專利名稱：一種測量痕量氣體濃度的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及光電領域，特別是涉及一種測量痕量氣體濃度的裝置。
背景技術：
痕量氣體檢測在污染監控、石油勘探、工業過程控制、航天工業及醫學診斷等多個領域都有重要的應用。但是現有測量痕量氣體濃度技術的分辨率較低、測量精度較差，不能滿足實際需求。
實用新型內容本實用新型提供一種測量痕量氣體濃度的裝置，用以解決現有測量痕量氣體濃度·技術的分辨率較低、測量精度較差，故而不能滿足實際需求的問題。本實用新型的裝置包括光學組件部分和電信號控制測量部分；其中，所述光學組件部分包括激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池，所述樣品池中注入有痕量氣體；所述空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡，以及位于所述兩個聚焦透鏡之間的針孔，光路從所述兩個聚焦透鏡和針孔內通過；所述樣品池中包括石英晶振，以及對稱設置在所述石英晶振兩側的兩個微諧振腔，所述石英晶振和兩個微諧振腔的軸心與光路同軸，所述石英晶振平面與光路相垂直，光路從所述兩個微諧振腔內和石英晶振兩振臂間通過；其中，所述電信號控制測量部分分別與激光器和石英晶振電連接；在測量所述痕量氣體濃度之前，電信號控制測量部分采用校準模式對石英晶振進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分切換到測量模式，并根據所述石英晶振將聲信號轉化得到的電信號，測量所述痕量氣體的濃度。進一步，空間光束濾波器的針孔平面與光路非垂直。空間光束濾波器的針孔與激光器之間的聚焦透鏡焦點位于所述針孔中心；所述空間光束濾波器的針孔與樣品池之間的聚焦透鏡成像點位于石英晶振兩臂中心。空間光束濾波器的針孔直徑為50 μ m至300 μ m。進一步，每個微諧振腔的長度為大于四分之一個聲波波長小于二分之一個聲波波長，所述的聲波波長是指痕量氣體中，聲波振動一個最小周期所傳播的長度，數值等于聲速除以石英晶振的共振頻率。微諧振腔內徑為O. 6_至1_，每個微諧振腔與石英晶振的間隙為 30 μ m M 50 μ m。進一步，樣品池的光路方向上還裝配有入射窗口和出射窗口，并且與光路非垂直。進一步，樣品池上還裝配有進氣口和出氣口，用于注入和排出痕量氣體。進一步，電信號控制測量部分包括切換模塊，與所述石英晶振電連接，用于切換校準模式和測量模式；信號發生模塊，與所述切換模塊和激光器電連接，用于發生信號；鎖相放大器，與所述切換模塊和信號發生模塊電連接，用于設置諧波探測模式，并對探測的信號進行解調，以及得出響應曲線；數據采集卡，與鎖相放大器電連接，用于采集鎖相放大器得出的響應曲線；計算機，與信號發生模塊和數據采集卡電連接，用于控制信號發生模塊發出信號，以及分析數據采集卡采集的數據。切換模塊包括與所述石英晶振輸入端電連接的電子開關；與所述電子開關的控制端和一個輸入端電連接的耦合電容；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。或者，切換模塊包括與所述石英晶振輸入端電連接的繼電器；與所述繼電器的常開觸點和第一信號發生器輸出端電連接的耦合電容；與繼電器線圈電連接的三極管；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。信號發生模塊包括輸出端與所述切換模塊電連接的第一信號發生器；觸發輸入端與所述第一信號發生器的觸發輸出端電連接的第二信號發生器；與所述激光器的激光調制輸入端電連接的電子加法器，所述電子加法器還與第二信號發生器的觸發輸出端電連接；與所述電子加法器的一個輸入端電連接的第三信號發生器。進一步，激光器為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。本實用新型有益效果如下本實用新型的光學部分包括激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池；進一步，空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡和位于其間的針孔，樣品池中包括石英晶振以及對稱設置在石英晶振兩側的兩個微諧振腔。發明人還考慮了石英晶振的共振頻率受環境影響而變化，在測量痕量氣體濃度前對石英晶振進行校準以及自動切換校準模式和測量模式。通過設置上述各器件，設定各器件之間的相對位置，以及通過電信號控制測量部分完成校準、切換及測量操作，從而使得本實用新型的測量痕量氣體濃度的裝置相對于現有技術具有更高的分辨率和測量精度，可滿足實際需求。
