基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置

摘要

本发明公开了一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，在样品池中设置有开有狭缝的管状谐振腔，及石英音叉。本发明中一个激光二极管用来探测非吸收的本底噪声，另一个激光二极管用来探测NO2，两个激光二极管通过分束镜进行耦合和分束，光电探测器用来监控激光二极管的功率，聚焦透镜把光聚焦到管状谐振腔，石英音叉输出端与锁相放大器的输入端连接，聚焦透镜的焦点位于管状谐振腔中，高频方波发生器的输出端与锁相放大器的输入端电连接，光电探测器、低频方波发生器和低频方波发生器与外部计算机连接。

权利要求

1.基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，包括有两个低频方波发生器和一个高频方波发生器，所述低频方波发生器的输出端连接至外部的计算机，其中一个低频方波发生器输出的方波与所述高频方波发生器输出的方波通过加法器耦合，另一个低频方波发生器输出的方波与所述高频方波发生器输出的方波通过另一个加法器耦合，所述加法器的输出端分别各自电连接有电流控制器，还包括带有进气口和出气口的样品池，所述样品池中设置有两个光轴相互垂直的激光二极管，所述激光二极管分别各自与一个电流控制器电连接，由电流控制器供电，耦合后的方波信号分别通过各自对应的电流控制器输送至所述激光二极管，还包括有设置在样品池中的分束镜，分束镜位于两个激光二极管的出射光光路交点处，一个激光二极管穿过分束镜的透射光与另一个激光二极管被分束镜反射的反射光合为一路共线传输，因此采用分束镜将光一分为二，一路输入到样品池中，一路输入到光电探测器上以便监测其功率，所述光电探测器的输出端与外部计算机连接，另一路共线光的光路上设置有聚焦透镜，其特征在于：所述样品池中还设置有管状的声谐振腔和与声谐振腔配合的石英音叉，所述声谐振腔的管身上开有与声谐振腔管身中心轴线垂直的狭缝，该狭缝的长度为≤声谐振腔的内直径，所述石英音叉的音叉臂放置于狭缝两侧，音叉臂的平面与声谐振腔管身平行，石英音叉的音叉切口与所述狭缝的边缘平行，所述声谐振腔设置于所述聚焦透镜前方的聚焦透镜焦点位置；所述样品池外设置有前置放大器、锁相放大器，所述前置放大器的输入端与石英音叉的输出端电连接，前置放大器的输出端与锁相放大器的一个输入端电连接，所述锁相放大器上还有另外的输入端与所述高频方波发生器的输出端电连接，锁相放大器的输出端通外部的计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述两个低频方波发生器输出的方波信号频率相同，相位相差90度。

3.根据权利要求1所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述高频方波发生器输出的方波信号频率与所述石英音叉的共振频率相同。

4.根据权利要求1所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感 装置，其特征在于：所述激光二极管出光口前端与分束透镜之间均设置有准直透镜。

5.根据权利要求1所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：一个激光二极管的出射光波长范围在650-830nm之间，另一个激光二极管的出射光波长范围在420-500nm之间。

6.根据权利要求1所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述声谐振腔管身上的狭缝位于聚焦透镜的焦点处。

说明书

基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置

技术领域

[0001] 本发明涉及气体传感装置领域，尤其是基于离轴声谐振腔石英音叉双波长差分光声气体传感装置，具体为一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声二氧化氮气体传感装置。

背景技术

[0002] 随着国民经济的快速发展，环境和健康已经引起人们的广泛关注。二氧化氮(NO2)是一种有毒并具有腐蚀性的污染气体之一，对人类健康具有严重的危害性，因此二氧化氮(NO2)成为我国空气质量预报的首选监测的污染物之一。目前二氧化氮(NO2)探测方法主要有电化学法、气相色谱法、质谱法和差分吸收光谱法等。目前在工业上使用较多的是差分吸收光谱方法用于烟气排放检测，对于实时在线测量环境中的二氧化氮浓度，需要较长的光程，系统体积较大，价格昂贵。因此发展体积小、功耗低、灵敏度高的微型新型光学传感器在工业和环境等领域具有重要的应用价值。

