一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法与流程

本发明涉及光电或光谱测量技术领域，具体为一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置及方法。

背景技术：

激光光谱作为一种光学的分析手段，具有分辨率和选择性高、无二次污染和非破坏性等特性，而被广泛地用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧诊断和呼吸气体成分诊断等。目前，从技术原理上，激光光谱技术分为：基于高精度光学腔的光谱技术(如：腔衰荡光谱，腔增强光谱或积分腔光谱)，调制光谱技术(如：波长/频率调制，磁旋转调制光谱)，直接吸收光谱和光声光谱。总体上，基于高精度光学腔的光谱技术可实现百米至千米级有效吸收光程，灵敏度极高，但是光学系统相对复杂，成本和技术要求高。调制光谱技术通过结合相应的调制技术，使得该方法无法直接获取相关信息，需通过校正过程才能得到相关物理量信息。直接吸收光谱作为一种免校正的光谱分析方法，可通过选择单通池或多次反射型吸收池实现不同级别的灵敏度。光声光谱具有波长响应带宽限制的优点，动态范围宽，系统结构简单，体积小。随着光声信号探测技术的发展,2002年美国莱斯大学的研究人员报道了一种基于石英音叉的新型光声光谱，即石英音叉增强型光声光谱(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy：QEPAS)。2003年芬兰图尔库大学的研究人员报道了一种基于迈克尔逊干涉技术的新型光声光谱，利用迈克尔逊干涉方法实现光声信号的提取，即悬臂梁增强型光声光谱(Cantilever-enhanced Photoacoustic Spectroscopy:CEPAS)。相比而言，CEPAS灵敏度更高，但系统整体结构相对较复杂；QEPAS以石英音叉代替传统的麦克风作为声信号探测器，使得光声光谱系统体积更加小型化，且灵敏度亦得到很大的提升。因而，近年来，QEPAS光谱技术更受国内外广大光谱科研工作者的青睐。

传统的光谱系统中，通常采用半导体光电探测器实现光电信的转换，依据半导体材料的不同，半导体光电探测器对光波长响应带宽有限。吸收光谱中检测的是光与物质相关作用过程中光强的微弱衰减量，光源光强过强无益，反而亦烧毁光电探测器；而光声光谱中检测的是光与物质相互作用过程中，以无辐射驰豫过程释放的能量而引起的压力波(即声波)，原理上光声信号的大小与入射光源的光功率成正比例。

针对当前直接吸收光谱和光声光谱技术中存在的问题，本发明利用石英音叉的压电效应和谐振特性，将其同时作为光信号探测器和声信号探测器，实现了一种可同时获取直接吸收光谱信号和谐振增强光声光谱信号的双光谱技术。灵敏度低的直接吸收光谱用于高浓度样品测量，灵敏度高的谐振增强光声光谱信号用于低浓度样品测量。此种方法能够克服只采用一种光谱方法的光谱系统中所存在的缺陷或不足，能充分利用入射光源的发光强度，且不受入射光源波长限制，具有全波段响应的特性，及可检测浓度范围宽等特性。到目前为止，尚未发现任何关于利用石英音叉同时获取上述两种光谱信号的方法及其应用的研究。

技术实现要素：

针对现有光谱技术中的不足之处，本发明提出一种以石英音叉同时作为直接吸收光谱的光信号探测器和光声光谱的声信号探测器的双光谱检测装置和方法。

为实现以上技术目的,本发明的技术方案是：

一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置，其特征在于，包括波长可调谐激光器、聚焦准直透镜、孔径可调方形光栏、样品池、透光窗片、第一音叉、进出气口、第二音叉、第一前置放大电路和第二前置放大电路、激光器控制模块、模数转换模块、数模转换模块、计算机控制单元；所述计算机控制单元的信号输出端与数模转换模块连接，数模转换模块的信号输出端与激光器控制模块连接，激光器控制模块与波长可调谐激光器控制连接；所述样品池的两端分别开孔并嵌入透光窗片，样品池上设有进气口、出气口，样品池内充有待检测的气体分子，气体分子种类依据波长可调谐激光器的工作波长而定，第一音叉和第二音叉分别设置在样品池内、外；所述聚焦准直透镜、孔径可调方形光栏、样品池的两透光窗片依次设置在波长可调谐激光器的光束出射光路上，所述第一音叉和第二音叉为谐振频率相同的两个石英音叉，两者平行安置但不完全同轴，且两个音叉振臂的侧面皆与入射光束垂直；所述第一前置放大电路和第二前置放大电路的信号输入端分别与第一音叉和第二音叉连接，第一前置放大电路和第二前置放大电路的信号输出端接入模数转换模块，模数转换模块的信号输出端与计算机控制单元连接。

所述的一种基于石英音叉的双光谱气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元内包括Labview软件编写的模拟信号输出模块和双路光谱信号分析处理算法模块。

一种基于石英音叉的双光谱气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

[01]计算机控制单元中Labview软件编写的激光器调制信号或脉冲驱动电压信号通过数模转换模块变成模拟信号，再经过激光器控制模块，最终输入给波长可调谐激光器，实现激光器波长的调谐和调制输出；

