(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210171573.5 (22)申请日 2022.02.24 (71)申请人 山东省科学院激光研究所 地址 272071 山 东省济宁市高新区海川路 46号山东省科学院激光研究所综合楼 (72)发明人 张秦端　魏玉宾　杜晓萌　宫卫华　 张婷婷　王兆伟　李艳芳　王纪强　 (74)专利代理 机构 北京弘权知识产权代理有限 公司 11363 专利代理师 逯长明　许伟群 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/31(2006.01) G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种多气体 检测装置和方法 (57)摘要 本申请提供了一种多气体检测装置和方法， 该装置包括泵浦源、 波分复用器、 掺杂光纤、 气体 吸收池、 波长选择及调制模块、 透射式石英音叉 光探测模块、 前置放大器、 锁相放大器阵列和计 算机， 其中， 波长选择及调制模块能够同时生成 多种波长的光， 每种波长的光分别对应气体吸收 池中待测混合气体中的一种气体的吸收峰， 且每 种波长的光的调制频率各不相同。 通过设置波长 选择及调制模块和透射式石英音叉光探测模块， 实现了使用单石英音叉同时检测混合气体， 且将 石英音叉与气体吸收池隔开， 避免了受到待测气 体的腐蚀从而影 响检测结果准确性的问题， 提高 了品质因数， 该装置具有结构简单， 功率高， 光程 长， 精度高等优点。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 114563354 A 2022.05.31 CN 114563354 A 1.一种多气体检测装置， 其特征在于， 包括泵浦源、 波分复用器、 掺杂光纤、 气体吸收 池、 波长选择及调制模块、 透射式石英音叉光探测模块、 前置放大器、 锁相放大器阵列和 计 算机； 所述透射式石英音叉光探测模块包括石英音叉、 第一准直器、 第二准直器和透明玻璃 外壳， 所述第一准直器穿插于所述透明玻璃外壳的第一侧， 所述第二准直器穿插于与所述 透明玻璃外壳的第一侧相对的第二侧， 所述石英音叉被真空或者惰性气 体封装在所述透明 玻璃外壳中， 且位于所述第一准直器的内端与所述第二准直器的内端之间， 所述石英音叉 入射点的金属薄膜被化学腐蚀去除； 所述泵浦源的输出端光纤连接所述波分复用器的第 一输入端， 所述波分复用器的输出 端连接所述掺杂光纤， 所述掺杂光纤连接所述气体 吸收池的输入端， 所述气体 吸收池的输 出端光纤连接所述波长选择及调制模块， 所述波长选择及调制模块的输出端光纤连接所述 透射式石英音 叉光探测模块的输入端， 所述透射式石英音 叉光探测模块的光信号输出端光 纤连接所述波分 复用器的第二输入端， 所述透射式石英音 叉光探测模块的电信号输出端连 接所述前置放大器的输入端， 所述前置放大器的输出端连接所述锁相放大器阵列 的输入 端， 所述锁相放大器阵列的输出端 连接所述计算机， 所述气体吸收池充有待测混合气体， 所 述波长选择及调制模块能够同时生成多种波长的光， 每种波长的光分别对应所述待测混合 气体中的一种气体的吸 收峰， 且每种波长的光的调制频率各不相同。 2.根据权利要求1所述的一种 多气体检测装置， 其特征在于， 所述波长选择及调制模块 包括温控电流源、 M个激光器、 第一 光纤耦合器和第二 光纤耦合器， 其中， M为整数且M＞1； 所述M个激光器中的每个激光器的一端连接所述温控电流源， 所述M个激光器 中的每个 激光器的另一端光纤连接所述第一光纤耦合器的输入端， 所述第一光纤耦合器的输出端光 纤连接所述第二光纤耦合器20％的输入端， 所述第二光纤耦合器的输出端光纤连接所述透 射式石英音叉光探测模块的输入端， 所述气 体吸收池的输出端光纤连接所述第二光纤耦合 器的80％的输入端。 