双光程光声光谱探测模块及采用该模块的气体浓度探测器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及气体传感技术，具体为一种双光程光声光谱探测模块及采用该模块的气体浓度探测器。解决了目前基于通信波长激光管的石英增强光声光谱传感器探测灵敏度不高的技术问题。一种双光程光声光谱探测模块，包括一个由音叉式石英晶振和一对水平设置的不锈钢毛细管组成的双管配置石英增强光声光谱测声器；音叉式石英晶振的一个信号输出管脚接地，另一个信号输出管脚输出光声光谱信号；还包括位于一个不锈钢毛细管远离音叉式石英晶振的端口一侧的凹面反射镜；所述凹面反射镜的反射光路与双管配置石英增强光声光谱测声器的光轴重合。本发明在不增加成本的基础上进一步提升了测量的灵敏度，具有非常实用的价值。
【专利说明】双光程光声光谱探测模块及采用该模块的气体浓度探测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感技术，具体为一种双光程光声光谱探测模块及采用该模块的气体浓度探测器。
【背景技术】
[0002]二氧化碳作为最重要的温室气体之一，不仅对环境气候变暖有着非常重要的作用，而且很大程度上影响动植物和微生物的活动。例如微生物的呼吸繁衍，植物的光合作用，动物的呼吸等都对二氧化碳浓度非常敏感。从1958年以来，大气中的二氧化碳浓度一路从315ppmV (ppmV:体积分数,百万分之)上升到380ppmV,有相关资料显示,0.7ppmV的二氧化碳浓度上升能够明显的提高全球气温。因此对大气中的二氧化碳浓度进行实时监测，有着重要的影响和意义。
[0003]与传统的检测方法相比，基于分子光谱学的光学气体检测技术，在近几年来以其灵敏度高、选择性好、能在线检测等突出优点受到人们的重视。根据最新的文献显示，美国普林斯顿大学采用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合一个多次反射长光程池来探测大气中的二氧化碳含量，达到0.14ppmV的超高灵敏度。但是这个装置采用的是2微米垂直腔面发射激光器作为光源。这种激光器出射光的波长，比便宜的通信波长半导体激光器(发射波长在1.5微米附近)对应了更强的二氧化碳气体吸收线，因此能够达到较高的探测灵敏度。但其价格也是通信波长的7-9倍。同时该装置中配备了一个体积较大的多次反射长光程池，这无疑增加了装置的复杂性，并且不利于其便携化发展。
[0004]使用便宜的通信波长激光管的石英增强光声光谱气体检测技术是利用音叉式石英晶振作为声波传感器的增强型光声光谱技术。该技术结合了光声光谱技术和调制光谱技术的优点，不仅达到了较高的探测灵敏度，而且价格低廉，并将光声光谱检测装置小型化、便携化，标准的石英增强光声光谱的传感头只有几个立方厘米的体积，这无疑加快了其工业化应用的进度。
[0005]然而在探测大气中的二氧化碳含量这一应用中，仍然不能满足探测要求，限制了石英增强光声光谱技术的使用范围。因为目前二氧化碳在大气中的体积分数为0.038%约为380ppmV，而结构已经优化到极限的基于通信波长激光管的石英增强光声光谱传感器在探测二氧化碳时，达到的最小探测灵敏度只有97ppmV。这种情况下，尽管大气中的二氧化碳信号能够被观测到，但是信号幅值很低，信噪比较差。为了解决这一问题，可以用两种方法来提高石英增强光声光谱的探测灵敏度。第一，采用光纤放大器来提高激光器的功率，因为光声光谱探测技术的探测灵敏度与激光功率直接成正比；第二采用波长更长的能够覆盖分子基频振动带吸收线的中红外激光器，比如量子级联激光器，因为中红外光源对应的分子基频振动带吸收线强比泛频带高几个数量级，这样信号幅值就比泛频带大得多。虽然以上的两种方法能够大幅度提高石英增强光声光谱在大气二氧化碳探测中的灵敏度，但是这两种改进措施都极大的增加了原技术的成本和仪器体积，并且需要精密的操作，这就限制了石英增强光声光谱技术在实际的推广和应用。[0006]传统的双管配置石英增强光声光谱测声器包括一个竖直设置的音叉式石英晶振和一对水平设置的不锈钢毛细管，两个不锈钢毛细管分别位于音叉式石英晶振的两侧且两个不锈钢毛细管的轴线连线穿过音叉式石英晶振中间的开口 ；两个不锈钢毛细管的轴线垂直于音叉的表面；进行探测时将双管配置石英增强光声光谱测声器放置在充有待测气体的气室中，并将激光依次穿过一个不锈钢毛细管、音叉式石英晶振中间的开口以及另一个不锈钢毛细管穿出；音叉式石英晶振的一个管脚接地，另一个管脚与外界放大器相连接；根据输出的电信号就可以得出气体的浓度。定义激光穿过的路径为双管配置石英增强光声光谱测声器的光轴。不锈钢毛细管一般通过支架支撑。
【发明内容】
[0007]本发明为解决目前基于通信波长激光管的石英增强光声光谱传感器探测灵敏度不高的技术问题，提供一种双光程光声光谱探测模块及采用该模块的气体浓度探测器。
