石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统及其检测方法

本发明涉及激光气体传感器，尤其涉及一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统及其检测方法。

背景技术：

1、qepas技术(石英音叉增强型光谱技术)理论认为：符合待测气体吸收波长的激光照射待测气体，气体分子将吸收激光的能量，从低能级跃迁到高能级。激发到高能级的气体分子处于非稳定状态，通过受激辐射跃迁、自发辐射跃迁和无辐射跃迁三种途径回到低能级稳定状态，其中无辐射跃迁过程不会产生光子。该过程通过碰撞弛豫将能量转化为周围分子的热量，导致局部温度升高。当激光受到周期信号调制时，气体分子的热能也呈现周期性的变化，从而导致周期性的压力波-声波。通过声敏传感器进行声音信号采集，在qepas系统中将石英音叉作为探测声波的器件，它积累声波能量，通过自身材料的压电效应将声波信号转化为压电电流信号，采集石英音叉产生的压电电流信号，反演得到待测气体的浓度。

2、气体分子吸收光子产生的声波信号是非常微弱的，传播路径也分散，同时在空气阻尼的作用下迅速减弱，因此在qepas气体检测系统中在石英音叉周围放置一段或几段圆柱形金属管或玻璃管，改变声波的边界传播条件。声波在管中形成驻波，波腹位置声波加强，被称为声学微型共振管。一般通过改变谐振管的长度、管内直径等调整谐振管参数至最优。或者是非管状的声学谐振结构，目的也是通过测量调整至参数最优。qepas系统中，采用半导体激光器作为激光光源，输出波长对应气体吸收波长，通过光纤准直器将光从光纤输出至空间光，穿过声学微型共振管的中心和石英音叉的中心，光束中照射的气体产生周期性振动，被石英音叉探测采集，经由光电信号转换、锁相放大后电压数据被采集，反演计算气体浓度。为了确定光声池和声学微型共振管的最佳参数，需结合上述的光学探测过程，在一定浓度的气体环境中，测量锁相放大后的电压数据反演计算，经过波长调制光谱技术产生的二次谐波的谐波法2f峰值比较，确定光声池与光束的声音耦合效率，进而确定最佳参数。

3、在测量2f峰值时，峰峰值受到激光器输出波长长期波动影响、输出光功率波动、气体浓度波动、光束照射位置偏移照射到声学微型共振管的管壁上或石英音叉上，造成2f峰值易受干扰，无法准确测量。同时，石英音叉探测的是石英音叉所在位置的声压，不能测量谐振管是否存在特定2f频率的声音能量分布。石英音叉位置若处于声压接近零的位置，石英音叉无法测量此情况下的声压，进而无法测量此情况下的声音耦合效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统及其检测方法，用于解决现有的qepas系统检测声音微谐振管的耦合效率过程中，存在检测过程复杂、易受干扰以及部分情况下无法测量的问题。

2、本发明实施例的第一方面提供一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，包括：石英音叉、谐振结构、驱动设备、检测设备和计算模块；

3、至少一个所述谐振结构可活动地设于所述石英音叉的一侧；

4、所述驱动设备、所述石英音叉和所述检测设备依次电连接，且形成检测回路；所述驱动设备用于输出频率可调的正弦波电压信号，以使所述石英音叉发生谐振，所述石英音叉具有第一状态和第二状态，所述检测设备用于检测所述第一状态下输出的第一电压信号以及所述第二状态下输出的第二电压信号；

5、所述计算模块基于所述第一电压信号和所述第二电压信号，获取耦合效率；

6、其中，在所述第一状态下，所述石英音叉的周侧未设置所述谐振结构，在所述第二状态下，所述谐振结构位于距离所述石英音叉端部的预设位置处。

7、根据本发明的实施例，还包括调节机构；

8、所述谐振结构设置于所述调节机构，所述调节机构适于带动所述谐振结构沿水平方向运动以靠近或远离所述石英音叉，且适于带动所述谐振结构沿竖直方向运动，以使所述谐振结构位于距离所述石英音叉端部的预设位置处。

9、根据本发明的实施例，所述驱动设备包括数字信号发生器。

10、根据本发明的实施例，所述检测设备包括数字示波器。

11、本发明实施例的第二方面提供一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，基于上述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，检测方法包括：