3.根据权利要求1所述的一种 多气体检测装置， 其特征在于， 所述波长选择及调制模块 包括N个光栅、 N个压电陶瓷、 压电陶瓷驱动器和环形器， 其中， N 为整数且N>1； 所述压电陶瓷驱动器分别连接所述N个压电陶瓷并对所述N个压电陶瓷进行驱动控制， 所述N个压电陶瓷中的每个压电陶瓷上固定有所述N个光栅中的一个光栅， 所述N个光栅中 的第一个光栅光纤连接所述N个光栅中的第二个光栅， 所述N个光栅中的第二个光栅光纤连 接所述N个光栅中的第三个光栅， 以此类推， 所述N个光栅中的第n个光栅光纤连接所述N个 光栅中的第n +1个光栅， n为整数且1≤n≤N ‑1， 所述气体吸收池的输出端光纤连接所述环形 器的输入端， 所述环形器的中间端光纤连接所述第一个光栅， 所述环形器的输出端光纤连 接所述透射式石英音叉光探测模块的输入端。 4.根据权利要求2所述的一种多气体检测装置， 其特征在于， 所述M个激光器输出光的 波长和调制频率各不相同， 其中， 每个激光器输出光的波长对应所述待测混合气体中的一 种气体的吸收峰， 所述M个激光器输出光的调制频率为所述石英音叉 的频率响应曲线内相 应频率的一半。 5.根据权利要求3所述的一种多气体检测装置， 其特征在于， 所述N个光栅的中心波长 各不相同， 且所述N个压电陶瓷受到的驱动频率各不相同， 其中， 每个光栅的中心波长对应权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114563354 A 2所述待测混合气体中的一种气体的吸收峰， 所述N个压电陶瓷中的每个压电陶瓷受到的驱 动频率为所述第一石英音叉的频率响应曲线内相应频率的一半。 6.一种多气体检测方法， 其特征在于， 利用权利要求1 ‑5中任一项所述的多气体检测装 置， 所述方法包括： 步骤S1： 连接所述多气体检测装置， 打开该装置中器件的电源， 向所述气体吸收池中注 入所述待测混合气体； 步骤S2： 使所述波长选择及调制模块同时生成多种波长的光， 每种波长的光分别对应 所述待测混合气体中的一种气体的吸 收峰， 且每种波长的光的调制频率各不相同； 步骤S3： 所述装置腔内形成的不同调制频率的光在所述气体吸收池中被不同气体分子 吸收， 引起光 强衰减， 所述不同调制频率的光多次穿过所述石英音 叉腐蚀点， 在所述石英音 叉上形成不同调制频率的温度场， 由于光致热弹性效应， 引起所述石英音叉振动产生不同 频率的压电电流信号， 所述前置放大器将不同频率的压电电流信号转换为不同频率的电压 信号， 所述锁相放大器阵列分别对不同频率的电压信号进行解调， 从而在所述计算机上反 演出不同气体的浓度； 步骤S4： 信号处 理完毕， 关闭电源。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 在利用权利要求2所述的多气体检测装置 的情况下， 步骤S2还 包括： 使用所述温控电流源分别控制所述M个激光器的输出波长和调制频率， 使每个激光器 的输出波长包含一种气体的吸收峰， 每个激光器之间的调制频率各不相同， 且各自对应于 所述石英音叉的频率响应曲线内相应频率的一半。 8.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 在利用权利要求3所述的多气体检测装置 的情况下， 步骤S2还 包括： 使所述压电陶瓷驱动器产生锯齿波作为低频扫描信号， 使所述压电陶瓷驱动器产生正 弦波作为高频调制信号， 低频扫描信号和高频调制信号相加后作为所述N个压电陶瓷的驱 动信号， 引起所述N个压电陶瓷分别以不同频率拉伸各自对应的光栅， 以使不同光栅生 成的 光的调制频率 不同。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114563354 A 3