一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法

技术领域

本发明属于气体传感领域，更具体地，涉及一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法。

背景技术

微量气体检测技术已广泛用于许多领域，包括工业过程控制，医学诊断，环境监测等。传统的检测技术，譬如气相色谱/质谱和电化学的非光学技术具有成本高，结构复杂和反应速度慢等技术缺陷。光学传感技术具有灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点近年来得以广泛研究。在众多的光学传感技术中，光声和光热弹光谱由于具有灵敏度高、结构紧凑、动力学宽等优点，在痕量气体检测中显示出巨大的潜力。与其他光谱方法相比，光声光谱和光热光谱的优点是可以在很小的气体体积下实现高灵敏度探测。

作为光声和光热光谱技术的一种新型变体，近年来基于石英音叉的光致热弹光谱(LITES)技术发展迅速。当调制的入射激光通过气体吸收池后照射在石英音叉的表面，激光和分子相互作用后的能量被石英音叉探测。由于石英的热弹性效应，被石英吸收的热能转化为石英音叉振动的机械能，被石英音叉共振放大。通过石英音叉本身的压电效应，把振动产生的机械能转化为电能。在标准大气压下，商用的石英音叉具有32.7kHz的谐振频率和10

在目前的石英增强光致热弹光谱技术存在以下3点缺点：第一，激励光束难以准直和准确激发。激光通过气体吸收池后，再从正面照射在音叉表面。光束一般采用正入射的形式，光束的入射点一般选取在音叉振臂底部的U型的顶点处。由于音叉表面大部分面积覆盖有银镀层电极，对入射光具有较大的反射影响，导致激励光很难聚焦在石英材料上，光束难以准直。第二，目前激光激励的位置位于音叉表面，不是音叉对光的最优响应位置。光致热弹效应其中一个关键步骤是音叉共振时通过压电效应产生电信号，因此要产生较强的光致热弹效应必须激励较大的压电效应。目前光束激励的位置位于音叉正入射表面，不是音叉振动时受应力最大的位置，因此不能激发其最大的压电效应，也就是说不能激发最大的光致热弹效应。第三，目前技术中石英材料与激励光束的相互作用不够，导致光致热弹效应不强，光致热弹光谱灵敏度不够。入射光垂直入射并穿过音叉的U型顶点，石英音叉的厚度为0.3mm，因此在现有的光致热弹光谱技术中，产生光致热弹效应的吸收路径只有0.3mm。没有对入射光进行充分的吸收利用，导致产生的光致热弹性效应小，产生的信号幅值小，从而影响了探测的灵敏度。

综上所述，以上3个缺点导致了现有光致热弹光谱中石英音叉的激发效率不高，灵敏度不够，影响气体探测灵敏度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，旨在解决现有石英音叉激发效率不高、光致热弹光谱灵敏度不够，影响气体探测灵敏度的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光致热弹光谱信号探测装置，包括：电极改良型石英音叉；

所述电极改良型石英音叉包括：两个矩形音叉振臂、音叉基座及两个音叉引脚；第一个矩形音叉振臂外侧面没有电极覆盖，内侧面和前后两个侧面均被电极覆盖；第二个矩形音叉振臂的四个侧面均被电极覆盖；

当所述探测装置工作时，激光从第一个矩形音叉振臂的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从音叉引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。

在一个可选的示例中，所述第一个矩形音叉振臂为两个矩形音叉振臂中的任意一个。

在一个可选的示例中，当所述激光从第一个矩形音叉振臂的预设位置处入射时，所述光致热弹光谱信号的信号幅度最高；所述预设位置的高度与矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点处的高度相同。

