一种石英音叉双光束系统测量气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种石英音叉双光束系统测量气体浓度的方法。属于光声光谱技术痕量气体检 测领域。
背景技术
痕量气体检测技术的发展对于环境大气监测,人类或动植物生理状态以及爆炸物的远距 离探测等都具有十分重要的意义。
总的来讲,痕量气体检测技术可以分为非光谱检测技术和光谱检测技术两大类。非光谱痕 量气体检测技术主要包括:超声波气体检测技术,热催化气体检测方法,气相色谱法(层次分析 法)等等。在痕量气体的光谱检测技术中,按光谱产生机理的不同,又可以分为发射光谱和吸收 光谱两类。气体分子由于其结构不同,对电磁波的吸收情况也就各不相同。吸收光谱气体检测 技术是根据气体分子对通过其中的电磁波辐射的衰减程度来检测气体浓度的。吸收光谱气体 检测技术具有测量范围大,可多组分测量,可连续监测等优点,逐渐成为理想的痕量气体浓度 检测工具。
随着半导体激光器技术的迅猛发展,气体光声光谱系统中开始大量使用半导体激光器做 为激励源。通信技术的发展使得近红外半导体激光器获得广泛的应用,市面有售的砷化镓和磷 化铟激光器波长范围在0.5μm-2μm之间,处于气体红外吸收的泛音区,随着此类激光器的温 度控制器和电流驱动源等辅助部件性能的不断提高,单模窄线宽的二极管激光器已日益广泛 地应用于气体检测。为了与新近出现的半导体激光器的紧凑尺寸相匹配,并且对环境背景信号 免疫,kosterev等人将石英音叉(Quartz Tuning Fork,QTF)做为灵敏的声共振探测器应用光 声光谱中,形成石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)QTF结构紧凑,直径约3mm；品质因子高,高达10000-100000，(具体值 取决于周围的环境气体)；价格低廉。
杂志《REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS》，Anatoliy A.Kostereva和Frank K.Tittel 的文章“Applications of quartz tuning forks in spectroscopic gas sensing”，，期刊 号和页码为76,043105(2005)中，讲述了利用石英音叉在光谱气体中的检测中的典型应用， 该系统将激光器发出的激光气室中的石英音叉双臂之间的间隙穿过，加入波长调制的激光引 起气室中的气体产生同频的共振，进而使音叉两臂的震动产生微弱电流信号。该系统激光光 束仅能穿过音叉一次，然后被散射到空间中，能量利用率与石英音叉震动产生的信号强度都 很低。而在实际应用中，石英音叉光声光谱技术在整个系统中尤其是电信号传输的过程中的 电路本身和周围电磁场所带来的噪声不能忽视。并且在低浓度气体检测时，石英音叉产生的 压电信号十分微弱，而需要提取谐波信号的强度还要低，容易被系统噪声所掩盖，这成为了 石英音叉光声光谱技术在超低浓度气体检测方面的一个瓶颈。
发明内容
为了大幅提升光声信号的强度，以实现高的气体检测灵敏度和信噪比，本发明提出了一 种石英音叉双光束系统测量气体浓度的方法，通过将激光光束两次经过音叉两臂之间，并且 形成了闭合光路，从而大幅增强了该光声光谱系统中产生的光声信号。
本发明的技术方案是按以下形式实现的：
一种石英音叉双光束测量气体浓度的系统，包括激光器、三个准直器A、B、C、气室、 两个共振管A、B、石英音叉、前置放大电路、锁相放大器及计算机，其特征在于准直器A、B、 C、共振管A、B和石英音叉位于气室内，准直器A与准直器C并列平行放置于石英音叉之前； 准直器B位于石英音叉之后，激光器的输出端经光纤进入气室，连接至准直器A的输入端； 准直器A与准直器C的输出方向对准准直器B的输入端分别构成两路光路，两个共振管A、B 并列固定于石英音叉的两音叉壁之间并分别处于准直器A、C与准直器B所构成的两路光路中， 准直器B的输出端经光纤连接至准直器C的输入端；石英音叉连接到前置放大电路；前置放 大电路输出端连接至锁相放大器，锁相放大器和计算机相连接。
