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原文传递一种角反射增强光声光谱式痕量气体探测装置及方法

专利名称：	一种角反射增强光声光谱式痕量气体探测装置及方法
摘要：	本申请实施例涉及一种角反射增强光声光谱式痕量气体探测装置及方法，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的半导体激光器(1)、激光准直系统(2)、直角棱镜a(3)、音叉式石英晶振(4)、直角棱镜b(5)、阻抗放大器(6)、控制与数据采集系统(7)以及计算机(8)；所述音叉式石英晶振的共振频率范围为20kHz‑70kHz，品质因子大于等于1000；所述直角棱镜a、直角棱镜b分别置于所述音叉式石英晶振靠近所述半导体激光器一侧和远离所述半导体激光器一侧；所述直角棱镜a的尺寸小于所述直角棱镜b；所述直角棱镜a和所述直角棱镜b的材质为近红外波段损耗较低的BK7玻璃。本申请提高了气体测量灵敏度。
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;于欣;彭江波
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-27T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-05T00:00:00+0800
申请号：	CN201910144040.6
公开号：	CN109975241A
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：	1.一种角反射增强光声光谱式痕量气体探测装置，其特征在于，所述装置包括：沿光束传播方向依次设置的半导体激光器(1)、激光准直系统(2)、直角棱镜a(3)、音叉式石英晶振(4)、直角棱镜b(5)、阻抗放大器(6)、控制与数据采集系统(7)以及计算机(8)；所述音叉式石英晶振(4)的共振频率范围为20kHz-70kHz，品质因子大于等于1000；所述直角棱镜a(3)、直角棱镜b(5)分别置于所述音叉式石英晶振(4)靠近所述半导体激光器(1)一侧和远离所述半导体激光器(1)一侧；所述直角棱镜a(3)的尺寸小于所述直角棱镜b(5)；所述直角棱镜a(3)和所述直角棱镜b(5)的材质为近红外波段损耗较低的BK7玻璃；其中，所述半导体激光器(1)输出激光经所述激光准直系统(2)后传输通过所述音叉式石英晶振(4)的叉股，气体分子吸收激光的能量后产生声波推动所述音叉式石英晶振(4)进行摆动，实现激光的第一次吸收；激光穿过所述音叉式石英晶振(4)的叉股，到达所述直角棱镜b(5)后，光路实现180°的反转，即第一次角反射；反射的激光再次穿过所述音叉式石英晶振(4)，实现激光的第二次吸收；激光穿过所述音叉式石英晶振(4)，到达所述直角棱镜a(3)后，光路再次实现180°的反转，即第二次角反射；激光在所述音叉式石英晶振(4)中循环穿过，直至功率损耗至0.1mW为止；受到声波激励后产生的压电信号传输至所述阻抗放大器(6)并由所述控制与数据采集系统(7)与所述计算机(8)进行信号解调与后处理。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述直角棱镜a(3)的直角边长为1～3mm，所述直角棱镜b(5)的直角边长为2～5mm。 3.根据权利要求1或2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32.768kHz。 4.一种采用权利要求1-3任一所述装置进行痕量气体探测的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤S102：半导体激光器电流源控制所述半导体激光器输出波长和输出功率，所述控制与数据采集系统对所述音叉式石英晶振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：所述半导体激光器输出的激光首先经过准直透镜后变成一束平行的准直光束，然后传输通过所述音叉式石英晶振的两个叉股间隙；步骤S106：所述激光经过所述音叉式石英晶振，完成气体分子的第一次激发，到达所述直角棱镜b后，光路实现180°的反转，即第一次角反射；反射的激光再次穿过所述音叉式石英晶振，实现气体分子的第二次激发；激光到达所述直角棱镜a后，光路再次实现180°的反转，即第二次角反射；激光在所述音叉式石英晶振中循环穿过，直至功率损耗至0.1mW为止；在此过程中，由于激光束多次通过石英音叉，等效相当于增大了激光功率；步骤S108：所述阻抗放大器将压电效应产生的纳安量级的微弱电流信号放大为电压信号；所述控制与数据采集系统中的锁相放大器将探测到的电压信号解调为谐波信号；步骤S110：所述谐波信号通过RS232串口传输至所述计算机，由LabVIEW程序计算处理，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