CN104237154A - 基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，涉及利用光学检测气体技术领域。激光器I发出光束I经过反射镜反射、高透高反镜反射，激光器II发出光束II经过高透高反镜透射，光束I和光束II共同通过斩波器穿过光声池入射到光电探测器。光声池的共振腔连接有光学麦克风，光学麦克风与锁相放大器连接，斩波器与锁相放大器相连，锁相放大器、光电探测器分别与电脑电连接。本发明解决了现有技术中存在的信噪比稳定性差，抗环境干扰能力差的技术问题。本发明的有益效果为：有效地降低了系统噪声，提高系统稳定性，适合长时间的监测。同时监测甲烷和二氧化碳这两种气体，为研究温室气体对气候的影响提供了技术基础。

Description

基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置

技术领域

本发明涉及利用光学手段来检测气体的技术领域，尤其是涉及一种基于光声光谱技术检测大气温室气体中甲烷和二氧化碳的装置。

背景技术

大气温室气体导致全球变暖、极端气候出现。温室气体能有效地吸收红外辐射，产生温室效应。温室气体中最主要、排放最多的是二氧化碳。甲烷虽然含量相对较少，但它的温室效应却是二氧化碳的26倍。联合国世界气象组织发布的报告称，2011年地球大气的二氧化碳含量创下新高，达到390.9ppm。甲烷含量也达到历史新高，为1813ppb。温室气体引起全球变暖，已经对自然生态系统和人类生存环境造成了严重的影响，成为人类社会和各国政府亟待解决的重大问题。温室气体浓度的监控为研究全球气候变化提供了可靠数据，也为推进节能减排提供了基础技术手段。光声光谱法基于光声效应，气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能而导致吸收媒质温度升高，当入射光在声频范围内进行光强或波长调制时，媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波，通过测量声压可以求出气体浓度。相对于直接吸收光谱测量，光声光谱法直接检测气体吸收的光能，不受散射光影响，是一种绝对检测的方法，检测灵敏度高。光声光谱法用于气体检测的应用已有很多，比如2005年巴黎高等洛桑联邦理工学院的研究人员用主波长为1651nm的激光器检测甲烷浓度，灵敏度达到0.18ppm；2008年德国汉堡大学的M.Wol和M.Germer等人用主波长为2.4um的激光器探测二氧化碳的浓度，达到ppb量级的灵敏度；2010年美国NIST(国家标准与技术研究院)研制出了用于现场检测气溶胶和二氧化碳的标准光声光谱装置。另外，有基于光声光谱的多种气体(包括二氧化碳和甲烷)检测产品问世，比如芬兰公司GASERA生产的PA201，德国Schütz GmbH公司的SPA-ANALYZER，美国Lma Sense公司的INNOVA 142li等，基本上都可以达到ppm以下的灵敏度。国外利用光声光谱法监测温室气体技术已经较成熟，并且已经在现实中进行了很多应用。国内也有很多人在研究这方面的应用，2008年安徽光机所用主波长为1.573um的DFB激光器探测二氧化碳浓度，检测极限灵敏度为30ppm。中科院电子学研究所用主波长为10.303um的CO2激光器探测二氧化碳浓度，灵敏度为2.67ppm，中科院半导体所用DFB-QCL主波长为7.6um的激光器检测甲烷浓度，灵敏度为0.19ppm。总体来讲，国内的实验室研究灵敏度可以做到ppm左右，但实际应用极少，市场上的检测仪器大多基于NDIA原理。中国专利授权公告号CN203658243U，授权公告日2014年6月18日，名称为“基于光声光谱的C₂H₂和CH₄检测装置”的实用新型专利，公开了一种基于光声光谱的C₂H₂和CH₄检测装置。该装置包括主控制器、激光器驱动单元、两个分布反馈式半导体DFB激光器、波分复用器WDM、准直器、光声池、微音器、模拟滤波放大单元、模数转换器A/D，一个DFB激光器发出的光为1530nm波长，另一个DFB激光器发出的光为1654nm波长，主控制器与激光器驱动单元相连，激光器驱动单元分别控制两个DFB激光器，两个DFB激光器发出的光分别通过波分复用器WDM后经准直器进入光声池，微音器与光声池的谐振腔相连，微音器通过模拟滤波放大单元与模数转换器A/D相连，模数转换器A/D与主控制器相连。该结构中一个波长1530nm的激光，另一个波长1654nm的激光，分别通过波分复用器WDM后经准直器进入光声池。光声光谱技术的技术难点在于：降低系统底噪，提高信噪比；抗环境干扰能力；长期使用的稳定性。系统的底噪及信噪比直接决定了检测的灵敏度，抗环境干扰能力和稳定性，决定了测量结果的准确性和可靠性。该结构对激光强度的调制，泵浦电流调制容易导致波长不稳定，对于气体的吸收峰来说，波长的偏差直接导致降低了检测结果的准确定和系统的稳定性。传统的麦克风容易受电磁噪声影响，使用环境的湿度直接影响了灵敏度，在实际应用中若不进行补偿，会对检测结果带来较大影响。

