泛頻增強光聲光譜測聲器及採用該測聲器的氣體探測裝置的製作方法

2023-04-26 11:25:01 1

本發明涉及氣體傳感技術，具體為一種泛頻增強光聲光譜測聲器及採用該測聲器的氣體探測裝置。

背景技術：

光聲光譜技術作為一種新型光譜探測技術以其零吸收背景，高選擇性、高探測靈敏度等優點被廣泛運用於環境保護、工業過程控制、精細農業生產、醫療診斷等各個行業。當一束被調製的雷射穿過待測樣品時，若雷射的波長與樣品的吸收線相吻合時，雷射能量就會被樣品吸收，而吸收了光能量的樣品分子由基態躍遷到激發態。由於激發態的不穩定性，樣品分子會通過各種途徑釋放能量並向基態躍遷。如果樣品分子向外輻射光子並躍遷到基態，此時為輻射躍遷。如果樣品分子通過碰撞退激發，此時為無輻射躍遷。光聲光譜就是無輻射躍遷的一種，處於激發態的樣品分子通過碰撞而引起周圍的氣體局部溫度周期性變化，進而產生壓力波向四周傳遞，此壓力波即為聲波。通過聲波換能器探測聲波壓力並將其轉化為電信號就能反演待測樣品的濃度，這就是光聲光譜用於氣體檢測的原理。

傳統的光聲光譜中聲波換能器為高靈敏麥克風，它的缺點是麥克風的響應帶寬很寬，使得除了包涵氣體濃度信息以外的環境噪聲容易被帶入到探測系統中。2002年美國萊斯大學的雷射科學組發展了一種新型光聲光譜技術叫做石英增強光聲光譜技術，該技術採用一個商用的固有頻率為～32kHz的音叉式石英晶振(簡稱音叉)來代替寬帶麥克風，充當聲波換能器。石英增強光聲光譜裝置中，雷射被聚焦通過音叉式石英晶振的振臂間隙，當待測樣品吸收雷射能量並產生聲波後，音叉式石英晶振的振臂受到聲波激勵後，振臂會往復振動。當該音叉式石英晶振的兩支振臂受到聲波的推動時音叉式石英晶振通過壓電效應，把振動轉化為輸出電流，然後用前置放大器將電流提取出來，再通過信號後處理反演出所需的氣體濃度信息。音叉式石英晶振有三個優點：第一，它只在固定的頻率～32kHz附近有響應，對其它頻段的聲音的響應微弱，這造就了基於音叉式石英晶振的傳感器有很高的環境噪聲免疫能力；第二，它擁有極高的Q值，高Q值在光聲光譜技術中意味著更高的信號峰值，利於提高信噪比；第三，音叉式石英晶振只有在對稱振動模式(音叉的兩隻振臂向相反的方向做往復運動)下才能產生電流，而兩個振臂做同向運動時不產生電流，因此這更進一步減小了來自音叉外部的噪聲幹擾。

傳統的石英增強光聲光譜測聲器採用商用的固有頻率為32kHz，振臂間隙約為300μm的音叉石英晶振。為了提高音叉式石英晶振探測靈敏度，聲學諧振腔(AmR)被配置到音叉式石英晶振上來限制聲波並形成共振增強效果。由音叉和聲學諧振腔組成的整體稱作光譜測聲器。典型的光譜測聲器配置採用兩根不鏽鋼毛細管作為諧振腔垂直安裝在音叉式石英晶振的兩側來限制聲波。科研結果表明，聲學諧振腔的長度對光譜測聲器的性能有重要的影響，最佳的聲學諧振腔長度是介於λ和λ/2之間，其中λ為聲波波長。對於商用的32kHz音叉，聲波頻率為32kHz，對應的最佳諧振腔長大約為9mm。在石英增強光聲光譜裝置中必須考慮的一點是，諧振腔的腔長會帶來光束準直問題，光束與音叉以及諧振腔表面的任何接觸會產生很強的本底噪聲，從而影響探測信噪比。

