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原文传递一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法

专利名称：	一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法
摘要：	本申请实施例涉及一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置及方法，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、气体吸收池(4)、石英音叉(5)、控制与数据采集系统(6)以及计算机(7)；所述准直透镜的焦距应小于10mm；所述石英音叉为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz‑70kHz，所述石英音叉品质因子大于等于10000；所述石英音叉根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入。本申请检测装置具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨工业大学
发明人：	马欲飞;佟瑶;何应;乔顺达;彭江波;于欣
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-18T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-28T00:00:00+0800
申请号：	CN201910202212.0
公开号：	CN109946266A
代理机构：	北京睿驰通程知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	张文平
分类号：	G01N21/39(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
主权项：	1.一种提高石英光热光谱气体浓度检测灵敏度的装置，其特征在于，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的激光器控制模块(1)、半导体激光器(2)、准直透镜(3)、气体吸收池(4)、石英音叉(5)、控制与数据采集系统(6)以及计算机(7)；所述准直透镜(3)的焦距应小于10mm；所述石英音叉(5)为具有压电特性的材料制成，表明镀有银层，其共振频率为20kHz-70kHz，所述石英音叉(5)品质因子大于等于10000；所述石英音叉(5)根部具有第一尺寸的宽度方向和第二尺寸的厚度方向；所述石英音叉(5)根部宽度方向靠近边缘的位置开有一窗口，所述窗口为去除所述银层的窗口，用于供探测激光射入；其中，所述激光器控制模块(1)驱动所述半导体激光器(2)，所述半导体激光器(2)输出激光经过所述准直透镜(3)后穿过所述气体吸收池(4)，经吸收的输出激光以入射角θ斜入射在所述石英音叉(5)去除银层的窗口，激光在所述石英音叉(5)根部内侧实现多次的全反射后从所述窗口射出，所述石英音叉(5)吸收激光能量并产生光热弹效应，促使所述石英音叉(5)产生压电信号并将所述压电信号传输至所述控制与数据采集系统(6)，最后由所述计算机(7)进行信号解调与后处理获得吸收气体的浓度。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1-3mm，所述第二尺寸为0.2-0.8mm。 3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一尺寸为1.54mm，所述第二尺寸为0.36mm。 4.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为0.5-1.5mm2。 5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述窗口面积为1mm2。 6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述音叉式石英晶振(4)的共振频率为30.72kHz。 7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述入射角θ满足如下关系，0°＜θ≤45°。 8.一种采用权利要求1-7任一所述装置进行气体探测的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S102：所述激光器控制模块(1)通过温度和电流的设定，调节所述半导体激光器(2)输出波长1.53μm的激光；所述控制与数据采集系统(6)对所述石英音叉(5)的共振频率进行扫描，并用低频的锯齿波和高频的正弦波叠加后的信号共同调制激光；步骤S104：调制后的激光经过所述准直透镜(3)变成平行光束，穿过所述气体吸收池(4)传输至所述石英音叉(5)，并从所述窗口中以入射角θ斜入射至所述石英音叉(5)中，所述窗口经少量稀硝酸点涂去除表面银层；步骤S106：由于银层的高反射率，激光在所述石英音叉(5)内部进行N次全反射后，从所述窗口射出，所述N为大于4的自然数；步骤S108：入射的激光能量在所述石英音叉(5)内转换为热能，使所述石英音叉(5)产生弹性形变，所述石英音叉(5)具有的压电效应使得所述石英音叉(5)的弹性形变转换为压电电流信号；步骤S110：所述石英音叉(5)产生的压电电流信号传输至所述控制与数据采集系统(6)，将采集到的数据输入所述计算机(7)，对数据进行进一步地计算，得出目标探测气体的浓度。
所属类别：	发明专利