圖I為本實用新型實施例一的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例二的結構示意圖；圖3為本實用新型實施例三的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例三的石英晶振與微諧振腔位置關系示意圖；圖5為本實用新型實施例三的石英晶振與微諧振腔內壓力分布圖；圖6為本實用新型實施例四的結構示意圖；圖7為本實用新型實施例五的結構示意圖；圖8為本實用新型實施例五、實施例一與現有技術的信號強度幅值對比圖；圖9為本實用新型實施例六中繼電器及與其關聯單元的連接示意圖。
具體實施方式
為了提高痕量氣體濃度測量技術的分辨率和測量精度，以滿足實際應用需求，本實用新型提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，以下通過若干實施例進一步說明。實施例一、本實施例中提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，參見圖I所示，包括光學組件部分11和電信號控制測量部分12。其中，光學組件部分11包括激光器111，以及在激光器111射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器112和樣品池113，其中樣品池113中注入有痕量氣體。激光器111發出的光束可以是各紅外波段的光束。空間光束濾波器112包括兩個聚焦透鏡1121和1122，以及位于兩個聚焦透鏡1121和1122之間的針孔1123，光路從兩個聚焦透鏡1121和1122以及針孔1123內通過。樣品池113中包括石英晶振1131，以及對稱設置在石英晶振1131兩側的兩個微諧振腔1132和1133，石英晶振1131和兩個微諧振腔1132和1133的軸心與光路同軸，石英晶振1131平面與光路相垂直，光路從兩個微諧振腔內1132和1133以及石英晶振1131兩振臂間通過。電信號控制測量部分12分別與激光器111和石英晶振1131電連接；在測量所述痕量氣體濃度之前，電信號控制測量部分12采用校準模式對石英晶振1131進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分12切換到測量模式，并根據石英晶振1131將聲信號轉化得到的電信號，測量痕量氣體濃度。可見，本實施例中光學部分包括激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池；進一步，空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡和位于其間的針孔，樣品池中包括石英晶振以及對稱設置在石英晶振兩側的兩個微諧振腔。發明人還考慮了石英晶振的共振頻率受環境影響而變化，在測量痕量氣體濃度前對石英晶振進行校準 以及自動切換校準模式和測量模式。通過設置上述各器件，設定各器件之間的相對位置，以及通過電信號控制測量部分完成校準、切換及測量操作，從而使得本實施例的測量痕量氣體濃度裝置相對于現有技術具有更高的分辨率和測量精度，可滿足實際需求。經發明人研究發現，位于中紅外區域的分子基頻振動在紅外活性振動中吸收最強，中紅外區域的探測靈敏度能夠達到PPbV量級，比近紅外區域的ppmv水平高出幾個數量級，是最佳的紅外氣體探測波段。近年來中紅外量子級聯激光器的快速發展，使痕量氣體濃度測量中使用的探測吸收線從傳統的近紅外區域(O. 78-2. 5 μ m)向中紅外區域(2. 5-25 μ m)轉移。然而目前在該波段探測裝置的發展滯后于激光光源的發展。