[0003] 2005年6月2日公告的美国发明专利说明书US 2005/0117155A1中提及的一种“石英增强光声光谱装置”。它意欲提供一种采用石英音叉的光声光谱装置来探测气体物质的成分或含量。它的构成为激光器及其光路上置有的聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉，以及激光器的输入端与函数发生器电连接，石英音叉的输出端与锁相放大器电连接，函数发生器的输出端与锁相放大器的输入端电连接；其中，管状谐振腔为分置于石英音叉两边的两只长度为2.45mm、内直径为0.3～0.5mm的细管，这两只细管的管轴心均与光路同轴，聚焦透镜的焦点位于石英音叉的音叉切口处。探测时，函数发生器发出石英音叉共振频率f的f/2的正弦调制信号来调制激光器的输出，位于石英音叉的音叉切口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f相同的声波，由于声波的频率等于石英音叉的共振频率，因此声波的振动将激发石英音叉产生共振。因石英音叉具有压电效应，故此共振的石英音叉将产生压电电流信号，此信号经锁相放大器在共振频率f处进行解调，从而得到气体样品的吸收。

[0004] 在2009年2月4日公开的专利说明书(申请号200810214782.3，公开号CN101358918A)中提及了一种另外的石英音叉增强型光声光谱的发明。在该专利说明书中所述的发明与前面所述的美国发明专利说明书中的发明不同之处在于：在该发明中用了两个石英音叉。第一个石英音叉放置在光路中用来探测光声信号。第二个石英音叉放置在探测光声信号的第一个石英音叉后面用来探测或监控光功率。

[0005] 但是，这两种装置均存在着不足之处，首先，为形成共振，光路即激光束必须通过两只细管及石英音叉的音叉切口，而音叉切口的宽度一般仅为0.2～0.3mm，因此，激光源的光束质量必须非常的好，即聚焦后的光斑必须能通过石英音叉的音叉切口，这既增大了装置调整的难度，又增加了装置的制造成本和使用成本；其次，用于共振增强信号的两只细管间隔有石英音叉，以及石英音叉与两只细管间又存在着间隔，使声共振条件并没有完全满足，大大地降低了共振增强的效果；再次，石英音叉的音叉切口极大地限制了其两边所加细管的内径大小，管内径越大增强效果越小，而小的管内径却给激光束的布置带来了极大的复杂性，激光束必须严格地穿过两只细管的中心以及石英音叉的音叉切口的中心，如果激光束射到细管的管壁或石英音叉的一个臂上，那将会引起噪声，且激光束偏离石英音叉的音叉切口的中心也将会大大地降低共振信号的强度。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，以解决现有技术中的装置体积大、功耗高、价格昂贵、难以大范围推广等缺点。 [0007] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

[0008] 基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，包括有两个低频方波发生器和一个高频方波发生器，所述低频方波发生器的输出端连接至外部的计算机，其中一个低频方波发生器输出的方波与所述高频方波发生器输出的方波通过加法器耦合，另一个低频方波发生器输出的方波与所述高频方波发生器输出的方波通过另一个加法器耦合，所述加法器的输出端分别各自电连接有电流控制器，还包括带有进气口和出气口的样品池，所述样品池中设置有两个光轴相互垂直的激光二极管，所述激光二极管分别各自与一个电流控制器电连接，由电流控制器供电，耦合后的方波信号分别通过各自对应的电流控制器输送至所述激光二极管，还包括有设置在样品池中的分束镜，分束镜位于两个激光二极管的出射光光路交点处，一个激光二极管穿过分束镜的透射光与另一个激光二极管被分束镜反射的反射光合为一路共线传输，因此采用分束镜将光一分为二，一路输入到样品池中，一路输入到光电探测器上以便监测其功率，所述光电探测器的输出端与外部计算机连接，另一路共线光的光路上设置有聚焦透镜，其特征在于：所述样品池中还设置有管状的声谐振腔和与声谐振腔配合的石英音叉，所述声谐振腔的管身上开有与声谐振腔管身中心轴线垂直的狭缝，所述石英音叉的音叉臂放置与狭缝两侧，音叉臂的平面与声谐振腔管身平行，石英音叉的音叉切口与所述狭缝的边缘平行，所述声谐振腔设置于所述聚焦透镜前方的聚焦透镜焦点位置；所述样品池外设置有前置放大器、锁相放大器，所述前置放大器的输入端与石英音叉的输出端电连接，前置放大器的输出端与锁相放大器的一个输入端电连接，所述锁相放大器上还有另外的输入端与所述高频方波发生器的输出端电连接，锁相放大器的输出端通外部的计算机电连接。

[0009] 所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述两个低频方波发生器输出的方波信号频率相同，相位相差90度。

[0010] 所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述高频方波发生器输出的方波信号频率与所述石英音叉的共振频率相同。 [0011] 所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述激光二极管出光口前端与分束透镜之间均设置有准直透镜。

[0012] 所述的基于宽带光源双波长差分石英音叉光声的二氧化氮气体传感装置，其特征在于：一个激光二极管的出射光波长范围在650-830nm之间，另一个激光二极管的出射光波长范围在420-500nm之间。