基於商用32kHz的石英增強光聲光譜測聲器在近紅外區域表現良好，其中分布反饋式DFB半導體雷射器以及外腔可調諧雷射二極體等光束質量較好的光源通常被用作激發光源。然而，當激發光源的發散角較大或者光束質量較差，例如採用LED或者中紅外量子級聯雷射器時(QCL)等光源作為光聲信號的激勵源時，激發光很難準直通過32kHz音叉的300μm振臂間隙，因為會產生很強的本底噪聲。同時，32kHz商用音叉不能適用於太赫茲(THz)光源，因為太赫茲的波長最高可比近紅外波長2個數量級，其最小光束直徑通常為400-500μm。為了解除32kHz商用音叉的振臂間隙限制，科研人員設計了振臂間隙為700-1000μm的定製大音叉。義大利光子與納米技術研究所的Borri教授率先設計了共振頻率為4.2kHz，振臂間隙為1mm的定製音叉，並將該音叉結合太赫茲雷射器來探測甲醇。但是頻率為4.2kHz的聲波對應的波長高達81mm，如此長的聲波波長導致了激發光束無法準直通過聲學諧振腔，從而限制了探測靈敏度。山西大學雷射光譜研究所的董磊教授設計了一種共振頻率為7.2kHz，振臂間隙約為800μm的定製音叉。在基於該7.2kHz定製音叉的光譜測聲器中，兩根內徑為1.3mm的不鏽鋼毛細管分別被配置到定製音叉的兩側來提高聲波耦合效率。相比於沒有配備聲學諧振器的音叉，獲得了40倍的信噪比增益因子。雖然如此，頻率為7.2kHz的聲波對應的波長依然高達46mm，這對於激發光光束準直和光譜測聲器裝配都是很大的挑戰。在最近的研究中，一種新穎的單管共軸配置石英增強光聲光譜被提出，通過提高諧振腔聲波耦合效率來增強探測靈敏度並縮短諧振腔的腔長來解決光束準直問題。由於7.2kHz定製音叉的振臂間隙達到了800μm，該條件允許將一根外徑小於800μm的不鏽鋼毛細管插入到音叉振臂間隙作為聲學諧振腔，從而避免了在音叉的兩側分別放置兩根不鏽鋼毛細管的配置方式。聲波在這種單管配置中積累，並形成了準駐波，從而將最優化腔長縮短至38mm並且將諧振腔的信噪比增益因子提高到100。然而38mm的最優腔長仍然比基於32kHz商用音叉的諧振腔長大約4倍。

因此在使用基於定製大音叉的石英增強光聲光譜測聲器時，在單管共軸配置石英增強光聲光譜的基礎上如何進一步縮短聲學諧振腔的長度，使之易於光學準直，並提高諧振腔和音叉之間的聲波耦合效率成了必須要解決的技術問題。

音叉式石英晶振包括一對通過下部固定在一起、間隔一定且豎直設置的振臂，兩振臂相對的一面稱作內側面，與內側面相對的一面稱為外側面；內、外側面的法線方向與振動方向平行；振臂上與振動方向垂直的兩個豎直面稱為振臂面。

技術實現要素：

本發明為解決目前單管共軸石英增強光聲光譜測聲器中聲學諧振腔長度過長、難以進行光學準直的技術問題，提供一種泛頻增強光聲光譜測聲器及採用該測聲器的氣體探測裝置。

本發明所述的泛頻增強光聲光譜測聲器是採用如下技術方案實現的：一種泛頻增強光聲光譜測聲器，包括基頻頻率為2.8kHz、第一泛頻頻率為17.7kHz的音叉式石英晶振以及與音叉式石英晶振採用單管共軸方式配置的諧振腔；音叉式石英晶振的第一引腳接地，第二引腳輸出光聲信號；所述音叉式石英晶振的振臂間隙g為700μm，振臂長L為17mm，厚度T為1mm，叉指寬度w為0.25mm；所述諧振腔採用不鏽鋼毛細管制成，該不鏽鋼毛細管的內徑和外徑分別為0.62mm和0.98mm；所述諧振腔的中部外徑被打磨到650μm，諧振腔被插入到音叉式石英晶振的兩個振臂之間且諧振腔中部被打磨的位置位於音叉式石英晶振的振臂間隙處；諧振腔的軸線與音叉式石英晶振的振臂面垂直，諧振腔中部兩側被打磨處各開了一條寬度為90μm，長度為200μm的狹縫；所述諧振腔的長度為9.5mm～19mm，諧振腔的軸心與音叉式石英晶振振臂底部的垂直間距h為7mm。