另一方面，光聲光譜技術其基本原理是當一束與探測吸收線同頻率的光從被測氣體通過時，目標氣體分子被激光激發到高能態，由于碰撞退激發過程，重新回到基態，同時伴隨著聲波的產生，聲波被探測器探測并轉化成與被測氣體濃度成正比的電信號。發明人還發現，光聲光譜技術對波長沒有依賴性，理論上能夠用于從紫外到紅外的所有波段，如果能把中紅外激光與光聲光譜結合，定能夠解決中紅外探測器發展滯后帶來的一系列問題。以下給出若干將中紅外激光與光聲光譜結合的優選實施例。實施例二、本實施例中提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，參見圖2所示，包括光學組件部分21和電信號控制測量部分22。光學組件部分21包括激光器211，以及在激光器211射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器212和樣品池213，樣品池213中注入有痕量氣體。激光器211為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。其中，空間光束濾波器212包括兩個聚焦透鏡2121和2122，可以是鍍增透膜的鍺透鏡，還包括位于兩個聚焦透鏡2121和2122之間的針孔2123。光路從兩個聚焦透鏡2121和2122以及針孔2123內通過，聚焦透鏡2121的焦點位于針孔2123中心，聚焦透鏡2122的成像點位于石英晶振2131兩臂中心。針孔2123的直徑為50 μ m至300 μ m，針孔2123的平面與光路非垂直，所成角度范圍為大于等于40度且小于等于80度。其中，樣品池213中包括石英晶振2131，其共振頻率包括但不限于32. 768kHz，還包括對稱設置在石英晶振2131兩側的兩個微諧振腔2132和2133,石英晶振2131和兩個微諧振腔2132和2133的軸心與光路同軸，石英晶振2131平面與光路相垂直，光路從兩個微諧振腔內2132和2133以及石英晶振2131兩振臂間通過。樣品池213的光路方向上還裝配有入射窗口 2134和出射窗口 2135，可以由透射中紅外的硒化鋅、鍺、氟化鎂、氟化鈣等材料制成，鍍有增透膜，并且與光路非垂直，所成角度范圍為大于等于60度且小于等于90度。電信號控制測量部分22分別與激光器211和石英晶振2131電連接；在測量所述痕量氣體之前，電信號控制測量部分22采用校準模式對石英晶振2131進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分22切換到測量模式，并根據石英晶振2131將聲信號轉化得到的電信號，測量痕量氣體濃度。可見，本實施例中的裝置具有實施例一的優點，并且發明人考慮到中紅外激光源對反饋光特別敏感，從透鏡、氣室窗口、微諧振腔反射回即使極其微弱的光也會引起激光的模式波動，可能導致測量的偏差。故而，本實施例中裝置的針孔平面與光路成角度的設計，以及樣品池窗口與光路成角度的設計有效地避免了光束的反射，使量子級聯激光器在整個掃描過程中無跳模現象。·[0033]實施例三、本實施例中提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，參見圖3所示，包括光學組件部分31和電信號控制測量部分32。光學組件部分31包括激光器311，以及在激光器311射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器312和樣品池313，樣品池313中注入有痕量氣體。激光器311為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。其中，空間光束濾波器312包括兩個聚焦透鏡3121和3122，以及位于兩個聚焦透鏡3121和3122之間的針孔3123，光路從兩個聚焦透鏡31121和3122以及針孔3123內通過。其中，樣品池313中包括石英晶振3131，其共振頻率包括但不限于32. 768Hz，還包括對稱設置在石英晶振3131兩側的兩個微諧振腔3132和3133,石英晶振3131和兩個微諧振腔3132和3133的軸心與光路同軸，石英晶振3131平面與光路相垂直，光路從兩個微諧振腔內3132和3133以及石英晶振3131兩振臂間通過。