第二方面，本发明提供了一种包括上述第一方面给出的光致热弹光谱信号探测装置的气体探测装置，其特征在于，还包括：半导体激光器、聚焦器以及信号解调装置；

所述半导体激光器，用于向待探测气体投射激光；

所述聚焦器，用于将穿过待测气体的激光聚焦到所述光致热弹光谱信号探测装置；

所述光致热弹光谱信号探测装置，用于在所述激光的作用下输出对应的电信号；

所述信号解调装置，用于对所述电信号解调，得到待测气体的浓度信息。

在一个可选的示例中，所述信号解调装置包括：前置放大器和锁相放大器；

所述前置放大器，用于对光致热弹光谱信号探测装置输出的电信号进行跨阻抗放大，得到相应的光致热弹光谱信号；

所述锁相放大器，用于对所述光致热弹光谱信号进行解调，求解得到待测气体的浓度信息。

在一个可选的示例中，该装置还包括：透明容器；

所述透明容器，用于承载待测气体。

在一个可选的示例中，所述半导体激光器，用于向待探测气体投射不同波长的激光，以探测不同种类的待测气体。

第三方面，本发明提供了一种光致热弹光谱信号探测方法，包括以下步骤：

将石英音叉一个矩形音叉振臂外侧面覆盖的电极去除；

控制激光从去除电极后的外侧面入射到石英音叉内部，在光致热弹效应的作用下产生电信号从石英音叉的引脚输出；所述电信号对应入射激光的光致热弹光谱信号。

在一个可选的示例中，当所述激光从所述外侧面预设位置处入射时，所述光致热弹光谱信号的信号幅度最高；所述预设位置的高度与矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点处的高度相同。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，提出了一种新型的内外同步激发方式。电极改良型音叉晶振的振臂外侧电极被人工去除，形成一个激光的入射窗口。允许激光从振臂侧面由外部入射到石英音叉振臂的内部进行激发。在这种激发模式下，内外两个应力较大的侧面同时被光束激发，提高了音叉激发效率。

本发明提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，大大提高了石英音叉与激光的相互作用长度。激光光束从振臂外侧入射，利用振臂内侧所镀有的银电极层作为反射镜，光在激励音叉振臂的内表面后，在出射音叉表面时，被银层电极反射，再次进入音叉振臂，进而从音叉振臂外侧出射，在此过程中，激励光束来回2次穿过音叉的振臂宽度，相比于现有技术激光仅穿过音叉的厚度，提高了光束与音叉的作用长度，提高了光致热弹光谱效率。

本发明提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，确立了音叉侧向激发的最优作用位置。通过音叉表面应力分析，得到了对于音叉振臂侧面的外表面和内便面的最优作用位置均在距离音叉开口处位置。这一特殊位置是音叉振臂振动时，内表面和外表面应力最大处，可以获得较大的光致热弹效应。

本发明提供一种光致热弹光谱信号探测装置、气体探测装置及方法，基于电极改良型晶振的光致热弹光谱探测装置使得音叉激发效率提高、光致热弹光谱效率提高，且光致热弹效应提升，具有热弹性效应高、响应速度快等特点，进而使得侧向激发增强型光致热弹光谱将探测信噪比和灵敏度提高了15倍。通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光致热弹光谱的探测能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电极改良石英音叉的三维立体模型图。