[0013] 所述的一种基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置，其特征在于：所述声谐振腔管身上的狭缝位于聚焦透镜的焦点处。

[0014] 二氧化氮(NO2)在300-550nm间有很强的吸收，如图1所示，根据文献报道，二氧化氮(NO2)分子在小于410nm波长的光照下产生光解。因此在本发明中，可以选择波长在415～550nm之间的激光二极管作为探测NO2的光源，如图还可以看出，NO2在大于650nm波长相对于415～550nm之间的探测激光吸收较小，因此选择波长为780nm的激光二极管作为测量二氧化氮的探测本底噪声的光源。在实际实用时，只需要更换不同波长的宽带光源，就可实现对不同气体的测量。

[0015] 本发明中，狭缝与声谐振腔的管长相垂直；聚焦透镜的焦点位于声谐振腔中的狭缝处；声谐振腔的长度为5.3mm、外直径为1.4mm、内直径为1mm；狭缝的宽度为0.15mm、长度为0.6mm；石英音叉的共振频率为32.76kHz；音叉臂的平面与声谐振腔相平行、且音叉切口与狭缝的缝长平行对齐设置；低频方波发生器与高频方波发生器通过加法器耦合；激光二极管内置有准直透镜，激光二极管与聚焦透镜间的光路上接有分束镜；激光二极管的输入端与加法器间串接有电流控制器；石英音叉的输出端与锁相放大器间串接有前置放大器；声谐振腔、音叉、两个激光二极管、分束镜和聚焦透镜均位于样品池中，样品池上分别置有进气口、出气口。

[0016] 本发明中，一个激光二极管用来探测非吸收的本底噪声，另一个激光二极管用来探测NO2，两个激光二极管通过分束镜进行耦合和分束，光电探测器用来监控激光二极管的功率，聚焦透镜把光聚焦到管状谐振腔，石英音叉输出端与锁相放大器的输入端连接，聚焦透镜的焦点位于管状谐振腔中，高频方波发生器的输出端与锁相放大器的输入端电连接，光电探测器、低频方波发生器和低频方波发生器与外部计算机连接。

[0017] 两个低频方波的输出方波位相相差90度使两个各自对应的激光二极管间隔轮流工作来实现差分探测，高频方波发生器的输出方波频率等于石英音叉的共振频率f，管状谐振腔为中部置有狭缝的声谐振腔，声谐振腔的长度为≤10mm、外直径为≤1.5mm、内直径为≤1mm，狭缝的宽度为≤0.2mm、长度为≤声谐振腔的内直径；石英音叉的音叉臂位于狭缝处，其与狭缝间的距离为≥5μm。

[0018] 相对于现有技术的有益效果是，其一，采用中部置有狭缝的声谐振腔，且声谐振腔的尺寸限定为长度≤10mm、外直径≤1.5mm、内直径≤1mm，狭缝的宽度≤0.2mm、长度≤0.6mm，同时将石英音叉的音叉臂置于狭缝处，音叉臂与狭缝间的距离≥5μm的结构，使其既具有结构简单、体积小、装配调整和使用均方便的特点，又对激光源的要求不高，大大地降低了制造和使用维护的成本，还能因设定的声谐振腔的尺寸范围来确保其的一阶共振频率为石英音叉的共振频率f0；其二，用于共振增强信号的声谐振腔仅为一根细管，避免了多只细管与石英音叉相 互间对声共振的影响，使声谐振腔中的声共振条件发挥到了极致，大幅度地提升了共振增强的效果，经多次测试，其输出的共振增强信号为现有装置输出的信号的3～5倍；其三，共振增强信号的采集使用紧贴于声谐振腔中部狭缝处的音叉臂，既杜绝了激光束射到细管的管壁或石英音叉的一个臂上而引起的噪声，又不会发生激光束偏离石英音叉的音叉切口的中心将会大大地降低共振信号的强度的情况，使其的抗干扰性强、工作稳定可靠。其四，由于激光二极管波长不可调，因此采用振幅调制，振幅调制会有一个较小的本底噪声，因此采用差分结构，波长处于NO2吸收处的激光二极管探测NO2的吸收，而波长处于NO2无吸收处的激光探测本底噪声。其五，光声信号和本底噪声跟光功率有关，因此采用分束镜将光一分为二，一路输入到样品池中，一路输入到光电探测器上以便监测其功率。

