技术摘要：
本发明提供了一种基于光声效应的气体检测系统及方法，所述检测系统包括冷肼预浓缩装置、气体吸收腔、垂直腔面发射激光二极管、微针悬臂梁探测系统、信号处理系统以及控制系统。本发明利用冷肼预浓缩装置去除了待测气体中水分的干扰，提高了待测气体浓度，气体吸收光后  全部
背景技术：
气体浓度的快速准确检测是安全生产、环境监测、工业控制等领域内必不可少的 关键环节，在工业生产、医疗等诸多行业都有着广泛的应用。在医疗健康领域，人体呼出气 体中的挥发性有机化学物质（VOC）的测量作为目前一种无创检测技术，适合于在健康人群 中对先兆病人进行筛查，因此受到了越来越多的重视，相应的气体传感器研究也受到了极 大地重视。 目前，现在的气体检测技术和方法，存在吸收池体积比较大，在样品量比较少的情 况不易测得有效数据的问题。于此同时，一些大分子的有机气体由于吸收谱较宽，吸收系数 比较小，吸收峰不明显，不容易测出有效的差量信号。此时，气体虽然对相应波段的光有强 烈的吸收，但是无法产生有效的二次谐波，这种气体很难通过可调谐半导体吸收光谱和光 声光谱技术测量出来，有一定的应用局限性。 光声效应描述的是光与物质之间的相互作用，当入射光激励源进行强度调制时， 待测气体的周期性无辐射弛豫将使其温度呈现同频率周期性变化。当光源脉宽比较窄时会 发生绝热膨胀，将热能转化为机械波，声波的主频为光调制频率。然而，以往的光声光谱系 统主要采用石英音叉，灵敏度较低，因此如何利用光声效应实现气体的高灵敏度检测具有 重要的研究意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于光声效应的气体检测系统及方法，以解决现有装 置光谱特征识别较难，检测灵敏度低，响应时间长，光电传感器响应带宽有限的问题。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于光声效应的气体检测系统， 包括： 冷肼预浓缩装置，用于去除待测气体中的水分，从而获得浓缩的待测气体分子，在所述 冷肼预浓缩装置的前端设有待测气体入口； 气体吸收腔，为密闭腔体，在腔体一端设有激光入射口，在激光入射口处设有光隔离 器，所述腔体的另一端为弹性薄膜，在腔体的侧壁上设有进气口、出气口、压力监测口以及 压力控制口，所述进气口与所述冷肼预浓缩装置相连通，在所述进气口和出气口处均设有 单向阀，在所述出气口和压力控制口处均设有真空泵，在所述压力监测口处设有气体压力 传感器； 激光二极管，设于所述气体吸收腔的左侧，所述激光二极管由激光驱动器控制，并产生 中心波长为待测气体吸收峰处的激光，激光可通过激光入射口进入气体吸收腔中； 微针悬臂梁探测系统，设于所述气体吸收腔的右侧，包括悬臂梁音叉以及设于悬臂梁 4 CN 111595786 A 说　明　书 2/5 页 音叉顶端的微针，微针的针尖与弹性薄膜距离若干纳米，所述悬臂梁音叉通过微针检测气 体吸收腔弹性薄膜所产生的微弱振动，并通过跨阻放大将振动信号转化为电压信号并传递 给信号处理系统； 信号处理系统，与所述微针悬臂梁探测系统相连，用于根据悬臂梁音叉所检测到的振 动信号，计算得到气体吸收腔中待测气体的浓度信息； 控制系统，分别与激光驱动器、出气口和压力控制口处的真空泵以及信号处理系统相 连，用于控制激光驱动器、对应真空泵的运行，同时对信号处理系统所得的数据进行分析。 所述冷肼预浓缩装置内的温度为-30℃，所述待测气体入口处设有待测气体收集 装置。 所述气体吸收腔为长度为4  cm、宽度为3cm、高度为2cm的长方体不锈钢腔体，在所 述激光二极管与气体吸收腔之间设有楔形窗。 用于待测气体检测的激光二极管的波长可调谐，可通过加载特定频率的锯齿波调 制波形实现波长调谐，激光二极管的工作电流小于10  mA，功率不超过10  mW。 所述悬臂梁音叉由具有压电效应的U型臂构成，其中，在U型臂的一个臂的顶端固 定所述微针，微针为微型的钨针，钨针的轴向与悬臂梁音叉的振动方向平行。 通过加载悬臂梁音叉本振频率的正弦电压信号使其处于简谐振动，微针受到气体 吸收腔弹性薄膜的作用力后，悬臂梁音叉振动幅值、频率、相位状态发生变化，通过提取变 化信号获得待测气体吸收光后的绝热膨胀量。 一种基于光声效应的气体检测方法，包括以下步骤： a、设置上述的检测系统；启动所述检测系统，通过控制系统将气体吸收腔抽至真空-50  kPa，待测气体经冷肼预浓缩装置除去水分干扰后进入气体吸收腔中； b、通过激光驱动器产生并发射加载有正弦波的锯齿波信号，并驱动激光二极管输出中 心波长为待测气体吸收峰处的激光，光束照射到气体吸收腔后，待测气体吸收光能通过绝 热膨胀转化为声波，引起腔面弹性薄膜振动，通过微针悬臂梁探测系统来检测气体吸收腔 内气体光声效应产生的微小振动，并将所得的信号输送至信号处理系统进行处理； c、信号处理系统通过锁相放大器提取二次谐波信号的幅值，并计算得到待测气体浓度 随时间变化的波形图； d、控制系统控制对应真空泵，将待测气体排出，并进行下一个周期的测量。 测量前需测定气体吸收腔中充入氮气后所产生的二次谐波的幅值，并计算出氮气 的吸收进行背景扣除。 在测量过程中，需监测气体吸收腔内的压力和温度，并保持气体吸收腔的压力和 温度稳定在预先设定的目标值。 与现有技术相比，本发明有以下有益效果： （1）对于丙酮、氨气等大分子气体，其吸收带较宽，吸收峰差别不大，无法测量出差量信 号，采用传统的激光光谱，探测灵敏度比较差。本系统利用高品质因数微针悬臂梁音叉和锁 相放大器实现光声信号的低噪声、高灵敏度探测，与现有方法相比，本发明可以获得更高的 检测灵敏度。 （2）通过光声光谱测量系统和微型悬臂梁进行结合，利用音叉谐振状态频率及幅 值、相位的变化检测nm级表面的扰动，通过激光波长扫描可以实现气体分子的调谐光谱测 5 CN 111595786 A 说　明　书 3/5 页 量。本发明可间接获得气体浓度及对特定波长红外光的吸收系数，具有更宽的响应频带、更 高的检测精度和灵敏度。 （3）与传统光声光谱技术结合，通过测量气体光声效应所激发的声信号强度间接 获得气体对特定波长红外光的吸收信息，该系统可以针对低样本量测量，同时具备信噪比 高、成本低、体积小、功耗低等优点，具备发展成便携仪器的潜力。 附图说明 图1为本发明检测方法流程图。 图2为基于光声效应检测系统的结构示意图。 图3为基于微针悬臂梁音叉的痕量气体光声光谱检测原理图。 图4为微针悬臂梁音叉电压激励及探测电路原理图。 图中：1、气体吸收腔；2、弹性薄膜；3、待测气体入口；4、出气口；5、压力控制口；6、 压力监测口；7、激光二极管；8、光隔离器；9、微型悬臂梁探测系统；10、控制系统；11、冷肼预 浓缩装置；12、激光驱动器；13、信号处理系统；14、进气口；15、待测气体；16、微针。