图2为本发明实施例提供的电极改良石英音叉的上视图。

图3为本发明实施例提供的实验测量的电极改良型石英音叉的频率响应曲线图。

图4为本发明实施例提供的石英音叉在受激振动时，振臂的应力分布示意图。

图5为本发明实施例提供的石英音叉在受激振动时，振臂不同位置外表面和内表面受到的相对压力图。

图6为本发明实施例提供的侧向激发增强型光致热弹光谱中，不同光斑聚焦位置不同特征点示意图。

图7为本发明实施例提供的侧向激发增强型光致热弹光谱中，不同光斑聚焦位置获得的信号幅度图。

图8为本发明实施例提供的侧向激发增强型光致热弹光谱中，不同激光调制深度对应的光致热弹信号幅度图。

图9为本发明实施例提供的侧向激发增强型光致热弹光谱和传统光致热弹光谱二次谐波信号对比图。

图10为本发明实施例提供的的电极改良型石英音叉电极示意图。

图11为本发明实施例提供的侧向激发增强型光致热弹光谱气体探测系统装置图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为电脑设备；2为函数信号发生器；3为加法器；4为激光器驱动；5为半导体激光器；6为气体吸收池；7为光聚焦器；8为电极改良型石英音叉；9为前置放大器；10为锁相放大器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种侧向双光程双激发增强型光致热弹光谱技术及其气体探测装置，旨在解决现有技术中存在的上述3个技术问题。本发明是基于电极改良型石英音叉的新型光致热弹光谱技术。商用的石英音叉具有8个面镀有电极，而本发明的采用的电极改良型石英音叉去掉其中1个面镀的电极，形成一个窗口，允许激励光进入到石英音叉内部。如此以来，第一石英音叉表面去掉了一个电极，形成了大量窗口区域可以供光线进入，降低了准直难度。第二，光进入石英材料内部，直接激励音叉振动时压力应力最大的点，从而获取更大的形变，更大的压电效果。第二，光线不再时从正面垂直音叉平面入射，而是从音叉振臂侧面进入，大大提高了光和石英材料的相互作用强度。

本发明是通过以下具体的技术方案实现的。标准商用石英晶振包括两个振臂，每个振臂有4个面均镀有电极。本发明所述的技术方案和气体探测装置是基于一种电极改良型的石英音叉，其中一个振臂的一个侧面电极被去除，从而形成光的入射窗口。采用体积分数>65％氢氟酸配合掩膜版，用于腐蚀石英音叉的电极。掩膜版覆盖石英音叉振臂侧面的电极，腐蚀时间约为5分钟，通过这种方法可以去除石英音叉侧面的电极，形成电极改良的石英音叉，其三维立体图，如图1所示，上视图如图2所示。

我们测量了电极改良型石英音叉的频率响应曲线，如图3所示。横坐标为响应频率，纵坐标为不同的振动频率所对应的归一化振动幅度。通过洛伦茨(Lorentz)函数对音叉的输出信号进行拟合，可以得到电极改良石英音叉的频率响应曲线为洛伦茨线性，中心频率为32775Hz左右，对应的Q值约为12000。该参数证明了电极改良不影响石英音叉的频率响应曲线，电极改良的石英音叉具有和标准商用石英音叉相比拟的谐振曲线。

下面我们通过COMOL Multiphysics多物理场耦合软件分析石英音叉的振动时的应力分布。该应力分析基于的原理是有限元分析方法。通过建立音叉的耦合谐振子模型和网格划分，我们可以得到音叉振臂在振动时内表面和外表面的收到的应力分布。图4展示了石英音叉在受激振动时振臂受到的应力分布示意图。由图4可知，音叉在振动时，其应力分布主要位于音叉振臂侧面。音叉侧面收到的应力远大于其正面的应力。因此说明在光致热弹效应中，光束激励音叉侧面可以比激励正面，获得更大的输出。图5展示了以音叉的U形开口处作为起点，距离起点不同高度处，音叉振臂外表面和内表面受到的压力。由图5可知，随着高度ΔH的增大，音叉振臂内表面和外表面压力都随之增大。在矩形音叉振臂和音叉基座U形弧面连接点对应的高度，ΔH为3.8mm处，音叉振臂外表面的压力得到极大值，而音叉内表面压力成指数继续增大。因此如果能够激励音叉的振臂内表面，将会极大提高光致热弹光谱的效果。

需要说明的是，不同石英音叉结构的尺寸不同，本发明实施例仅以连接点高度ΔH为3.8mm此种型号的音叉为例进行举例说明，音叉的具体尺寸不构成对本发明实施例的任何限定，本领域技术人员可根据实际需要对音叉尺寸进行选择。

本发明所述的气体探测装置，包括如下部分：函数发生器；与所述函数发生器的调制信号输出端连接的加法器；与所述加法器的信号输出端连接的激光驱动器；由所述激光驱动器驱动的激光器，所述激光器至少用于发出激励光；设置在所述激光器的出射光路的光纤组件；出射激光经过气体池后作用于电极改良型石英音叉晶振；与所述晶振的引脚连接的前置放大器；与所述前置放大器的输出端连接的锁相放大器，所述锁相放大器与所述函数发生器的同步信号输出端连接。进一步，具有数据采集卡的计算机设备，所述计算机设备分别与所述锁相放大器的输出端及所述函数发生器的输入端连接。