[0019] 作为有益效果的进一步体现，一是优选狭缝与声谐振腔的管长相垂直，聚焦透镜的焦点优选位于声谐振腔中的狭缝处，均利于最大限度地获得共振增强信号；二是声谐振腔的长度优选为5.3mm、外直径为1.4mm、内直径为1mm，狭缝的宽度优选为0.15mm、长度为0.6mm，石英音叉的共振频率优选为32.76kHz，这种较佳的参数配合不仅可获得较高的共振增强信号，且可以有效的降低本底噪声，还因32.76kHz的石英音叉的共振频率基本不受1/f噪声的影响，且只有石英音叉的两个臂进行对称的反向振动时才会产生压电电流，故来自远处的频率为石英音叉共振频率f的声波并不能使石英音叉进行对称的振动，从而使其具有超强的抗外界干扰能力；三是优选音叉臂的平面与声谐振腔相平行、且音叉切口与狭缝的缝长平行对齐设置；四是激光器优选405nm的激光二极管作为探测光源，优选780nm的激光二极管探测本地噪声。激光器与聚焦透镜间的光路上优选分束镜和准直透镜，均易于激光束的传输和于声谐振腔中的调整；五是激光器的输入端与加法器间优选串接有电流控制器，石英音叉的输出端与锁相放大器间优选串接有前置放大器，均便于共振增强信号的获得和优化处理。

附图说明

[0020] 图1为NO2分子的紫外可见吸收光谱图。

[0021] 图2为本发明结构示意图。

[0022] 图3为声谐振腔与石英音叉的音叉臂间的连接方式的结构示意图。 具体实施方式

[0023] 参见图2、图3，低频方波发生器1的输出和高频方波发生器2的输出由加法器4耦合后经电流控制器6给激光二极管8供电，而低频方波发生器3的输出和高频方波发生器2的输出由加法器5耦合后经电流控制器7给激光二极管9供；激光二极管8和激光二极管9的输出光由分束镜10进行分束和耦合，经耦合的光路12上置有聚焦透镜13和声谐振腔14。其中，

[0024] 样品池16的左、右侧分别置有进气口21和出气口22。

[0025] 声谐振腔14为长度为5.3mm、外直径为1.4mm、内直径为1mm的管状物，其中部置有宽度为0.15mm、长度为0.6mm的狭缝141。狭缝141与声谐振腔14的管长相垂直，声谐振腔14的管轴心与光路12同轴，聚焦透镜13的焦点位于声谐振腔14中的狭缝141处。 [0026] 狭缝141处置有石英音叉15的音叉臂151，该音叉臂151与狭缝141间的距离为10μm。

[0027] 石英音叉15的共振频率为32.76kHz，其与狭缝141间连接方式为音叉臂151的平面与声谐振腔14相平行、且音叉切口152与狭缝141的缝长平行对齐设置，如图3所示。 [0028] 激光器8为波长在670-830nm间的激光二极管，其输入端与电流控制器6的输出端电连接，电流控制器6的输入端与加法器4的输出端电连接，低频方波发生器1的输出端和高频发生器2的输出端与加法器4的输入端电连接；激光器9为波长在420-550nm间的激光二极管，其输入端与电流控制器7的输出端电连接，电流控制器7的输入端与加法器5的输出端电连接，低频方波发生器3的输出端和高频发生器2的输出端与加法器5的输入端电连接；锁相放大器19的输入端还与高频方波发生器2的输出端、前置放大器18的输出端电连接，前置放大器18的输入端与石英音叉15的输出端电连接。光电探测器17的输出、锁相放大器18的输出、低频方波发生器1的输出、低频发生器3的输出与外部计算机20的电连接。

[0029] 使用本发明探测二氧化氮时，二氧化氮气体样品由进气口8进入样品池7，并散布于整个样品池7中。探测时，低频方波发生器1和低频方波发生器3产生位相相差90度的低频方波，高频方波产生频率等于音叉共振频率f的方波。然后低频方波发生器1的输出和高频方波发生器2的输出由加法器4耦合后经电流 控制器6给激光二极管8供电，而低频方波发生器3的输出和高频方波发生器2的输出由加法器5耦合后经电流控制器7给激光二极管9供电.由于低频方波发生器1和低频方波发生器3的输出方波位相相差90度，当低频方波1的输出为高电平时，当低频方波3的输出为低电平，此时激光二极管8工作而激光二极管9不工作，这样探测到的信号是激光二极管8产生的信号，反之亦然。激光器8为波长在670-830nm间的激光二极管，而在这波段二氧化氮没有吸收，因此激光二极管8产生的信号为本底噪声，激光器9为波长在420-550nm间的激光二极管，在这波段二氧化氮有强吸收，因此激光二极管9产生的信号为二氧化氮吸收产生的光声信号。激光二极管9产生的信号减去激光二极管8产生的信号就是实际的二氧化氮吸收光声信号。 [0030] 显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于离轴声谐振腔石英音叉双波长差分光声气体传感装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。