发明内容

为了解决现有技术存在的信噪比、稳定性差，抗环境干扰能力差的技术问题，本发明提供一种基于光声光谱技术可以同时监测甲烷和二氧化碳这两种最重要的温室气体，高信噪比、高稳定性检测结果更接近实际的检测装置。

本发明的技术方案是：一种基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，它包括激光器I、激光器II、反射镜、高透高反镜、光声池、光电探测器、斩波器、锁相放大器和电脑，光声池设有共振腔，共振腔连接有光学麦克风，光学麦克风与锁相放大器的输入信号端连接，斩波器的信号端与锁相放大器的参考信号端相连，锁相放大器的输出信号端、光电探测器的输出信号端分别与电脑电连接；激光器I通过发出的光束I依次经过反射镜反射、高透高反镜反射，激光器II通过发出的光束II经过高透高反镜透射，光束I和光束II共同通过斩波器穿过光声池垂直入射到光电探测器。应用光声光谱法用于气溶胶光吸收系数的检测，克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更准确。光麦克风克服了传统麦克风容易受电磁噪声和使用环境的湿度直接影响，在实际应用中需要进行补偿的弱点。光学麦克风极大地放大了共振腔产生的声信号，灵敏度更高，噪声更低，不受电磁干扰，对现场检测的抗干扰能力更强。同时监测甲烷和二氧化碳这两种最重要的温室气体，更有实用意义，为研究温室气体对气候的影响提供了技术基础。

作为优选，激光器I包括激光控制器I和与其输出端电连接的激光发射器I，激光发射器I为DFB激光器，输出1573nm波长的光束I，激光控制器I的输入端与电脑电连接。1573nm波长激光调制后对应二氧化碳的吸收系数。

作为优选，激光器II包括激光控制器II和与其输出端电连接的激光发射器II，激光发射器II为DFB激光器，输出1653nm波长的光束II，激光控制器II的输入端与电脑电连接。1653nm波长激光调制后对应甲烷的吸收系数。

作为优选，共振腔为圆柱状空腔结构，共振腔两端分别连接有圆柱状空腔结构的缓冲室I和缓冲室II，缓冲室I、共振腔和缓冲室II腔体表面为光滑面，光滑面上敷有镀金层。腔体表面抛光处理后镀金隔离了缓冲室和共振腔内壁对气体分子的物理吸附和化学反应，减小了气体分子的吸附，提高了系统的稳定性。

作为优选，缓冲室I和缓冲室II端部设有石英窗口片，石英窗口片表面敷有增透膜；增透膜对1653nm和1573nm波长的激光透过率在99.5％，有效地减小了石英窗口片吸收光能以及散射光带来的热噪声，减小系统底噪。

作为优选，缓冲室II设有与大气连通的出气口，缓冲室I设有进气口，进气口连接有抽气泵，抽气泵一端与大气连通另一端连接有流量计，流量计与进气口之间串联有消音器。消音器可以使与谐振频率相近的噪声在管道中透过率仅为0.006，有效地减小了抽气泵和气流不稳带来的噪声，对现场检测的抗干扰能力更强。

作为优选，斩波器置于设置的隔离箱内，隔离箱为外壁金属保护层内壁吸音层的密封腔体结构；有效地屏蔽了斩波器转动带来的噪声和外界传播的噪声，信号稳定。

作为优选，镀金层为镍金组合镀层，镍层厚度2-8um，金层厚度0.2-0.4um。

作为优选，增透膜厚度为8um-10um。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：有效地降低了系统噪声，提高了信噪比，使二氧化碳和甲烷的检测灵敏度分别可达1pppm和80ppb，测量不确定度为3％(k＝2)，系统稳定性更好，适合长时间的监测。可以同时监测甲烷和二氧化碳这两种最重要的温室气体，更有实用意义，为研究温室气体对气候的影响提供了技术基础。