所述的激光器为分布反馈式半导体激光器(DFB激光器)，工作波长为1370nm。
所述的石英音叉谐振频率为32768Hz。
所述的准直器为中心波长为1370nm的光纤准直器。
所述的前置放大电路为反馈电阻是10MΩ的跨阻放大器，型号为CA3140E。
所述的锁相放大器为7230型锁相放大器。
一种利用上述系统进行气体浓度测量的方法，步骤如下：
1)连接好上述系统，调整光路使激光器输出的激光经准直器A、共振管B到达准直器B， 并且由准直器B输出至准直器C的激光经准直器C、共振管A到达准直器B；石英音叉与前置 放大电路输入端相连；前置放大电路输出端与锁相放大器输入端相连；
2)将所要测量的气体充入气室中，然后关闭气室；
3)接通前置放大电路与锁相放大器电源，调节锁相放大器的时间常数为200ms，低通滤 波衰减为12db/oct，得到锁相的等效带宽为0.833Hz；
4)开启激光器，通过计算机操作锁相放大器，点击计算机中锁相放大器软件操作界面中 的自动匹配信号量程，测量并读取信号值S，根据公式
C = fAS kα P 0 Q - - - ( 1 ) ]]>
能够知道待测气体的浓度与系统各个参数的线性关系，根据已知浓度的待测气体标定出该系 统的比例系数k，即可通过该公式计算待测气体的浓度，其中C是待测气体浓度，α是待测 气体单位浓度下的吸收因子，P0是激光器的输出功率，Q是石英音叉的品质因数，f是石 英音叉的谐振频率，A是共振管A和B的横截面积，S锁相放大器的测量值，k是比例系数。
本发明方法的工作原理如下：
本发明中，通过改变激光器的注入电流进行波长调制,在用低频梯形波电流使激光器以频 率vc扫过整条吸收线的同时,用频率为![]()
(石英音叉在气体中的共振频率)的高频正弦调 制信号对波长进行调制。这时输出激光的瞬时频率可以表示为
v(t)＝vc+δcosωt (2)
其中δ为频率调制幅度，ω＝2π·f，为调制频率。
设入射激光强度为I0(v),透射光强I(v)在未饱和的弱吸收情况下,气体对光的吸收可以 用Beer-Lambert定律来描述:
I(v)＝I0(v)exp[-S(T)g(v,v0)PLρ] (3)
其中,S(T)表示气体吸收谱线在温度T时候的谱线强度,单位为cm-1/(mol·cm-2)；g(v,v0)表 示气体吸收谱线的线型函数,单位为cm,它用来表示被测吸收谱线的轮廓,与被测气体的温 度、总压及各部分气体的含量有关；P表示工作气体压强,单位为atm；L表示激光穿过气体 的长度,单位为cm；ρ表示气体分子浓度,单位为mol/(cm3·atm)。
在吸收系数很小的情况下，即S(T)g(v,v0)PLρ远小于1,忽略光强的变化,根据式(3),透射 激光强度可以近似表示为:
I(v)≈I0(v)[1-S(T)g(v,v0)PLρ] (4)
定义两个无量纲的量:![]()
x表示激光扫描频率表示偏离中心频率的程 度。m称为调制系数,是调制深度和谱线半高半宽值的比值。其中v0为吸收光谱中心频率，v 为输出激光的瞬时频率，ΔvL为吸收谱线的半高宽度
由公式(2)知瞬时频率v是时间t的函数，则在洛仑兹线型条件下,激光的瞬时透射强度可 以表示为:
I ( t ) = I 0 ( t ) - I 0 ( t ) S ( T ) PLρ [ 2 πΔ v L · 1 1 + ( x + m cos 2 πft ) 2 ] - - - ( 5 ) ]]>
所以吸收光强可以表示为：
I a ( t ) = I 0 ( t ) S ( T ) PLρ [ 2 πΔ v L · 1 1 + ( x + m cos 2 πft ) 2 ] - - - ( 6 ) ]]>
从(6)可以看出，当扫描到气体吸收谱线附近时，![]()
