度，这使得系统调节变得非常复杂，系统稳定性要求很高。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明设计了一种新的激光入射到音叉的方式，并用于气体传感系统，进而提供了一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于平行入射的石英光声光谱传感系统，基于石英光声光谱技术原理，包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光器、光学准直器、石英音叉、数据采集系统、计算机，其中：

所述半导体激光器输出激光由光学准直器准直变成平行光以后传输至石英音叉中；

所述石英音叉置于待测气体环境内，激光平行于石英音叉叉股入射，并穿过两音叉叉股中间，基于光声效应，气体分子产生声波信号，石英音叉将声波信号转换为电信号；

所述石英音叉将产生的电信号传输至数据采集系统；

所述数据采集系统与计算机相连接，由计算机进行信号处理，反演气体浓度。

一种利用上述传感系统反演探测气体浓度的方法，包括如下步骤：

步骤一：半导体激光器通过温度和电流的设定，调节激光器输出波长，使它覆盖目标气体吸收线，同时保证输出功率在预期范围内；

步骤二：半导体激光器输出的激光经过光学准直器后，整形为近似平行的平行光；

步骤三：整形后的激光束从石英音叉叉股中间入射，激发气体分子产生声波信号；

步骤四：基于光声效应，石英音叉将声波信号转换为电信号，并经数据采集系统将电信号采集存储；

步骤五：计算机将数据采集系统获得的数据读出，进行相关计算，反演出探测气体的浓度。