附图说明

附图1为本发明的连接示意图；

附图2为光声池的剖视图；

附图3为归一化后的光声池频率响应曲线图。

图中：1-激光器I；2-激光器II；3-反射镜；4-高透高反镜；5-抽气泵；6-流量计；7-消音器；8-光声池；9-光电探测器；10-光学麦克风；11-隔离箱；12-斩波器；13-锁相放大器；14-电脑；801-石英窗口片；802-缓冲室I；803-共振腔；804-缓冲室II；805-镀金层；806-增透膜。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1和2所示，图1中虚线带箭头线表示光射的路径；实线带箭头线表示电路；空心箭头线表示气路。一种基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，它包括激光器I1、激光器II2、反射镜3、高透高反镜4、抽气泵5、流量计6、消音器7、光声池8、光电探测器9、10-光学麦克风、11-隔离箱、斩波器12、锁相放大器13和电脑14。电脑14装有数据采集卡和上位机软件。激光器I1包括激光控制器I和与其输出端电连接的激光发射器I，激光发射器I为DFB激光器，输出1573nm波长的光束I，激光控制器I的输入端与电脑14电连接。激光器II2包括激光控制器II和与其输出端电连接的激光发射器II，激光发射器II为DFB激光器，输出1653nm波长的光束II。激光控制器II的输入端与电脑14电连接。激光控制器I和激光控制器II的使能端分别与电脑14中的数据采集卡电连接。光声池8为圆柱体，光声池8设有共振腔803，共振腔803为圆柱状空腔结构。共振腔803两端分别连接有圆柱状空腔结构的缓冲室I802和缓冲室II804。缓冲室II804设有与大气连通的出气口。缓冲室I802设有进气口，进气口连接有抽气泵5，抽气泵5一端与大气连通另一端连接有流量计6，流量计6与进气口之间串联有消音器7。抽气泵5的吸气端与大气连通，抽气泵5的排气端与流量计6进口连通，流量计6出口与消音器7入口连通，消音器7的出口与缓冲室802的进气口连通。缓冲室I802、共振腔803和缓冲室II804腔体表面为光滑面，光滑面上敷有镀金层805。缓冲室I802、共振腔803和缓冲室II804圆柱状空腔的中心线位于同一轴线上。缓冲室I802、共振腔803和缓冲室II804腔体表面首先抛光处理成光滑面然后镀金。镀金层805为镍金组合镀层，镍层厚度5um，金层厚度0.2um。缓冲室I802和缓冲室II804端部设有石英窗口片801，石英窗口片801表面敷有增透膜806。增透膜806厚度为8um。共振腔803连接有光学麦克风10，共振腔803中部的圆柱腔体侧面设有一开口，开口中设有安装座，光学麦克风10插在安装座内。光学麦克风10型号为OPTIMIC 1195，灵敏度为250mV/Pa。光学麦克风10的传感面伸入至共振腔803中。光学麦克风10的输出信号端与锁相放大器13的输入信号端连接，锁相放大器13型号为SR830。斩波器12的信号端与锁相放大器13的参考信号端相连。锁相放大器13的输出信号端、光电探测器9的输出信号端分别与电脑14中的数据采集卡电连接。斩波器12置于设置的隔离箱11内，隔离箱11为外壁金属保护层内壁吸音层的密封腔体结构。吸音层通过胶水与金属保护层粘结。金属保护层为2cm厚的不锈钢，2cm厚的不锈钢板在100Hz-3200Hz隔声量大约为43dB。内壁吸音层为厚5cm的吸声棉，吸声系数可达0.8以上。反射镜3，光线射入后只能反射不能穿透镜子。高透高反镜4，光线射入后既可以反射，又可以穿透镜子。激光器I1通过发出的光束I依次经过反射镜3反射、高透高反镜4反射，激光器II2通过发出的光束II经过高透高反镜4透射，光束I和光束II共同通过斩波器12穿过光声池8垂直入射到光电探测器9。隔离箱11设有入光口和出光口，斩波器12为光学斩波器，入光口、光学斩波器透光孔和出光口成一直线。光束I和光束II通过高透高反镜4，两路光路重合，射入入光口穿过光学斩波器透光孔从出光口射出，再射入缓冲室I802通过共振腔803，从缓冲室II804射出，再射入光电探测器9。

由光声信号产生机理及声场分布理论，可以求出光声信号的表达式为

S_PA＝S_mC_cellαPc   (1)

S_PA——光声信号幅值(V)；

S_m——麦克风灵敏度(V/Pa)；

C_cell——池常数(Pa·cm·W^-1)；

α——气溶胶吸收系数(cm^-1)；

P——光功率的峰峰值(W)；

c——被测气溶胶的体积浓度。

由公式(1)可推导出气体浓度为c

$c=\frac{S_{\mathrm{PA}}}{S_m{C}_{\mathrm{cell}}\mathrm{P\α}}---\left(2\right)$

麦克风的灵敏度已知，吸收系数α通过HITRAN数据库的数据计算得到，池常数通过大气中的氧气标定得到；激光功率通过光电探测器9的峰峰值计算得到，光声信号S_PA通过锁相放大器13测量得到。

