CN102169085B - 温度可控光声吸收光谱测量装置 - Google Patents

温度可控光声吸收光谱测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度可调控型光声光谱光声池装置。它包括主体光声池(1)，放置光声池主体(1)的绝热盒(2)，所述绝热盒(2)在密封前先用绝热材料把主体光声池(1)密封在绝热盒(2)内。光声池主体(1)内置有声学谐振腔(5)，声学谐振腔(5)左右两端分别连接缓冲腔(6)和(7)，光声池主体(1)外周设有冷却水循环槽，光声池主体(1)外围环绕可调控电加热带(39)，使光声池主体(1)的温度可从-40℃到90℃之间进行调控，最小控温精度：0.1℃。所以所发明的本光声光谱光声池装置成本低廉、操作方便，温度调节范围宽，稳定性好，在工作温度范围内测量、研究大气分子的吸收情况能收到良好的效果。

Description

温度可控光声吸收光谱测量装置
技术领域
本发明涉及一种温度可控的气体光声吸收光谱测量装置，尤其是一种声学谐振腔内温度可从-40℃到+90℃间连续可控的光声光谱光声池装置。
背景技术
大气分子和气溶胶的连续吸收不仅吸收信号弱，而且还具有温度依赖特性，研究测量各种分子和气溶胶在不同温度下的吸收谱线特征，对大气辐射传输、激光传输等有着重要的应用价值和意义。测量大气分子和气溶胶的连续吸收主要采用长程光谱技术，而对于长程技术要实现其温度可控，不仅实现难度大，而且系统会十分复杂，也难以做到高的温度稳定性。另外大的长程吸收光谱测量系统，吸收池内光轴方向会产生一定的温度梯度，使吸收池内的温度不均匀，会引入大的测量误差。
光声光谱不同于直接吸收光谱，光声光谱测量的是光被样品吸收的能量，而不是透射光或反射光。在光声光谱中，样品分子吸收光能量后跃迁到高能级态并通过碰撞弛豫回到基态，同时把吸收的光能转化为热能。对光进行调制后产生的热能也是周期性变化的，由于热胀冷缩效应，产生了压力波，即声波，用声学传感器进行探测就得到了光声光谱。光声光谱信号与光功率、样品浓度和样品吸收强度成比例，与光程无关，分子没有吸收就没有光声光谱信号，是一种零背景光谱技术。所以光声光谱系统的光声池可以做的很小，其长度主要由所采用的声学共振频率条件确定，一般为5～10cm。同时，光声光谱具有探测灵敏度高，动态范围宽的特点。因此，光声光谱系统不仅可以用很小的体积实现高灵敏度的探测，小的体积还给温度控制带来了很大的便利，易于保证光声池内的温度均匀性。
发明内容
本发明主要是提供一种结构简单、灵敏度高、温度可控性强和温度均匀性好的温度可控低温光声吸收测量装置，用于测量大气分子和气溶胶不同温度下的光声吸收光谱，克服现有的温度可控型直接吸收光谱样品池体积大、温度均匀性差等缺点。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：
一种温度可控的光声吸收光谱光声池装置，其特征在于包括光声池主体(1)，所述光声池主体(1)内设有贯通的声学谐振腔(5)，声学谐振腔(5)两端联通有缓冲腔(6)和(7)，所述光声池主体(1)的外围环绕有电加热带(39)；所述的光声池主体(1)上设有光声探测器插槽(44)和热敏电阻插槽(40)和进气口，热敏电阻插槽(40)内安装有热敏电阻(41)，光声探测器插槽(44)通向到声学谐振腔(5)壁，光声探测器插槽(44)内安装有光声探测器(41)；所述的进气口(42)与缓冲腔(6)或(7)联通；所述光声池主体(1)的外周环绕布有冷却水循环槽供光声池主体(1)冷却控温，光声池主体(1)的外壁上设有冷却水循环槽的进水口(33)和出水口(34)；所述的缓冲腔(6)和(7)的外端口处分别安装有窗片(8)和(9)，窗片(8)和(9)分别通过窗片压盖(35)和(36)固定于光声池主体(1)的两端；所述光声池主体(1)的窗片压盖(35)和(36)外分别装配有绝热套筒(37)和(38)，光声池主体(1)放置于绝热盒(2)内，绝热套筒(37)和(38)分别由绝热支座(3)和绝热支座(4)支撑；绝热盒(2)两端板与窗片(8)、(9)对应部位分别开有通光孔。
