一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器及測量方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于激光傳感器領域，涉及一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器及氣體測量方法。
【背景技術】
[0002]微量氣體傳感器技術可對氣體的組分、濃度進行檢測，在大氣化學、燃燒學以及醫學等領域有著重要的用途。石英增強光聲光譜氣體傳感器是一種常見的氣體傳感器，具有靈敏度高、可在線測量等優點。但常見的石英增強光聲光譜氣體傳感器只能對空間中某一點處的氣體濃度進行測量，無法實現多點同時測量。為了獲取空間多點處的氣體濃度值，需要同時采用多個傳感器，這就會大大增加測量成本。
[0003]光纖分束器可將激光束進行分束，實現一束變多束。如果采用單模光纖分束器，將石英增強光聲光譜氣體傳感器中的半導體激光器輸出光束進行分束，實現多光束輸出，那么，采用多個石英音叉在空間多處進行探測，將會得到空間多個位置處的氣體濃度值。這將會解決傳統石英增強光聲光譜氣體傳感器無法實現多點測量的難題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器及測量方法，利用光纖分束器將半導體激光器輸出的激光束分為N束，然后采用N個石英音叉進行測量，實現空間濃度場多點的同時測量，具有簡單易行、可靠性高、成本低的優點。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器，由半導體激光源、光纖分束器、石英音叉、鎖相放大器構成，其中:半導體激光器輸出的激光束經光纖分束器分為N束激光后傳輸至N個石英音叉處，石英音叉將聲波信號轉化為電流信號傳輸至鎖相放大器。
[0006]利用上述多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，由以下步驟實現:
步驟一、半導體激光源發射出的激光通過光纖分束器將激光束分為N束，N〉I;
步驟二、待測目標氣體吸收光纖分束器輸出的激光能量，產生聲波場，N個石英音叉接受聲波信號并轉化為電流信號，鎖相放大器對此電流信號進行解調，反演氣體濃度。
本發明針對微量氣體傳感探測，構建了一種新型多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器，利用光纖分束器將半導體激光器輸出的激光束分為N束(以N=3為例)，然后采用N個石英音叉進行測量，實現空間濃度場多點的同時測量，相對于傳統的石英增強光聲光譜傳感器來說，可實現多點、多空間測量，可滿足不同空間同時測量的要求。
【附圖說明】
[0007]圖1為多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0009]【具體實施方式】一:如圖1所示，本實施方式提供的多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器由半導體激光器1、光纖分束器2、石英音叉3、鎖相放大器4構成，所述半導體激光器
1、光纖分束器2、石英音叉3沿光束傳播方向依次設置，石英音叉3與鎖相放大器4連接，半導體激光器輸出的激光束經光纖分束器分為N束激光后傳輸至N個石英音叉處，石英音叉將聲波信號轉化為電流信號傳輸至鎖相放大器。
[0010]本實施方式中，所述半導體激光器I為單模輸出，激光線寬小于1MHz，光學功率不低于3W。
[0011 ]本實施方式中，所述光纖分束器2為單模光纖，N> I，光纖分束比相等。
[0012]本實施方式中，所述光纖分束器2中的單模光纖距離石英音叉的頂部距離為0.7?1.3mm ο
[0013]本實施方式中，所述光纖分束器2中的光纖對半導體激光的傳輸損耗小于ldb/km。
[0014]本實施方式中，所述光纖分束器2中的光纖長度決定了空間N點之間的距離。
[0015]本實施方式中，經過光纖分束器2的N束激光，每一束激光功率均不小于lmW。
[0016]本實施方式中，石英音叉3的Q值必須大于5000(1個大氣壓下)。
[0017]本實施方式中，石英音叉3的叉股間隙不小于ΙΟμπι，且不大于300μπι。
[0018]本實施方式中，所述石英音叉3的共振頻率不大于50kHz。
[0019]【具體實施方式】二:本實施方式提供了一種利用多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器可以實現空間多處微量氣體濃度測量的方法，由以下步驟實現:
步驟一、半導體激光器發射出的激光通過光纖分束器將激光束分為N束(以N=3為例)；步驟二、待測目標氣體吸收光纖分束器2輸出的激光能量，產生聲波場，N個石英音叉3接受聲波信號并轉化為電流信號，鎖相放大器4對此電流信號進行解調，反演氣體濃度。[°02°]本實施方式中，所述待測氣體濃度不能低于PPb量級。
[0021]本實施方式中，所述待測氣體成分由半導體激光器輸出波長決定。
【主權項】
1.一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述光聲光譜氣體傳感器由半導體激光源、光纖分束器、石英音叉、鎖相放大器構成，其中:半導體激光器輸出的激光束經光纖分束器分為N束激光后傳輸至N個石英音叉處，石英音叉將聲波信號轉化為電流信號傳輸至鎖相放大器。2.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述半導體激光器為單模輸出，激光線寬小于1MHz，光學功率不低于3W。3.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述光纖分束器為單模光纖，N> I，光纖分束比相等。4.根據權利要求3所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述光纖分束器中的單模光纖距離石英音叉的頂部距離為0.7-1.3mm。5.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述光纖分束器中的光纖對半導體激光的傳輸損耗小于ldb/km。6.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述石英音叉的Q值必須大于5000。7.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述石英音叉的叉股間隙不小于I Oym，且不大于300μηι。8.根據權利要求1所述的多點測量的光聲光譜氣體傳感器，其特征在于所述石英音叉的共振頻率不大于50kHz。9.一種利用權利要求1-8任一權利要求所述多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 步驟一、半導體激光源發射出的激光通過光纖分束器將激光束分為N束，N〉I; 步驟二、待測目標氣體吸收光纖分束器輸出的激光能量，產生聲波場，N個石英音叉接受聲波信號并轉化為電流信號，鎖相放大器對此電流信號進行解調，反演氣體濃度。10.根據權利要求9所述的利用多點測量石英增強光聲光譜氣體傳感器實現微量氣體傳感測量的方法，其特征在于所述待測目標氣體濃度不低于PPb量級。
【專利摘要】本發明公開了一種多點測量的光聲光譜氣體傳感器及測量方法，所述光聲光譜氣體傳感器由半導體激光源、光纖分束器、石英音叉、鎖相放大器構成，其中：半導體激光器輸出的激光束經光纖分束器分為N束激光后傳輸至N個石英音叉處，石英音叉將聲波信號轉化為電流信號傳輸至鎖相放大器。利用其實現微量氣體傳感測量的方法如下：步驟一、半導體激光源發射出的激光通過光纖分束器將激光束分為N束，N>1；步驟二、待測目標氣體吸收光纖分束器輸出的激光能量，產生聲波場，N個石英音叉接受聲波信號并轉化為電流信號，鎖相放大器對此電流信號進行解調，反演氣體濃度。本發明可以實現空間濃度場多點的同時測量，具有簡單易行、可靠性高、成本低的優點。
【IPC分類】G01N21/17, G01N21/01
【公開號】CN105510233
【申請號】CN201510984967
【發明人】馬欲飛, 于欣, 彭江波, 李旭東, 何應, 楊超博, 閆仁鵬, 樊榮偉, 董志偉, 陳德應
【申請人】哈爾濱工業大學
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月25日