目前常用的32kHz的商用音叉式石英晶振的基頻為32768Hz，其第一泛頻帶頻率>200kHz，並且振動幅度非常弱，所以在基於32kHz商用音叉的石英增強光聲光譜中很少使用音叉的泛頻帶。在使用定製的音叉式石英晶振時，通過降低設計定製音叉式石英晶振的基頻頻率從而降低其泛頻頻率，可以有效地將定製音叉式石英晶振的泛頻振動用於石英增強光聲光譜中。更重要的是，通過優化設計定製音叉的振臂參數，可以使定製音叉式石英晶振的泛頻帶振動幅度大於基頻振動幅度，從而利於增強信號。

本發明所述的泛頻增強光聲光譜測聲器(泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器)採用了一個基頻頻率為2.8kHz、第一泛頻頻率為17.7kHz的音叉式石英晶振(定製音叉)和單管共軸配置。音叉式石英晶振的示意圖如圖1、2所示，音叉式石英晶振的振臂間隙g約為700μm，振臂長L為17mm，厚度T為1mm，叉指寬度w為0.25mm。根據公式其中E為石英的楊氏模量，ρ為石英密度。當n＝1.194時，得到的是音叉的基頻頻率f0；當n＝2.988時得到的是第一泛頻頻率f1。音叉式石英晶振的共振頻率f和Q值可以通過以下實驗方法測得：函數發生器產生幅值固定、頻率變化的正弦波，將此正弦波輸入到音叉式石英晶振的一個引腳上，而從音叉另一個引腳輸出的信號被接入到鎖相放大器的輸入端。改變函數發生器正弦波的頻率，使之掃描過音叉的共振頻率，鎖相放大器記錄音叉相應頻率的輸出電壓，得到音叉的頻率響應曲線。通過對音叉頻率響應曲線的擬合可以得到音叉的基頻振動參數為f0＝2.868kHz,Q0＝5800,R0＝721kΩ，第一泛頻帶振動參數為f1＝17.741kHz,Q1＝12553,R1＝162kΩ。

兩個主要的損耗機制——外部損耗和內部損耗，決定了音叉Q值大小。外部損耗是由於音叉振臂與周圍介質的相互作用。內部損耗包括支持損耗、表面損耗、容積損耗和熱彈損耗。音叉的基頻振動能夠被看作是音叉頂部的一個單點振子，支持損耗能夠被忽略，這樣音叉的Q值能夠用音叉的幾何參數來表示～wT/L；而在音叉的第一泛頻振動中，音叉Q值基本由支持損耗決定，正比於(1/n2)(L/T)3。通過音叉振臂參數優化設計，增加L/T值可以減小音叉根部的支持損耗，從而使泛頻帶獲得比基頻帶大2倍的Q值。本申請所述的音叉式石英晶振配備的諧振腔由一根完整的不鏽鋼毛細管組成，該毛細管的內徑和外徑分別為0.62mm和0.98mm。該單管諧振腔被插入到音叉兩振臂之間來組成單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器，示意圖如圖3所示。諧振腔的中部(waist thickness)被打磨到650μm，使諧振腔的外徑小於音叉的振臂間隙，如圖4、5所示。諧振腔中部兩側各開了一條寬度為90μm，長度為200μm的狹縫，聲波通過此狹縫傳遞到音叉振臂的內側，從而推動音叉振動輸出電信號。

本發明所述的氣體探測裝置是採用如下技術方案實現的：一種氣體探測裝置，包括一個函數發生器，函數發生器的調製信號輸出端連接有雷射器驅動板，雷射器驅動板驅動一個DFB雷射器；所述DFB雷射器的出射光路上設有透鏡組；還包括一個位於透鏡組的出射光路上的光譜測聲裝置；所述光譜測聲裝置包括一個微型氣室以及設在微型氣室內部的泛頻增強光聲光譜測聲器；所述音叉式石英晶振的第一引腳連接到地線；音叉式石英晶振的第二引腳通過前置放大器連接有一個鎖相放大器；還包括計算機；鎖相放大器的信號輸出端與計算機的一個信號輸入端相連接；所述函數發生器的同步信號輸出端與鎖相放大器的同步信號輸入端相連接。