微諧振腔3132和3133可采用不銹鋼針管或玻璃管，長度為大于等于四分之一聲波波長且小于等于二分之一聲波波長，內徑為O. 6mm至Imm,外徑為O. 8mm至I. 4mm ;每個微諧振腔與石英晶振3131的間隙為30 μ m至50 μ m ;具體的石英晶振與微諧振腔位置關系可參見圖4所示。電信號控制測量部分32分別與激光器311和石英晶振3131電連接；在測量所述痕量氣體濃度之前，電信號控制測量部分32采用校準模式對石英晶振3131進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分切換到測量模式，并根據石英晶振3131將聲信號轉化得到的電信號，測量痕量氣體濃度。可見，本實施例中的裝置具有實施例一的優點，并且發明人考慮到半波駐波共振情況是對于密閉空間來說的，若插入石英晶振，由于石英晶振的干擾，以及微諧振腔與石英晶振間存在間隙，會破壞共振條件，使共振效應大打折扣；發明人還考慮到典型的中紅外激光光束直徑為3mm，若微諧振腔的內徑過小，則會造成激光光束與微諧振腔和石英晶振的接觸，進而產生非零的背景噪聲，此噪聲通常比原本的熱噪聲水平高出幾倍到幾十倍，嚴重降低了傳感裝置的探測靈敏度。因此，本實施例中單個微諧振腔的長度采用大于等于四分之一聲波波長且小于等于二分之一聲波波長，這使得微諧振腔的頻率和石英晶振的頻率重疊，共振效果大大增強，這時微諧振腔在石英晶振方向的開口處氣流流速最大，而來自兩個微諧振腔的反向氣流沖擊致使聲壓在石英晶振中心處產生局部最大值，從而較大幅度地提高了輸出的共振增強信號，具體的石英晶振與微諧振腔內壓力分布圖可參見圖5所示；采用大于等于四分之一聲波波長且小于等于二分之一聲波波長的微諧振腔，允許微諧振腔內直徑進一步增大到O. 6mm至1_而不損失共振增強信號，激光器和樣品池之間插入空間濾波器，進一步濾除了量子級聯光束的高階橫模，利于聚焦3_中紅外光束無觸碰地通過微諧振腔和石英晶振，經過多次測試，能量通過率高達98%。實施例四、本實施例中提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，參見圖6所示，包括光學組件部分41和電信號控制測量部分42。其中，光學組件部分41包括激光器411，以及在激光器411射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器412和樣品池413,樣品池413中注入有痕量氣體。激光器411為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。空間光束濾波器412包括兩個聚焦透鏡4121和4122，以及位于兩個聚焦透鏡4121和4122之間的針孔4123，光路從兩個聚焦透鏡4121和4122以及針孔4123內通過。樣品池413中包括石英晶振4131，以及對稱設置在石英晶振4131兩側的兩個微諧振腔4132和4133，石英晶振4131和兩個微諧振腔4132和4133的軸心與光路同軸，石英晶振4131平面與光路相垂直，光路從兩個微諧振腔內4132和4133以及石英晶振4131兩振臂間通過。其中，電信號控制測量部分42分別與激光器411和石英晶振4131電連接。在測量所述痕量氣體之前，電信號控制測量部分42采用校準模式對石英晶振4131進行校準，在測量痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分42切換到測量模式，并根據石英晶振4131將聲信號轉化得到的電信號，測量痕量氣體濃度。具體來說，電信號控制測量部分42包括切換模塊421，與石英晶振4131電連接，用于切換校準模式和測量模式；信號發生模塊422，與切換模塊421和激光器411電連接,用于發生信號；鎖相放大器423,與切換模塊421和信號發生模塊422電連接，用于設置諧波探測模式，并對探測的信號進行解調，以及得出響應曲線；數據采集卡424，與鎖相放大器423電連接，用于采集鎖相放大器423得出的響應曲線；計算機425，與信號發生模塊422和數據采集卡424電連接，用于控制信號發生模塊發出信號，以及分析數據采集卡采集的數據。