[发明专利]基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法

说明书

本发明公开了一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法，所述装置包括半导体激光器、激光准直系统、气室、H形共振管、石英音叉、直角棱镜、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口；石英音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过石英音叉的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉的两个叉股相对准。本发明解决目前常用的声学共振管对石英光声光谱痕量气体传感器性能提升较低的问题，可使信号提高1800倍，具有放大倍数高、成本低、体积小等优点。

技术领域

本发明涉及一种提升光声光谱传感器性能的装置和方法，具体涉及一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法。

背景技术

基于石英音叉的光声光谱技术是一种高灵敏度的痕量气检测方法，将石英音叉放置在充满目标气体的气室中，可调谐激光穿过气室并激发待测气体，气体吸收激光能量后产生了声波，利用石英音叉的压电效应，音叉将声信号转换成了电信号，通过解调电信号的幅值来反演出气体的浓度。为进一步提高系统的探测性能，设计并添加特殊结构的声学共振管使声波在共振管内形成驻波对声信号进行共振放大，并将音叉放置在声压的波腹位置处从而来提高音叉探测到的信号幅值。目前在基于石英音叉的痕量气体检测系统中通常使用圆形共振管并且共振管的添加方式主要可分为两种，即共轴模式和离轴模式。

共轴模式是指在垂直音叉平面的方向上放置两个共振管，共振管中心轴在一条直线上并垂直穿过音叉的叉股间隙（如图1所示），激光从共振管的一端入射，通过第一个共振管后穿过音叉的叉股间隙，然后从第二个共振管出射，气体吸收激光能量产生的声波会在共振管中形成驻波并增大音叉位置处的声压，从而提高了音叉压电信号的幅值，该系统下可使信号相比于未加共振管时提高30倍。

离轴模式是指在平行音叉平面的方向上放置一个共振管，并在音叉的位置处设置一个开口（如图2所示），激光从共振管中穿过，气体产生的光声信号在共振管内形成驻波，并在开口处形成声压的波腹点，以此增大音叉的压电信号，进而提升了系统的探测性能。

目前在离轴模式下有一种T形结构的声学共振管（如图3所示），激光通过共振管后，气体产生的光声信号在横向管内形成驻波，并在T形交点处形成声压的波腹，最终声波由纵向管收集并传输至音叉的叉股间隙处，从而提高系统的探测信号，该共振管最终可使信号相比于未加共振管时提高30倍。

上述目前常用的两种模式下的共振管对传感系统信号的提升只有几十倍（50倍），放大倍数较低，限制了传感器的探测性能及实际应用。

发明内容

为了解决目前常用的声学共振管对石英光声光谱痕量气体传感器性能提升较低的问题，本发明利用对声波的二次放大，提供了一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于H形共振管提升光声光谱传感器性能的装置，包括半导体激光器、激光准直系统、气室、H形共振管、石英音叉、直角棱镜、阻抗放大器、控制与数据采集系统、计算机，其中：

所述H形共振管包括两个横向管和一个纵向管，第一横向管和第二横向管的中点位置由纵向管连通，纵向管的中点位置处设有两个开口；

所述石英音叉和H形共振管放置在含有待测气体的气室中，纵向管穿过石英音叉的叉股间隙，且纵向管的两个开口位置与石英音叉的两个叉股相对准；

所述直角棱镜放置在H形共振管激光出射一侧；

所述半导体激光器输出激光经激光准直系统准直后传输进入含有待测气体的气室内，激光通过H形共振管的第一横向管后传输至直角棱镜并被反射，反射后的激光传输通过H形共振管的第二横向管；