因子的影响急 剧增大，即激光部分被检测气体吸收，气室中气体吸收特定波长的激光引起激光线型的凹陷， 最终引起信号线型的凹陷。石英音叉震动产生的弱电流信号经过前置放大电路进行放大,然后 送入锁相放大器进行解调就可以获得各次谐波信号。其中偶次谐波峰值位于吸收谱线中心, 奇次谐波在吸收谱线中心处为零。因此,奇次谐波可用于确定吸收谱线中心,而偶次谐波常用 于气体吸收信号的测量。随着次数的增加,谐波峰值依次迅速减少,因此,我们用锁相放大器解 调出二次谐波信号。解调出的二次谐波信号强度对应着气体的浓度大小。
设大口径准直器B的插入损耗因子为γ，光从准直器B到准直器C经过光纤的损耗可以 表示为：
α = 10 · lg I 1 I 2 - - - ( 7 ) ]]>
其中I1表示从准直器B入射的光强，I2表示从准直器C出射的光强。
如果光在整个传播过程中没有损耗，则闭合回路的光强将趋向于无穷大。但是由于光在 传播路径上有气体中的吸收损耗，准直器的插入损耗以及光线中的传输损耗，所以光强增大 将趋于一个稳定值。
由于光强的大幅增强，因吸收产生的二次谐波信号也将大幅增强，因此气体浓度检测的 极限也将增加，由于系统的噪声信号是一定的，信号的增强也提高了检测的信噪比和灵敏度。
附图说明
图1是本发明应用于石英音叉光声光谱系统的双光束系统的结构示意图。
其中：1为激光器，2为准直器A，3为准直器C，4为共振管A，5为共振管B，6为石英 音叉，7为准直器B，8为气室，9为前置放大电路，10为锁相放大器，11为计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。
实施例1：
本发明实施例1如图1所示，一种石英音叉双光束测量气体浓度的系统，包括激光器1、 三个准直器A2、B7、C3、气室8、两个共振管A4、B5、石英音叉6、前置放大电路9、锁相 放大器10及计算机11，其特征在于准直器A2、B7、C3、共振管A4、B5和石英音叉6位于气 室8内，准直器A2与准直器C3并列平行放置于石英音叉6之前；准直器B7位于石英音叉6 之后，激光器1的输出端经光纤进入气室8，连接至准直器A2的输入端；准直器A2与准直 器C3的输出方向对准准直器B7的输入端分别构成两路光路，两个共振管A4、B5并列固定于 石英音叉6的两音叉壁之间并分别处于准直器A2、C3与准直器B7所构成的两路光路中，准 直器B7的输出端经光纤连接至准直器C3的输入端；石英音叉6连接到前置放大电路9；前 置放大电路9输出端连接至锁相放大器10，锁相放大器10和计算机11相连接。
所述的激光器1为分布反馈式半导体激光器(DFB激光器)，工作波长1370nm。
所述的石英音叉6谐振频率为32768Hz。
所述的准直器A2、B7、C3为中心波长为1370nm的光纤准直器。
所述的前置放大电路9为反馈电阻是10MΩ的跨阻放大器，型号为CA3140E。
所述的锁相放大器10为7230型锁相放大器。
实施例2：
一种利用上述系统进行气体浓度测量的方法，步骤如下：
1)连接好上述系统，调整光路使激光器输出的激光经准直器A、共振管B到达准直器B， 并且由准直器B输出至准直器C的激光经准直器C、共振管A到达准直器B；石英音叉与前置 放大电路输入端相连；前置放大电路输出端与锁相放大器输入端相连；
2)将所要测量的气体充入气室中，然后关闭气室；
3)接通前置放大电路与锁相放大器电源，调节锁相放大器的时间常数为200ms，低通滤 波衰减为12db/oct，得到锁相的等效带宽为0.833Hz；
4)开启激光器，通过计算机操作锁相放大器，点击计算机中锁相放大器软件操作界面中 的自动匹配信号量程，测量并读取信号值S，根据公式
C = fAS kα P 0 Q - - - ( 1 ) ]]>
能够知道待测气体的浓度与系统各个参数的线性关系，根据已知浓度的待测气体标定出该系 统的比例系数k，即可通过该公式计算待测气体的浓度，其中C是待测气体浓度，α是待测 气体单位浓度下的吸收因子，P0是激光器的输出功率，Q是石英音叉的品质因数，f是石 英音叉的谐振频率，A是共振管A和B的横截面积，S锁相放大器的测量值，k是比例系数。