一种基于石英音叉增强的多组分光声光谱气体传感装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于石英音叉增强的多组分光声光谱气体传感装置，属于光声光谱检测技术领域。
【背景技术】
[0002]检测气体浓度的传感系统是城市空气监控、工业生产监控和医疗诊断中必不可少的组成部分。最近，石英增强光声光谱传感器备受众人瞩目，它是利用石英音叉作为光声转化器，当气体吸收光波后，产生微弱的声压力波，该压力波激发石英音叉共振，并通过压电效应产生电信号。互阻抗放大器通常用于检测电流信号，该信号与气体浓度成正比。实验研宄表明QEPAS技术相比较其他气体检测技术具有灵敏度高、小型化和免环境噪声的特点。
[0003]2011年8月26日，中国科学院安徽光学精密机械研宄所公开的中国发明专利201110257022中描述“一种光声光谱气体传感器”。该气体传感器由光源、聚焦透镜、声谐振腔、石英音叉以及光源和石英音叉的连接电路组成，其中声谐振腔为T形，由主管和支管组成，主管和支管垂直连接，其管轴线与光路中心在一水平线上。主管和支管的连接处位于聚焦透镜的焦点，石英音叉的两叉股面与支管的轴线垂直，叉股间隙中心位于轴线上。该装置实现了光激发声波能量和石英音叉之间的祸合，可用于痕量气体相对浓度的测量，但不利于获取气体的绝对浓度。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于石英音叉增强的多组分光声光谱气体传感装置，该气体传感装置可实现传感装置的小型化；增大光功率，易于捕捉微弱的光声信号，提高探测灵敏度；可实现一个激光器多组分气体的在线同时测量，在线自校准，且长期免标定，提高整个装置的实用性。
[0005]本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
[0006]本发明的一种基于石英音叉增强的多组分光声光谱气体传感装置，包括激光器、光纤放大器、光纤耦合器、准直器、聚焦透镜、气体池、参考池、第一探测器、第二探测器、前置放大电路模块、锁相放大器和信号采集与控制单元；气体池内充有待测气体；
[0007]其中气体池内部放置有微型共振毛细管和石英音叉，气体池上有第一 CaF2窗口、第二 0&匕窗口、进气口和出气口 ；第一 CaF 2窗口位于气体池的左侧壁，第二 CaF 2窗口位于气体池的右侧壁；进气口和出气口均位于气体池的顶面；微型共振毛细管固定于石英音叉的两侧，石英音叉位于聚焦透镜的焦点处；微型共振毛细管固定于石英音叉的两侧组成光谱测声模块；
[0008]其中控制信号产生与数据采集单元包括信号采集卡、信号控制处理单元、信号发生单元和激光驱动单元；
[0009]激光器输出激光束，激光束经过光纤放大器将其功率放大，然后通过光纤耦合器耦合为两路，其中一路光束经过准直器将其准直，准直后的光束通过聚焦透镜聚焦，聚焦光束沿光路依次经过第一 CaF2窗口的中心和微型共振毛细管的中心聚焦在石英音叉的两叉股之间；石英音叉探测到待测气体信号后，会产生压电电流，压电电流通过前置放大电路模块转变成电压信号，电压信号经过锁相放大器，产生二次谐波信号即待测信号；
[0010]光纤耦合器产生的另一路光束通过气体参考池后，由第一探测器进行探测，探测后得到的电压信号经过锁相放大器，产生标准二次谐波，该标准二次谐波用于锁定吸收线中心波长；
[0011]第二探测器探测到透过第二 0&匕窗口的气体吸收信号，气体吸收信号经过锁相放大器，产生一次谐波，该一次谐波用于对待测信号进行校准；
[0012]由锁相放大器产生的待测信号、标准二次谐波和一次谐波经过信号采集卡进行信号采集，采集后的信号由信号控制处理单元进行信号处理；
[0013]信号控制处理单元控制信号发生单元；
[0014]激光驱动单元控制激光器的温度和电流，用来调整激光器的输出波长；信号发生单元一方面对石英音叉进行扫频，确定石英音叉的共振频率，信号发生单元另一方面产生调制信号，产生的调制信号送入激光驱动单元用来调制激光器的激光输出波长。
[0015]激光器为分布式反馈激光器，其输出波长为2003-2005nm，功率为2_3mW ；
[0016]光纤放大器输出波长范围2000-2005nm，放大倍数100倍；
[0017]激光驱动单元给出的激光器温度为22-40°C，电流为60-140mA ;
[0018]光纤耦合器波长为2003-2005nm，分光比为1:99 ;
[0019]聚焦透镜的材料为N-BK7，焦距为65-80mm ；
