[发明专利]一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统

说明书

本发明提出一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统，它包括两台光梳激光源、偏振控制器、合束器、半波片、光声气体池、聚焦透镜、音叉接收器组、多通道ADC单元、频谱仪。本发明公开了一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测方法，本发明采用时频稳定的相干光梳源作为宽谱带激励源，激发多种类气体分子产生不同的光声信号；光声信号的频率由两台光梳梳齿之间的拍频频率所决定；利用音叉组中不同特征频率的音叉对不同的光声信号进行共振增强，最终达到提高双光梳光谱检测灵敏度的目标，解决了非接触式气体检测技术在高灵敏度的多组分气体光谱测试方面的问题。

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地指一种音叉共振增强的双光梳多组分气体检测系统及方法。

背景技术

随着社会的不断发展和进步，各个领域所接触和使用的气体种类、数量都不断增多，对相关气体进行成分和含量的检测的需求也变得越来越多。在工业生产中会使用一些危险气体，例如易爆气体或是有毒气体，因此需要对危险气体进行实时监测以避免事故发生。在日常生活中也需要对有害气体进行检测以便采取相关措施，如对新装修房屋中的甲醛、空气中的一氧化碳、氮的氧化物等有害气体进行检测。生物医学等领域，对相关气体进行检测也有迫切的需要，例如对植物释放的乙烯进行监测以判断植物的生长状况，以及对病人的呼出气体进行成分及含量的检测以判断某些疾病。由此可见，气体检测已经变得愈发重要。

国内外市场上主要存在的气体传感器技术包括：半导体式、电化学式、光学式等气体传感器。

(1)半导体式传感器

半导体传感器的原理是采用金属氧化物半导体材料，与被测气体发生相互作用产生表面的吸附或反应，而引起电导率或表面电位的变化。其具有体积小、灵敏度高、响应速度快、便于集成化、成本低等优点，其缺点有：分散性、温度的不稳定性，容易受到干扰等。

(2)电化学式传感器

电化学传感器是通过检测电流来检测气体的浓度。其主要应用在检测有毒气体的浓度、血液中的含氧量等领域。其具有良好的选择性和高灵敏度，但是使用寿命太短。

(3)光学气体传感器

光学式气体传感器主要有红外吸收式、光纤化学材料型、激光式等。红外吸收式传感器应用的是红外检测技术即利用气体对红外光的选择吸收的特性进行浓度检测，它具有高测量精度、高时间分辨率、结构简单、成本低和操作简单等优点。激光式气体传感器采用谱线很窄的激光作为检测光源，比较适合气体成分检测，国内外在脉冲爆震发动机的燃烧尾气测试中已经有一些这方面的报道；但目前一般需要采用可调半导体激光器技术，这种技术不仅费用十分昂贵而且操作十分复杂。

就光学气体检测手段而言，国内外的主要实现手段包括有气相色谱法、傅里叶变换红外光谱法、吸收光谱法等。

1)气相色谱法

气相色谱法是国内外常用的测量气体浓度的方法，其原理是利用不同物质在两相中具有的不同吸附系数，当两相作相对运动时，物质进行多次反复分配，从而实现分离。再经过检测器和记录器，分成一个个的色谱峰。气相色谱法的优点：检测气体多、检测灵敏度高；缺点：取样和分析的过程中可能产生水解，对SO₂检测比较难，检测时间长，不能在线实时检测。

2)傅里叶变换红外光谱法

傅里叶变换红外光谱法是基于光的干涉原理，其内部结构由红外光、干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、样品室、检测器、记录仪等组成。它的优点：测量光谱范围宽，可以涵盖关键的中远红外波段，且可实现在线检测；缺点：光谱分辨率有限，例如SF₆和其分解气体的吸收峰接近，难以被区分，因而会发生交叉干扰，影响测量结果，此外，由于采用了机械扫描的测量方法，其检查耗时、灵敏度较低。

3)波长调谐吸收光谱法