可見，本實施例中的裝置具有實施例一的優點，并且本實施例的電信號控制測量部分對切換校準模式和測量模式的功能進行了細化，以滿足先校準再測量的實際需求。實施例五、本實施例中提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，參見圖7所示，包括光學組件部分51和電信號控制測量部分52。光學組件部分51包括激光器511，以及在激光器511射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器512和樣品池513，樣品池513中注入有痕量氣體。激光器511為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。其中，空間光束濾波器512包括兩個聚焦透鏡5121和5122，可以是鍍增透膜的鍺透鏡，還包括位于兩個聚焦透鏡5121和5122之間的針孔5123。光路從兩個聚焦透鏡5121和5122以及針孔5123內通過，聚焦透鏡5121的焦點位于針孔5123中心，聚焦透鏡5122成像點位于石英晶振5131兩臂中心。針孔5123的直徑為50 μ m至300 μ m,針孔5123平面與光路非垂直，所成角度范圍為大于等于40度且小于等于80度。其中，樣品池513中包括石英晶振5131，其共振頻率包括但不限于32. 768kHz，還包括對稱設置在石英晶振5131兩側的兩個微諧振腔5132和5133,石英晶振5131和兩個微諧振腔5132和5133的軸心與光路同軸，石英晶振5131平面與光路相垂直，光路從兩個微諧振腔內5132和5133以及石英晶振5131兩振臂間通過。微諧振腔5132和5133可采用不銹鋼針管或玻璃管，長度為大于等于四分之一聲波波長且小于等于二分之一聲波波長，內徑為O. 6mm至Imm,外徑為O. 8至I. 4mm ;每個微諧振腔與石英晶振5131的間隙為30 μ m至50μπι。樣品池513的光路方向上還裝配有入射窗口 5134和出射窗口 5135，可以由透射中紅外的硒化鋅、鍺、氟化鎂、氟化鈣等材料做成，鍍有增透膜，并且與光路非垂直，所成角度范圍為大于等于60度且小于等于90度。樣品池513上還裝配有進氣口 5136和出氣口5137，用于注入和排出有痕量氣體。電信號控制測量部分52包括激光器511的輸入端與電子加法器521的輸出端電連接，電子加法器521的一個輸入端與第三信號發生器522輸出端電連接,另一個輸入端與第二信號發生器523的輸出端電連接，第二信號發生器523的觸發端和鎖相放大器524的觸發端與第一信號發生器525的同步輸出端電連接,第一信號發生器525的信號輸出端與
電子開關526的稱合電容5261端電連接，電子開關526的另一輸入端與信號地電連接，電子開關526的輸出端與石英晶振5131的輸入端電連接,石英晶振5131的輸出端與集成運放527的負輸入端電連接，集成運放527的正輸入端與信號地電連接，集成運放527的負輸入端和輸出端并有放大電阻Rl (可以取值5Μ至IOM歐姆)，集成運放527的輸出端和鎖相放大器524的輸入端電連接。另外為實現在測試前自動校準石英晶振的功能，還設置了數據采集卡528和計算機529，鎖相放大器524的輸出端和數據采集卡528的輸入端電連接，數據采集卡528的輸出端和計算機529的輸入端電連接,計算機529的控制端和第一信號發生器525的控制端電連接。在石英晶振自動校正過程中，計算機529控制第一信號發生器525輸出一個疊加的電壓信號，這個電壓信號由30kHz的正弦波和一個5V的直流電平疊加而成，其中的直流電平控制電子開關526閉合接通帶耦合電容端，正弦波通過耦合電容5261被導向石英晶振5131的輸入腳,接著第一信號發生器525被計算機529控制，向高頻方向掃描輸出的正弦波頻率，同時輸出同步信號給鎖相放大器524，鎖相放大器524被設置在一次諧波探測模式，集成運放527、取值5M至IOM歐姆的放大電阻Rl對信號進行放大，鎖相放大器524對石英晶振5131的輸出信號進行解調，得到的響應曲線被數據采集卡528采集后，傳送給計算機529,計算機529進行分析得出石英晶振5131的共振頻率f^。