本發明所述的基於泛頻增強光聲光譜測聲器的氣體探測裝置如圖6所示。中心波長為1.37μm的單模連續波分布反饋式半導體雷射器(DFB)被用作激發光源來產生光聲信號。函數發生器產生低頻鋸齒波並輸入到雷射器驅動上來掃描雷射器的波長。此鋸齒波上疊加了一個頻率為f/2的正弦信號，其中f是測聲器所採用音叉的基頻或第一泛頻頻率。雷射器的輸出光被光纖耦合器準直並使之穿過光譜測聲器。光譜測聲器輸出的壓電信號首先被一個自製的跨阻抗前置放大器處理，放大器中的反饋電阻約為10MΩ。前置放大器輸出的信號被輸入到鎖相放大器中進行調製解調，鎖相放大器的時間常數設為1s，濾波帶寬為12dB/octave,對應的鎖相放大器探測帶寬為Δf＝0.25Hz。一臺裝有數據採集卡的電腦被用來採集和記錄數據。大氣中的水蒸氣被選作待測樣品來評估該測聲器的性能。根據HITRAN資料庫，水7303.23cm-1的吸收線被選作目標吸收線，其線強為8.05×10-22cm/mol。空氣中的水含量通過直接吸收光譜實時測量確定。

首先本申請所述的定製音叉在基頻振動模式和泛頻振動模式下分別被用來探測空氣中的水蒸氣含量。雷射光纖準直器被安裝在一個XYZ三維平移臺上來掃描激發光的作用位置。如圖4、5所示，雷射作用位置沿Z軸從音叉根部掃描至頂部開口處，雷射作用的位置相對音叉根部(也就是振臂底部)的距離記為h，見圖1，相應的音叉探測信號被記錄。經過水汽濃度歸一化後，音叉的輸出信號作為h的函數被顯示在圖7中。當音叉被操作在基頻振動模式下時，其探測信號最大的位置是h＝15mm，而不是力矩最大的音叉頂端。這是由於柱狀聲波容易從音叉頂端洩露，到導致聲波無法100％有效與音叉作用的結果。初始階段信號的輕微上升是由於雷射光束距離音叉根部較近，產生了光熱效應。當音叉操作在泛頻振動模式下時，探測信號產生了兩個節點分別在h＝7.5mm和h＝16mm處，而且h＝7.5mm處獲得的探測信號幅值比h＝16mm處大2倍。相比於基頻振動模式，該定製音叉操作在第一泛頻振動模式下所獲得的信號幅值大8倍。該實驗測試中對應於音叉工作在基頻振動和泛頻振動，雷射的最優調製深度分別為0.35cm-1和0.44cm-1。

在給音叉配備聲學諧振腔時，泛頻增強光聲光譜測聲器中聲學諧振腔安裝的垂直位置對探測信號的幅值有著重要影響。申請人利用3D印表機列印一組不同高度的安裝支架，通過支架可以將聲學諧振腔安裝在不同的高度h上，h如圖1所示。對於定製音叉的基頻振動頻率和第一泛頻振動頻率分別為2.8kHz和17.7kHz，相應的聲波波長為120mm和19mm。120mm對於微型聲學諧振腔而言是難以準直的，因此傳統的基頻操作模式不適用於基於定製音叉單管共軸配置。本發明中申請人將結合泛頻振動模式和單管共軸石英增強光聲光譜的測聲器稱為泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器。在研究泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜光譜測聲器中h與測聲器信號幅值的問題時，諧振腔的長度被設置為聲波半波長，即9.5mm。諧振腔的垂直安裝位置h對光譜測聲器探測信號的幅值和Q值的影響被畫在圖8中。類似於不加諧振腔的音叉，操作在泛頻模式下的單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器獲得的探測信號幅值在h＝7mm和16.5mm分別出現極大值，同時相應的位置單管共軸配置石英增強光聲光譜光譜測聲器Q值出現極小值，表明了h＝7mm和16.5mm處聲學諧振腔和音叉的耦合效率最高。結果顯示當諧振腔長為9.5mm，垂直安裝高度為7mm時，相比於無諧振腔的定製音叉，單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器將探測信號的幅值提高了約10倍。

諧振腔的長度在光譜測聲器中有著重要影響，考慮諧振腔中部的開口以及駐波的形成條件，實驗上最優的諧振腔長介於λ和λ/2之間。在研究諧振腔長對泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜光譜測聲器的性能影響時，諧振腔的垂直安裝高度被固定在h＝7mm，諧振腔的長度從19mm(λ)變化到9.5mm(λ)。圖9展示了諧振腔長度和泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜探測信號幅值的關係，其中數據點被洛倫茲擬合。當諧振腔長度為14.5mm時，泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器的信號幅值獲得極大值4.6mV。該幅值相比於腔長為9.5mm的單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器信號幅值提高了5倍，相比於無聲學諧振腔的定製音叉提高了約50倍。