[0008]本发明所述的双光程光声光谱探测模块是采用以下技术方案实现的:一种双光程光声光谱探测模块，包括一个由音叉式石英晶振和一对水平设置的不锈钢毛细管组成的双管配置石英增强光声光谱测声器；音叉式石英晶振的一个信号输出管脚接地，另一个信号输出管脚输出光声光谱信号；还包括位于一个不锈钢毛细管远离音叉式石英晶振的端口一侧的凹面反射镜；所述凹面反射镜的反射光路与双管配置石英增强光声光谱测声器的光轴重合。
[0009]光声光谱技术中，由于气体吸收激光的能量，体积周期性膨胀而产生的声波振幅表达式为:
【权利要求】
1.一种双光程光声光谱探测模块，包括一个由音叉式石英晶振和一对水平设置的不锈钢毛细管组成的双管配置石英增强光声光谱测声器(55);音叉式石英晶振的一个信号输出管脚接地，另一个信号输出管脚输出光声信号；其特征在于还包括位于一个不锈钢毛细管远离音叉式石英晶振的端口一侧的凹面反射镜(6);所述凹面反射镜(6)的反射光路与双管配置石英增强光声光谱测声器(55)的光轴重合。
2.一种气体浓度探测器，包括激光器(I)以及与激光器(I)相连接的光源驱动器(15);激光器(I)出射端通过光纤顺次连接有光纤隔离器(3)和光纤聚焦器(4);光纤聚焦器(4)的出射光路上设有一个光谱测声装置(5);所述光谱测声装置(5)包括一个设有进气口(53)与出气口(54)的微型气室(56)，微型气室(56)的侧壁上沿光纤聚焦器(4)的出射光路分别设有一个入射窗口(51)和一个出射窗口(52);还包括与光源驱动器(15)相连接的信号发生器(14);信号发生器(14)的调制信号输出端与光源驱动器(15)的调制端口相连接；信号发生器(14)的一个同步信号输出端连接有第一锁相放大器(11)，第一锁相放大器(11)的信号输出端连接有一个数据采集卡(13)，数据采集卡(13)的信号输出端连接有计算机系统(16);其特征在于，还包括如权利要求1所述的双光程石英增强光声光谱探测模块；所述双光程石英增强光声光谱探测模块的双管配置石英增强光声光谱测声器(55)放置在微型气室(56)中且双管配置石英增强光声光谱测声器(55)的光轴与光纤聚焦器(4)的出射光路重合；所述凹面镜(6)位于微型气室(56)外部出射窗口(52)—侧；音叉式石英晶振的另一个管脚连接有位于微型气室(56)外的前置放大器(10)，前置放大器(10)信号输出端与第一锁相放大器(11)的另一个信号输入端相连接。
3.如权利要求2所述的气体浓度探测装置，其特征在于，还包括反馈系统；所述反馈系统包括一个通过光纤连接在光源(I)和光纤隔离器(3)之间的分束器(2);分束器(2)的另一个出射端通过光纤连接有光纤准直器(7);光纤准直器(7)出射光路上设有一个内部充有和待测气体成分相同且浓度已知的气体的参考池(8)，参考池(8)的侧壁上沿光纤准直器(7)出射光路分别设有参考池入射窗口(81)和参考池出射窗口(82);参考池(8)的出射光路上设有一个光电探测器(9)，光电探测器(9)的信号输出端连接有一个第二锁相放大器(12);第二锁相放大器(12)的信号输出端与数据采集卡(13)的另一个信号输入端相连接；信号发生器(14)的另一个同步信号输出端与第二锁相放大器(12)的另一个信号输入端相连接；计算机系统(16)的串口控制端与光源驱动器(15)的串口控制端相连接。
4.如权利要求2或3所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述光纤聚焦器(4)出射端口与音叉式石英晶振靠近光纤聚焦器(4)的一面的间距为1±0.2cm ;所述凹面反射镜(6)的直径为1cm，曲率半径为50mm ;凹面反射镜(6)的镜面与音叉式石英晶振靠近凹面反射镜(6)的一面的间距为11.34mm或38.65mm。
5.如权利要求2或3所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述激光器(I)采用分布反馈激光器。
6.如权利要求4所述的气 体浓度探测装置，其特征在于，所述激光器(I)采用分布反馈激光器。
7.如权利要求2或3所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述微型气室(56)的入射窗口(51)和出射窗口(52)均由下而上向微型气室(56)内部倾斜设置,入射窗口(51)和出射窗口(52)与竖直方向的夹角均为5~7°。
8.如权利要求4所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述微型气室(56)的入射窗口(51)和出射窗口(52)均由下而上向微型气室(56)内部倾斜设置，入射窗口(51)和出射窗口(52)与竖直方向的夹角均为5~7°。
9.如权利要求2或3所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述分束器(2)为1:99分束器。
10.如权利要求4所述的气体浓度探测装置，其特征在于，所述分束器(2)为1:99分束器。
【文档编号】G01N21/25GK103792195SQ201410017636
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】董磊, 郑华丹 申请人:山西大学