本实施例设计尺寸：缓冲室I802和缓冲室II804直径都是30mm，长度都是50mm；共振腔803直径为6mm，长度为100mm。理论上，一阶纵向共振频率v为声速(340m/s)。对于以上给出的光声池实例，理论的共振频率f＝1700Hz，由于受加工条件及光学麦克风10安装座及缓冲室I802和缓冲室II804的影响，实际值与理论值有偏差，可通过实验测量得到。

搭建好光声系统后，激光器I1工作，反射1573nm波长的激光光束I；向光声池8内以0.2L/min吸入100ppm的二氧化碳标准气体；信号发生器对斩波器12输出调制频率，使输出频率以1Hz的频率在900Hz～2000Hz之间扫描，同时，电脑14记录下频率值及对应的光声信号值。图3中，曲线的峰值位置的频率为1644Hz，即为光声池8的共振频率。斩波器12的调制频率fr设置为1644Hz。池常数用大气中的氧气进行标定，标定结果为1208.2Pa·cm·W^-1。

连接电学信号、调整光路：激光器I1发射1573nm波长的激光光束I，光束I被反射镜3、高透高反镜4反射，激光器II2发射1653nm波长的激光光束II经高透高反镜4透射，光束I和光束II两路光路重合，经过斩波器12、光声池8，垂直入射到光电探测器9。抽气泵5吸气，吸入大气中的空气经过流量计6标定和消音器7去噪后进入光声池8的缓冲室I802。吸入的空气经过共振腔803进入缓冲室II804，通过缓冲室II804的出气口直接排入大气。

调制斩波器12的调制信号(参考信号)fr的频率与共振腔803的一阶共振频率相同，设置为1644Hz。

激光器I1工作，抽气泵5以0.2L/min的流量吸入空气，观察光声信号值，待信号稳定后，启动上位机软件。然后激光器II2工作，两个激光器交替工作，工作间隔为1min，记录两个激光器工作时对应的光声信号、光功率，并计算和记录甲烷和二氧化碳浓度。

Claims (9)

1.一种基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，它包括激光器I(1)、激光器II(2)、反射镜(3)、高透高反镜(4)、光声池(8)、光电探测器(9)、斩波器(12)、锁相放大器(13)和电脑(14)，其特征在于：所述光声池(8)设有共振腔(803)共振腔(803)连接有光学麦克风(10)，光学麦克风(10)与锁相放大器(13)的输入信号端连接，斩波器(12)的信号端与锁相放大器(13)的参考信号端相连，锁相放大器(13)的输出信号端、光电探测器(9)的输出信号端分别与电脑(14)电连接；所述激光器I(1)通过发出的光束I依次经过反射镜(3)反射、高透高反镜(4)反射，所述激光器II(2)通过发出的光束II经过高透高反镜(4)透射，光束I和光束II共同通过斩波器(12)穿过光声池(8)垂直入射到光电探测器(9)。

2.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述激光器I(1)包括激光控制器I和与其输出端电连接的激光发射器I，激光发射器I为DFB激光器输出1573nm波长的光束I，激光控制器I的输入端与电脑(14)电连接。

3.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述激光器II(2)包括激光控制器II和与其输出端电连接的激光发射器II，激光发射器II为DFB激光器输出1653nm波长的光束II，激光控制器II的输入端与电脑(14)电连接。

4.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述共振腔(803)为圆柱状空腔结构，共振腔(803)两端分别连接有圆柱状空腔结构的缓冲室I(802)和缓冲室II(804)，缓冲室I(802)、共振腔(803)和缓冲室II(804)腔体表面为光滑面，光滑面上敷有镀金层(805)。

5.根据权利要求1或4所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：缓冲室I(802)和缓冲室II(804)端部设有石英窗口片(801)，石英窗口片(801)表面敷有增透膜(806)。

6.根据权利要求1或4所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：缓冲室II(804)设有与大气连通的出气口，缓冲室I(802)设有进气口，进气口连接有抽气泵(5)，抽气泵(5)一端与大气连通另一端连接有流量计(6)，流量计(6)与进气口之间串联有消音器(7)。

7.根据权利要求1所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述斩波器(12)置于设置的隔离箱(11)内，隔离箱(11)为外壁金属保护层内壁吸音层的密封腔体结构。

8.根据权利要求4所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述镀金层(805)为镍金组合镀层，镍层厚度2-8um，金层厚度0.2-0.4um。

9.根据权利要求5所述的基于光声光谱技术的大气温室气体中甲烷和二氧化碳的检测装置，其特征在于：所述增透膜(806)厚度为8um-10um。