在測量過程中，計算機529控制第一信號發生器525輸出零電壓，同時第一信號發生器525的同步端輸出頻率為&/2的同步信號給鎖相放大器524和第二信號發生器523，鎖相放大器524被設置在二次諧波探測模式，第二信號發生器523被觸發產生同頻的fQ/2、幅值為6mV正弦波信號，與第三信號發生器522輸出的幅值為20mV三角波信號一同被導入電子加法器521，疊加后的信號被送入激光器511輸入口對量子級聯激光器進行頻率調制和掃描，第一信號發生器525輸出的零電壓使電子開關526把信號地和石英晶振5131的輸入腳接通，使石英晶振5131處于測量模式，產生的微弱聲信號被石英晶振5131轉化為電信號，送到集成運放527和放大電阻Rl進行放大，鎖相放大器524對其解調，數據采集卡528進行采集并交由計算機529進行記錄。可見，本實施例中的裝置具有實施例一至四的全部優點，并且石英晶振和信號發生器之間優選串接電子開關，配合數據采集卡、計算機和第一信號發生器，實現了校準和測量過程的快速切換而無需改動任何設備電連接。進一步可參見圖8所示，其中橫坐標為氣壓，縱坐標為信號強度幅值，曲線Al (實心方形點所示)為使用本實施例的測量裝置測得的結果，曲線A3 (實心圓點所示)為使用實施例一所述的測量裝置測得的結果，曲線A2(實心三角形所示)為使用現有裝置測得的結果。可見，使用本實施例的測量裝置得到的信號幅值是使用現有裝置得到的信號幅值的30倍；使用實施例一所述的測量裝置得到的信號幅值是使用現有裝置得到的信號幅值的5倍。實施例六、提供了一種測量痕量氣體濃度的裝置，包括光學組件部分和電信號控制測量部分。本實施例中采用繼電器替換實施例五中的電子開關526，因此，本實施例只對繼電器以及與其關聯的單元進行說明，其他部分可參見實施例五中的相關描述。參見圖9所示，與石英晶振6131輸入端電連接的繼電器626 ;與繼電器626的常開觸點和第一信號發生器625輸出端電連接的稱合電容6261 ;與繼電器線圈電連接的三極管6262 ;與石英晶振6131輸出端電連接的集成運放627及放大電阻Rl (可以取值5M至IOM·歐姆)，并且所述集成運放627的輸出端電連接鎖相放大器624。在石英晶振校準的步驟中計算機控制第一信號發生器625輸出一個由正弦波和直流電平疊加的信號，其中直流電平控制三極管6262導通，繼電器626的線圈得電，閉合狀態的觸點是常開觸點，接通帶耦合電容端6261，正弦波通過耦合電容6261被導向石英晶振6131的輸入腳。在切換模式中第一信號發生器625輸出的零電壓將三極管6262截止,沒有電流從繼電器線圈通過，閉合狀態的觸點是常閉觸點，信號地和石英晶振6131的輸入腳接通，使石英晶振6131切換到測量模式，產生的聲信號被石英晶振6131轉化為電信號，送入集成運放和放大電阻進行放大。顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬于本實用新型權利要求及其等同技術的范圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求1.一種測量痕量氣體濃度的裝置，其特征在于，包括光學組件部分和電信號控制測量部分; 其中，所述光學組件部分包括激光器，以及在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池，所述樣品池中注入有痕量氣體；所述空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡，以及位于所述兩個聚焦透鏡之間的針孔，光路從所述兩個聚焦透鏡和針孔內通過；所述樣品池中包括石英晶振，以及對稱設置在所述石英晶振兩側的兩個微諧振腔，所述石英晶振和兩個微諧振腔的軸心與光路同軸，所述石英晶振平面與光路相垂直，光路從所述兩個微諧振腔內和石英晶振兩振臂間通過； 其中，所述電信號控制測量部分分別與激光器和石英晶振電連接；在測量所述痕量氣體濃度之前，電信號控制測量部分采用校準模式對石英晶振進行校準；在測量所述痕量氣體濃度時，電信號控制測量部分切換到測量模式，并根據所述石英晶振將聲信號轉化得到的電信號，測量所述痕量氣體濃度。