12、石英音叉的周侧未设置谐振结构的情况下，驱动设备输出频率可调的正弦波电压信号以驱动所述石英音叉，检测设备检测输出的第一电压信号，基于所述第一电压信号获取谐振频率和第一电压峰峰值；

13、所述谐振结构位于距离所述石英音叉端部的预设位置处的情况下，所述驱动设备输出所述谐振频率下的正弦波电压信号，所述检测设备检测输出的第二电压信号，基于所述第二电压信号获取第二电压峰峰值；

14、基于所述第一电压峰峰值和所述第二电压峰峰值，获取耦合效率。

15、根据本发明的实施例，所述基于所述第一电压信号获取谐振频率和第一电压峰峰值具体包括：

16、以预设步长调节所述驱动设备的频率，采集多个电压峰峰值，确定所述多个电压峰峰值中的最大值为所述第一电压峰峰值；

17、确定所述第一电压峰峰值对应的频率为所述谐振频率。

18、根据本发明的实施例，所述获取耦合效率的步骤包括：

19、基于所述第二电压峰峰值和所述第一电压峰峰值的比值，获取损失能量率；

20、基于所述损失能量率获取所述耦合效率。

21、根据本发明的实施例，所述预设位置包括第一距离和第二距离；

22、所述第一距离为所述谐振结构靠近所述石英音叉的端面与所述石英音叉的表面之间的距离，所述第二距离为所述谐振结构的轴线距所述石英音叉端部的垂向距离；

23、所述第一距离大于0，且小于等于0.1mm；

24、所述第二距离的范围为1.5～2mm。

25、根据本发明的实施例，所述检测方法还包括：

26、设置所述谐振结构的预设内径范围；

27、所述检测设备检测所述预设内径范围内输出的第三电压信号，基于所述第三电压信号生成第一响应特征信息；

28、基于所述第一响应特征信息，获取所述谐振结构的最优内径值。

29、根据本发明的实施例，所述检测方法还包括：

30、设置所述谐振结构的预设长度范围；

31、所述检测设备检测所述预设长度范围内输出的第四电压信号，基于所述第四电压信号生成第二响应特征信息；

32、基于所述第二响应特征信息，获取所述谐振结构的最优长度值。

33、根据本发明实施例提供的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统及其检测方法，至少能够实现以下技术效果：驱动设备用于输出频率可调的正弦波电压信号以驱动石英音叉，检测设备用于检测石英音叉在第一状态下输出的第一电压信号以及在第二状态下输出的第二电压信号，进一步计算可获取谐振结构的耦合效率，整个系统简单，检测过程便捷，通过该检测系统可快速、准确获取谐振结构的耦合效率。

技术特征：

1.一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，其特征在于，包括：石英音叉、谐振结构、驱动设备、检测设备和计算模块；

2.根据权利要求1所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，其特征在于，还包括调节机构；

3.根据权利要求1所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，其特征在于，所述驱动设备包括数字信号发生器。

4.根据权利要求1所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，其特征在于，所述检测设备包括数字示波器。

5.一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，基于如权利要求1至4任一项所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统，所述检测方法包括：

6.根据权利要求5所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，所述基于所述第一电压信号获取谐振频率和第一电压峰峰值具体包括：

7.根据权利要求5所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，所述获取耦合效率的步骤包括：

8.根据权利要求5至7任一项所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，所述预设位置包括第一距离和第二距离；

9.根据权利要求8所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

10.根据权利要求8所述的石英音叉光声光谱谐振参数的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：

技术总结
本发明提供一种石英音叉光声光谱谐振参数的检测系统及其检测方法，检测系统包括：石英音叉、谐振结构、驱动设备、检测设备和计算模块；至少一个谐振结构可活动地设于石英音叉的一侧；驱动设备、石英音叉和检测设备依次电连接，且形成检测回路；驱动设备用于输出频率可调的正弦波电压信号，检测设备检测石英音叉在第一状态下输出的第一电压信号以及在第二状态下输出的第二电压信号；计算模块基于第一电压信号和第二电压信号，获取耦合效率；在第一状态下，石英音叉的周侧未设置谐振结构，在第二状态下，谐振结构位于距离石英音叉端部的预设位置处。本发明的检测系统，系统简单，检测过程便捷，可快速、准确获取谐振结构的耦合效率。

技术研发人员：常洋,谢亮,龚萍,鞠昱,尔知玄
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31