[02]波长可调谐激光器发出的调制激光经过聚焦准直透镜变成平行光束，平行光束的光斑大小由孔径可调方形光栏控制调节后，再耦合进入样品池；

[03]样品池内，入射光束光斑要大于音叉振臂的侧面宽度，使得入射光束一部分光垂直入射到第一音叉振臂的侧面上，另一部分光穿过样品池后，直接入射到第二音叉振臂的侧面上；

[04]由于波长可调谐激光器的调制频率与石英音叉的谐振频率相同，透过样品池的入射光束中部分能量被充入的待检测分子吸收，并通过无辐射驰豫过程形成光声信号，激发第一音叉共振，同时入射到第一音叉振臂侧面的光束通过光压作用亦引起第一音叉共振，从而实现两种不同信号源同时激励第一音叉谐振，最终产生两种共振增强信号的叠加信号；

[05]此外，穿过样品池的入射光束亦通过光压作用引起第二音叉共振；

[06]由于石英音叉自身的压电效应会感应出压电电流，第一音叉和第二音叉共振产生的压电电流分别通过低噪声、高精度第一前置放大电路和第二前置放大电路放大并转换成电压信号；

[07]上述两路信号再由模数转换模块转换成数字信号后输入到计算机控制单元中Labview软件编写的双光谱信号分析处理算法模块，进行相关处理；

[08]双光谱信号分析处理算法模块首先通过快速傅里叶变换算法(Fast Fourier Transform Algorithm：FFTA)对石英音叉输出的时域信号进行频谱分析，再结合极值算法计算出谐振频率处两路光谱信号的幅值，最终依据激光器发射波长与两路光谱信号幅值之间的对应关系，分别获得对应第一音叉的共振增强叠加光谱和第二音叉对应的直接吸收光谱；

[09]利用所述双光谱检测装置测量未知浓度分析物之前，首先利用第二音叉对应的直接吸收光谱反演出分析物的浓度值，再利用该浓度值对第一音叉对应的共振增强叠加光谱进行校正，计算出光声池响应常数；

[10]最后，分别利用直接吸收光谱和光声光谱用于高浓度或低浓度样品分析，依据待检测分析物浓度范围，选择相应的检测方法。

本发明的优点是：

本发明利用石英音叉的谐振特性和压电效应，将其同时作为光信号探测器和声信号探测器，实现了一种同时获取直接吸收光谱信号和光声光谱信号的双光谱技术，通过直接吸收光谱信号反演出的气体浓度信息，为光声光谱提供校正，校正后的光声光谱和直接吸收光谱分别用于低浓度和高浓度的样品分析，能够充分利用激光光强，相比单一光谱方法，具有浓度检测范围宽，且无需通过外界标气频繁校正的优势，以及具有对全电磁波光谱范围响应的特点。此外，本发明利用软件算法，代替了传统光谱方法中信号发生器、锁相放大器和光功率计等硬件设备的使用，系统更紧凑、成本更低廉。

附图说明

图1为基于石英音叉的双光谱气体检测装置实施例的结构示意图。

图中：波长可调谐激光器1、聚焦准直透镜2、孔径可调方形光栏3、样品池4、透光窗片5、第一音叉6、进气口7-1、出气口7-2、第二音叉8、第一前置放大电路9和第二前置放大电路10、激光器控制模块11、模数转换模块12-1、数模转换模块12-2，计算机控制单元13。

图2为本发明装置所用到的调制信号和音叉输出的时域信号和频域信号的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例。

如图1所示，一种基于石英音叉的双光谱检测装置，包括波长可调谐激光器1、聚焦准直透镜2、孔径可调方形光栏3、样品池4、透光窗片5、第一音叉6、进气口7-1、出气口7-2、第二音叉8、第一前置放大电路9和第二前置放大电路10、激光器控制模块11、模数转换模块12-1、数模转换模块12-2、计算机控制单元13；计算机控制单元13的信号输出端与数模转换模块12-2连接，数模转换模块12-2的信号输出端与激光器控制模块11连接，激光器控制模块11与波长可调谐激光器1控制连接；样品池4的两端分别开孔并嵌入透光窗片5，样品池4上设有进气口7-1、出气口7-2，样品池4内充有待检测的气体分子，气体分子种类依据波长可调谐激光器1的工作波长而定，第一音叉6和第二音叉7分别设置在样品池4内、外；所述聚焦准直透镜2、孔径可调光栏3、样品池4的两透光窗片5依次设置在波长可调谐激光器1的光束出射光路上，所述第一音叉6和第二音叉8为谐振频率相同的两个石英音叉，两者平行安置但不完全同轴，且两个音叉振臂的侧面皆与入射光束垂直；所述第一前置放大电路9和第二前置放大电路10的信号输入端分别与第一音叉6和第二音叉7连接，第一前置放大电路9和第二前置放大电路10的信号输出端接入模数转换模块12-1，模数转换模块12-1的信号输出端与计算机控制单元13连接。