[0020]第一 CaF2窗口的中心、第二 CaF2窗口的中心、微型共振毛细管的中心以及石英音叉的中心均在同一水平面，且在一条直线上；
[0021]石英音叉的共振频率为32.768-77.503KHz ；
[0022]信号采集卡的采样速度为10-20MS/S ；
[0023]参考池采用的是空心光子带隙光纤，其模场直径为11 ym，通光范围1965nm-2125nm0
[0024]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0025](I)本发明利用具有高品质因数特性的石英音叉代替传统的宽带麦克风，可扩大动态范围，实现整个气体传感装置的小型化；
[0026](2)本发明通过在光源和光纤耦合器之间设置光纤放大器，增大光源输出激光的功率，易于捕捉石英音叉产生的微弱光声信号，可提高气体传感装置的探测灵敏度；
[0027](3)本发明通过采用充入一定比例的多组分混合气体的空心光子带隙光纤作为参考池，减小体积，可实现一个激光器多组分气体的在线同时测量，长期免标定；
[0028](4)本发明通过在气体池的后方设置探测器探测吸收信号，以获得解调的一次谐波，可实现在线自校准，提高整个装置的实用性。
[0029]本发明因采用充入一定比例多组分混合气体的空心光子带隙光纤作为参考池，可实现两种气体的同时测量，在线自校准，且易于获取气体的绝对浓度；另外，增大光源输出激光功率，可提高气体传感装置的探测灵敏度。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的装置的组成示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0032]实施例
[0033]如图1所示，一种基于石英音叉增强的多组分光声光谱气体传感装置，包括激光器1、光纤放大器3、光纤親合器4、准直器5、聚焦透镜6、气体池10、参考池13、第一探测器14、第二探测器22、前置放大电路模块15、锁相放大器16和信号采集与控制单元17 ;气体池10内充有待测气体，待测气体为0)2和NH 3，该装置用于测量0)2和NH 3的浓度；
[0034]其中气体池10内部放置有微型共振毛细管11和石英音叉12，气体池10上有第一 CaF2窗口 7、第二 CaF2窗口 23、进气口 8和出气口 9 ;第一 CaF2窗口 7位于气体池10的左侧壁，第二 CaF2窗口 23位于气体池10的右侧壁；进气口 8和出气口 9均位于气体池10的顶面；微型共振毛细管11固定于石英音叉12的两侧，石英音叉12位于聚焦透镜6的焦点处；微型共振毛细管11固定于石英音叉12的两侧组成光谱测声模块；
[0035]其中控制信号产生与数据采集单元17包括信号采集卡18、信号控制处理单元19、信号发生单元20和激光驱动单元21 ；
[0036]激光器I输出激光束2，激光束2经过光纤放大器3将其功率放大，然后通过光纤耦合器4耦合为两路，其中一路光束经过准直器5将其准直，准直后的光束通过聚焦透镜6聚焦，聚焦光束沿光路依次经过第一 CaF2窗口 7的中心和微型共振毛细管11的中心聚焦在石英音叉12的两叉股之间；石英音叉12探测到待测气体信号后，会产生压电电流，压电电流通过前置放大电路模块15转变成电压信号，电压信号经过锁相放大器16，产生二次谐波信号即待测信号；
[0037]光纤耦合器4产生的另一路光束通过气体参考池13后，由第一探测器14进行探测，探测后得到的电压信号经过锁相放大器16，产生标准二次谐波，该标准二次谐波用于锁定吸收线中心波长；
[0038]第二探测器22探测到透过第二 CaF2窗口 23的气体吸收信号，气体吸收信号经过锁相放大器16，产生一次谐波，该一次谐波用于对待测信号进行校准；
[0039]由锁相放大器16产生的待测信号、标准二次谐波和一次谐波经过信号采集卡18进行信号采集，采集后的信号由信号控制处理单元19进行信号处理；
[0040]信号控制处理单元19控制信号发生单元20产生信号；
[0041]激光驱动单元21控制激光器I的温度和电流，用来调整激光器I的输出波长；信号发生单元20 —方面对石英音叉12进行扫频，确定石英音叉12的共振频率，信号发生单元20另一方面产生调制信号，产生的调制信号送入激光驱动单元21用来调制激光器I的激光输出波长。
[0042]激光器I为分布式反馈激光器，其输出波长为2003-2005nm，功率为2_3mW ；
[0043]光纤放大器3输出波长范围2000-2005nm，放大倍数100倍；