參數最優的泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器(h＝7mm，腔長14.5mm)和無諧振腔操作在基頻模式下的定製音叉獲得的二次諧波信號被畫在圖10中。泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器獲得的信號幅值為4.6mV，大約是無諧振腔音叉信號幅值的380倍。通過調諧雷射器的波長，使激發光的波長偏離水汽的目標吸收線，可以得到光譜測聲器的1σ噪聲。對於泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器和無諧振腔的定製音叉σ噪聲分別為2μV和1.6μV。在使用該泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器對空氣中水蒸氣進行測量時，所用雷射器的輸出光功率為23mW，在探測信噪比為2300，得到的歸一化等效噪聲吸收係數為

對痕量氣體進行檢測時，先選定與光源的中心波長接近的目標探測線。通過DFB雷射器的溫控電路鎖定雷射器溫度，通過控制驅動電流，使雷射器的波長掃過目標吸收線。具體的是採用二次諧波探測技術，雷射器的電流被函數發生器發生的f1/2信號頻率調製，其中f1為所用音叉的第一泛頻。待測氣體被雷射激發後，退激發產生的聲波信號被第一泛頻為f1的音叉式石英晶振採集並將其轉化為相應的電信號。電信號依次經過前置放大器、鎖放，然後通過數據採集卡進入計算機系統。數據經過軟體計算後，最終將氣體濃度信息以人機互動式界面顯示在屏幕上。所述的相應軟體為本領域技術人員的公知技術，是易於編寫的。對某種氣體進行測量時，應事先通過已知濃度的標準氣進行定標，標定後的裝置就能對該種氣體進行測量。所述的標定方法為本領域技術人員所公知的技術，所用的前置放大器、鎖相放大器均為本領域的常用儀器，有多種型號可供選擇，所述的DFB雷射器根據待測氣體的波長可以方便採購。

本發明的有益效果是：一、設計了一種泛頻增強型的單管共軸石英增強光聲光譜測聲器，通過對音叉式石英晶振的振臂參數優化設計，使音叉式石英晶振同時具有較低的共振頻率f和較高的Q值，並使該音叉的第一泛頻振動幅度高於其基頻振動幅度，從而使音叉泛頻能夠適用於石英增強光聲光譜技術。二、音叉第一泛頻遠高於其基頻頻率，當光譜測聲器操作在泛頻帶模式下時，諧振腔的腔長被大大縮短，利於光學準直，減小了光譜測聲器尺寸。三、將一個完整的單管聲學諧振腔插入到音叉式石英晶振的振臂間隙，形成泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器。單管聲學諧振腔的兩側開有狹縫，使聲波通過狹縫推動音叉式石英晶振的振臂振動而產生電信號。這種單管的共軸配置大大提高聲波耦合效率，提高探測信噪比。

附圖說明

圖1為音叉式石英晶振主視結構示意圖。

圖2為音叉式石英晶振側視結構示意圖。

圖3為泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器立體結構示意圖。

圖4為單管共軸諧振腔的側視結構示意圖。

圖5為單管共軸諧振腔的俯視結構示意圖。

圖6為基於泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器的實驗裝置圖：

1-函數發生器，2-雷射器驅動板，3-DFB雷射器，4-透鏡組，5-光譜測聲裝置，51-入射窗口，52-出射窗口，53-進氣口，54-出氣口，55-泛頻增強光聲光譜測聲器，56-微型氣室，6-功率計，7-機械泵，8-氣體流量控制閥，9-壓力計，10-濾芯，11-地線，12-第一引腳，13-第二引腳，14-前置放大器，15-鎖相放大器，16-計算機。

圖7為定製音叉工作在基頻振動模式(a)和泛頻振動模式(b)下，雷射作用位置與音叉信號幅值的關係。

圖8為泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器中諧振腔不同垂直安裝高度h對測聲器信號幅值以及Q值的影響；(a)為對信號幅值的影響，(b)為對測聲器Q值的影響。

圖9為泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器的信號幅值隨著聲學諧振腔(AmR)長度變化的示意圖。