本发明基于所述的电极改良型石英音叉展开了初步实验研究，探索电极改良的石英音叉振臂最优响应位置。激发光束通过气体池后，被聚焦于电极改良石英音叉的振臂侧面。将音叉U形开口处设为ΔH＝0mm，光斑聚焦位置沿着石英音叉振臂外侧向下扫描，如图6所示。在不同的高度ΔH处记录电极改良音叉的信号幅度，获得的光致热弹信号幅度与高度ΔH的关系如图7所示。图7中展示了三个特征点位置，Point A点为图7记录信号的起点，Point B为ΔH＝3.8mm处，Point C为石英音叉U形顶点位置。由图7可见，在ΔH＝3.8mm处电极改良音叉可以获得最大的光致热弹信号。

在进一步的实验中，我们优化了光致热弹光谱中激光的调制深度。我们通过改变叠加于半导体激光器的调制信号幅度，改变激光器出射光的波长调制深度。记录在不同波长调制深度下电极改良石英音叉输出的光热热弹信号幅度，然后进行归一化得到图8。由图8可知，随着激光波长调制深度的增加，电极改良石英音叉的光致热弹信号幅度单调增加。在激光波长调制深度达到2.3cm

在获得了最优的激励位置和最优的激光波长调制深度后，以探测空气中的水分子为例子。我们测量了侧向激发增强型光致热弹光谱的信号，和目前传统的石英增强光致热弹光谱信号进行了对比。图9展示了两种侧向激发增强型光致热弹光谱(SE-LITES)和传统光致热弹光谱(传统LITES)获得的二次谐波信号对比。其中传统LITES技术中，激励光直接聚焦于音叉正面表面U形顶点位置处；SE-LITES I中，激光聚焦于音叉特征点Point B处(见图6，ΔH＝3.8mm)；SE-LITES II中，激光聚焦于音叉特征点Point C处(见图6，音叉U形顶点)。所用激光器的注入电流控制在42mA至54mA处，对应的激光波长范围为7194.4cm

本发明所述的电极改良型石英音叉8，具体示意图如图10所示。电极改良型石英音叉8由音叉基座8.1，矩形音叉振臂8.2和音叉引脚8.3构成。矩形音叉振臂振臂的四个面只有三个面覆盖有电极，其中一个外侧面8.4没有电极覆盖，石英材料直接暴露，供光线进入。

本发明所述的气体探测装置具体实施方式，如图11所示。计算机设备1通过串口通信控制函数发生器2，函数发生器2产生半导体激光器5所需的调制信号和扫描信号，调制信号和扫描信号通过加法器3相加，相加所得的驱动信号被输入到激光驱动器4。激光驱动器4实现激光芯片的温度和电流控制。通过驱动器4驱动的半导体激光器5发出激光，用于和气体分子相互作用。半导体激光器5所发出的激光首先穿过装有待测气体的透明气体池6，然后被聚焦器7所聚焦，照射到电极改良的石英音叉振臂侧面8.4上。电极改良的石英音叉8与激光相互作用，由于光致热弹效应产生电信号，由音叉引脚8.3输出。电信号经过音叉引脚8.3输送至前置放大器9进行跨阻抗放大，随后进去锁相放大器10进行解调。函数信号发生器2的同步信号连接到锁相放大器10的参考通道，进行信号解调。锁相放大器通过串口与计算机设备1相连，将气体浓度数据输送至计算机设备1进行显示和存储。

本发明涉及侧向激发增强型光致热弹光谱技术及采用该技术的气体探测装置。本发明的所述电极改良型晶振具有全新设计的电极分布结构，经过几何参数设计，使其具备32.7kHz的低频谐振频率，通过在振臂外侧面形成一个矩形无电极覆盖带以便激光束入射激发，利用振臂内表面的银层电极作为反射镜，使得在振臂的内外侧之间形成双激发和双通道的光吸收增强，更适合于光致热弹光谱探测。基于电极改良型石英音叉的光致热弹光谱探测装置具有热弹性效应高、响应速度快等特点，通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光致热弹光谱的探测能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。