2.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔平面與光路非垂直。
3.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔與激光器之間的聚焦透鏡焦點位于所述針孔中心；所述空間光束濾波器的針孔與樣品池之間的聚焦透鏡成像點位于石英晶振兩臂中心。
4.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述空間光束濾波器的針孔直徑為50μ m至300 μ m0
5.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的每個微諧振腔的長度為大于四分之一個聲波波長小于二分之一個聲波波長，所述的聲波波長是指痕量氣體中，聲波振動一個最小周期所傳播的長度，數值等于聲速除以石英晶振的共振頻率。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述的微諧振腔內徑為O.6mm至1mm，每個微諧振腔與石英晶振的間隙為30 μ m至50 μ m。
7.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述樣品池的光路方向上還裝配有入射窗口和出射窗口，并且與光路非垂直。
8.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述樣品池上還裝配有進氣口和出氣口，用于注入和排出痕量氣體。
9.如權利要求I所述的裝置，其特征在于，所述電信號控制測量部分包括 切換模塊，與所述石英晶振電連接，用于切換校準模式和測量模式； 信號發生模塊，與所述切換模塊和激光器電連接，用于發生信號； 鎖相放大器，與所述切換模塊和信號發生模塊電連接，用于設置諧波探測模式，并對探測的信號進行解調，以及得出響應曲線； 數據采集卡，與鎖相放大器電連接，用于采集鎖相放大器得出的響應曲線； 計算機，與信號發生模塊和數據采集卡電連接，用于控制信號發生模塊發出信號，以及分析數據采集卡采集的數據。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述的切換模塊包括與所述石英晶振輸入端電連接的電子開關；與所述電子開關的控制端和一個輸入端電連接的耦合電容；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述的切換模塊包括與所述石英晶振輸入端電連接的繼電器；與所述繼電器的常開觸點和第一信號發生器輸出端電連接的耦合電容；與繼電器線圈電連接的三極管；與所述石英晶振輸出端電連接的集成運放及放大電阻，并且所述集成運放的輸出端電連接鎖相放大器。
12.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述信號發生模塊包括輸出端與所述切換模塊電連接的第一信號發生器；觸發輸入端與所述第一信號發生器的觸發輸出端電連接的第二信號發生器；與所述激光器的激光調制輸入端電連接的電子加法器，所述電子加法器還與第二信號發生器的觸發輸出端電連接；與所述電子加法器的一個輸入端電連接的第三信號發生器。
13.如權利要求I至12任一項所述的裝置，其特征在于，所述激光器為中紅外量子級聯激光器，發射出中紅外激光。
專利摘要本實用新型公開了一種測量痕量氣體濃度的裝置，涉及光電領域，用以解決現有測量痕量氣體濃度技術的分辨率較低、測量精度較差，不能滿足實際需求的問題。裝置包括光學組件部分的激光器和在激光器射出的光路方向上依次設置的空間光束濾波器和樣品池；空間光束濾波器包括兩個聚焦透鏡和位于兩個聚焦透鏡之間的針孔；樣品池包括石英晶振和對稱設置在石英晶振兩側的兩個微諧振腔；電信號控制測量部分分別與激光器和石英晶振電連接；在測量之前采用校準模式對石英晶振進行校準；在測量時切換到測量模式，并根據石英晶振將聲信號轉化得到的電信號測量所述痕量氣體濃度。
文檔編號G01N21/17GK202770761SQ20122021074
公開日2013年3月6日 申請日期2012年5月11日 優先權日2012年5月11日
發明者董磊, 拉斐爾·勒維奇, 弗蘭克·蒂特爾 申請人:張妍, 朱凌波