计算机控制单元13包括Labview软件编写的模拟信号输出模块和双路光谱信号分析处理算法模块。

一种基于石英音叉的双光谱气体检测方法，其具体操作步骤如下：

[01]计算机控制单元13中Labview软件编写的激光器调制信号或脉冲驱动电压信号通过数模转换模块12-2变成模拟信号，再经过激光器控制模块11，最终输入给波长可调谐激光器1，实现激光器波长的调谐和调制输出，如图2上面板所示；

[02]所述波长可调谐激光器1发出的调制激光经过聚焦准直透镜2变成平行光束，平行光束的光斑大小由孔径可调方形光栏3控制调节后，再耦合进入样品池4；

[03]样品池4内，入射光束光斑要大于音叉振臂的侧面宽度，使得入射光束一部分光垂直入射到第一音叉6振臂的侧面上，另一部分光穿过样品池4后，直接入射到第二音叉8振臂的侧面上；

[04]由于激光光源的调制频率与石英音叉的谐振频率相同，透过样品池4的入射光束中部分能量被充入的待检测分子吸收，并通过无辐射驰豫过程形成光声信号，激发第一音叉6共振，同时入射到第一音叉6振臂侧面的光束通过光压作用亦引起第一音叉6共振，从而实现两种不同信号源同时激励第一音叉6谐振，最终产生两种共振增强信号的“叠加信号”；

[05]此外，穿过样品池4的入射光束亦通过光压作用引起第二音叉8共振；

[06]由于石英音叉自身的压电效应会感应出压电电流，第一音叉6和第二音叉8共振产生的压电电流分别通过低噪声、高精度第一前置放大电路8和第二前置放大电路9放大并转换成电压信号；

[07]上述两路信号再由模数转换模块12-1转换成数字信号后输入到计算机控制单元13中Labview软件编写的双光谱信号分析处理算法模块，进行相关处理；

[08]双光谱信号分析处理算法模块首先通过快速傅里叶变换算法(Fast Fourier Transform Algorithm：FFTA)对石英音叉输出的时域信号(如图2中间面板所示)进行频谱分析(如图2下面板所示)，再结合极值算法计算出谐振频率处两路光谱信号的幅值。最终，依据激光器发射波长与两路光谱信号幅值之间的对应关系，分别获得对应第一音叉6的叠加光谱和第二音叉8对应的直接吸收光谱；

[09]利用该装置测量未知浓度分析物之前，首先利用第二音叉8对应的直接吸收光谱反演出分析物的浓度值，再利用该浓度值对第一音叉6对应的共振增强“叠加光谱”进行校正，计算出光声池响应常数。

[10]最后，分别利用直接吸收光谱和光声光谱用于高浓度或低浓度样品分析，依据待检测分析物浓度范围，选择相应的检测方法。

直接吸收光谱和光声光谱原理分析如下：

直接吸收光谱原理

光与气体分子相互作用过程中的吸收过程，光源光强的变化遵循朗伯－比尔定律：

I(v)＝I0(v)exp(-α(v)CL) (1)

上述式中，I0(v)、I(v)分别为入射、出射光强，α(v)为特定波长v处的分子吸收系数，C为待测气体分子的浓度，L为光与物质相互作用的有效吸收光程。分子吸收系数α(v)与分子吸收线强S(T)、分子数密度N(T,P)、吸收线型φ(v-v0)有关，具体关系为：

α(v)＝φ(v-v0)·S(T)·N(T,P) (2)

其中v0为分子吸收中心波长，T和P分别为样品的温度和压力。实际信号处理过程中，通过对吸收轮廓进行数值积分，可得积分吸收面积为：

其中吸收线型满足归一化条件：故上式可其中进一步化简为：

A＝S·N·L (4)

最终，当实验参数(如：温度、压力、光程和分子谱线参数)已知的条件下，即可反演出待测分子的分子数或浓度，因而直接吸收光谱作为一种直接的方法，理论上无需频繁的校正，即可反演出吸收物的浓度信息。尽管直接吸收光谱技术具有直接反演吸收物浓度的优势，但其检测灵敏度有限。

石英音叉光声光谱原理

石英音叉光声光谱是以电子钟表中常用作频率标准的振荡器内部的石英音叉作为声信号传感器，具有体积小(长宽厚分别为3700,600,和300μm)，价格低廉，品质因子高(真空环境下可达10⁵),响应带宽窄(典型地为几个Hz),因而对环境噪声具有很好的免疫性。石英音叉光声光谱中产生的光声信号表达式为：

其中为α分子吸收系数，P为入射光功率，Q和f0分别为石英音叉的品质因子和共振频率。由此可见，光声光谱信号对入射光功率具有显著的依赖特性，且是一种间接的光谱方法，需要通过已知浓度的样品校正出光声池响应常数后，才能实现未知样品浓度的测量。光声光谱技术虽然需要校正，但是基于石英音叉的光声光谱技术，由于石英音叉的谐振特性，具有很好的免疫噪声优势，因而其检测灵敏度要比传统的直接吸收光谱要高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。