圖10為泛頻增強型單管共軸配置石英增強光聲光譜測聲器獲得的二次諧波信號與無諧振腔的音叉獲得二次諧波信號對比。

具體實施方式

一種泛頻增強光聲光譜測聲器，包括基頻頻率為2.8kHz、第一泛頻頻率為17.7kHz的音叉式石英晶振以及與音叉式石英晶振採用單管共軸方式配置的諧振腔；音叉式石英晶振的第一引腳12接地，第二引腳13輸出光聲信號；所述音叉式石英晶振的振臂間隙g為700μm，振臂長L為17mm，厚度T為1mm，叉指寬度w為0.25mm；所述諧振腔採用不鏽鋼毛細管制成，該不鏽鋼毛細管的內徑和外徑分別為0.62mm和0.98mm；所述諧振腔的中部外徑被打磨到650μm，諧振腔被插入到音叉式石英晶振的兩個振臂之間且諧振腔中部被打磨的位置位於音叉式石英晶振的振臂間隙處；諧振腔的軸線與音叉式石英晶振的振臂面垂直，諧振腔中部兩側被打磨處各開了一條寬度為90μm，長度為200μm的狹縫；所述諧振腔的長度為9.5mm～19mm，諧振腔的軸心與音叉式石英晶振振臂底部的垂直間距h為7mm。

所述諧振腔的長度為14.5mm。

一種氣體探測裝置，包括一個函數發生器1，函數發生器1的調製信號輸出端連接有雷射器驅動板2，雷射器驅動板2驅動一個DFB雷射器3；所述DFB雷射器3的出射光路上設有透鏡組4；還包括一個位於透鏡組4的出射光路上的光譜測聲裝置5；所述光譜測聲裝置5包括一個微型氣室56以及設在微型氣室56內部的泛頻增強光聲光譜測聲器55；所述音叉式石英晶振的第一引腳12連接到地線11；音叉式石英晶振的第二引腳13通過前置放大器14連接有一個鎖相放大器15；還包括計算機16；鎖相放大器15的信號輸出端與計算機的一個信號輸入端相連接；所述函數發生器1的同步信號輸出端與鎖相放大器15的同步信號輸入端相連接。

所述微型氣室56的出射光路上設有功率計6，功率計6的信號輸出端與計算機16的另一個信號輸入端相連接。功率計6被放置在光譜測聲裝置的出射窗口處來探測出射光的功率。

在對某種氣體進行測量時，事先通過已知濃度的該種氣體對測量裝置進行標定，標定後的裝置就能對該種氣體進行測量。

函數發生器1的一個調製頻率為f1的正弦波送到雷射器驅動板2上，雷射器驅動板2可以調節控制DFB雷射器3的注入電流和溫度。DFB雷射器3的發射中心波長對應待測氣體的目標吸收線。DFB雷射器3發出的光經過透鏡組4進行光學整形後進入光譜測聲裝置5。其具體過程為，準直光束先穿過由CaF2製成的入射窗口51，然後進入QEPAS傳感組件。所用的QEPAS傳感組件為泛頻增強光聲光譜測聲器55(基於泛頻增強單管共軸配置的石英增強光聲光譜測聲器)，如圖3所示。由QEPAS傳感組件出射的光束通過微型氣室56的出射窗口52出射，其中微型氣室56的入射窗口51和出射窗口52以約為5°的角度傾斜安裝以避免幹涉現象發生。由出射窗口52出射的光進入功率計6，對其進行功率探測。微型氣室56有一個進氣口53和一個出氣口54可以保證待測氣體可以順暢進入微型氣室56，測量時氣體在微型氣室56內均勻混合。出氣口54與一個帶有氣體流量控制閥8的機械泵7相連，進氣口53順次和壓力計9和濾芯10相連。當機械泵7工作時，外界氣體通過濾芯10去除雜質後被吸入微型氣室56，整個氣路的壓力被壓力計9測量，氣體流速被氣體流量控制閥8控制。由DFB雷射器3發出的激發光激發待測氣體產生聲波，聲波推動音叉振動進而產生電信號並由第二引腳13輸出。電信號第一步經過前置放大器14進行信號放大和處理，然後送入到鎖相放大器15進行二次諧波解調。鎖相放大器解調的參考信號來自函數發生器1的同步埠。經過鎖放解調的信號送入計算機16，計算機16採集並記錄數據。

兩個振臂之間的空隙稱為振臂間隙；前後振臂面的間距為振臂的振臂長是指振臂底部到頂部的間距，振臂厚度是指每個振臂在往復運動方向上的間距；振臂寬度(即叉指寬度)是指每個振臂前後兩個振臂面之間的間距。

具體應用時，本發明裝置可以實時在線的將所測的待測氣體濃度並顯示在計算機上，具有高精度、便攜性強、在線監測的功能。