所述的冷却水循环槽结构为：由环绕布于光声池主体(1)的外周的平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)和(19)，回槽(20)、(21)、(22)、(23)、(24)、(25)、(26)、(27)和(28)构成，回槽(20)在前端连接平行通孔(10)和(11)，回槽(21)在后端连接平行通孔(11)和(12)，回槽(22)在前端连接平行通孔(12)和(13)，回槽(23)在后端连接平行通孔(13)和(14)，回槽(24)在前端连接平行通孔(14)和(15)，回槽(25)在后端连接平行通孔(15)和(16)，回槽(26)在前端连接平行通孔(16)和(17)，回槽(27)在后端连接平行通孔(17)和(18)，回槽(28)在前端连接平行通孔(18)和(19)；进水口(33)与平行通孔(10)无回槽端连通，出水口(34)与平行通孔(19)无回槽端连通；所述光声池主体(1)两端台阶部上垫有冷却密封垫(29)和(30)，通过密封法兰(31)和(32)固定，冷却水从进水口(33)流进，流经平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)后从出水口(34)流出。
所述的温度可控的光声吸收光谱光声池装置，其特征在于缓冲腔(6)和(7)长度均为声学谐振腔(5)长度的一半，内径是声学谐振腔(5)内径的2倍以上。
所述的温度可控的光声光谱光声池装置，其特征是平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)位于声学谐振腔(5)的外围，与声学谐振腔(5)平行。
所述声学谐振腔(5)与所述光声池主体同轴
所述2个缓冲腔(6)、(7)用于消除窗片(8)、(9)生产的背景声信号，与声学谐振腔(5)同轴，长度均为声学谐振腔(5)的一半；所述进气口(42)垂直于声学谐振腔(5)的轴，与所述缓冲腔(6)、(7)连通；所述进水口(33)和出水口(34)垂直于声学谐振腔(5)的轴，分别位于平行通孔的两端；所述10个平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)分布于声学谐振腔(5)的外围；所述9个回槽(20)、(21)、(22)、(23)、(24)、(25)、(26)、(27)和(28)分布于平行通孔的两端，分别连接两两相邻的平行通孔，两端的回槽相互错开一个平行通孔的位置，使平行通孔两两连通，这样冷却水从所述进水口流进，流经各平行通孔后从所述出水口流出，这样通过控制冷却水可以调控声学谐振腔内的温度。所述光声探测器插槽位于所述光声池主体中间并垂直于所述声学谐振腔的轴，与所述声学谐振腔连通；所述热敏电阻插槽垂直于声学谐振腔的轴，接近所述声学谐振腔但不连通。
所述光声探测器为自由场声学传感器，置于光声探测器插槽内探测声学谐振腔内光声效应产生的声信号；所述热敏电阻置于热敏电阻插槽内探测声学谐振腔内的温度；所述密封窗片分别置于缓冲腔的外端使腔内气体与外界隔离，同时保证光束通过声学谐振腔；所述窗片压盖用于把所述密封窗片固定在光声池主体上。所述绝热套筒置于窗片压盖外围；所述窗片压盖置有吹气孔，防止所述窗片外端凝结水气；所述2个冷却密封垫分别置于所述光声池主体的平行通孔的两端，防止所述平行通孔内的冷却水流到所述光声池主体外；所述2个密封法兰分别把所述冷却密封垫固定在所述光声池主体上；所述加热带环绕于所述光声池主体的外围，用于加热所述光声池主体。
这样，本发明光声光谱光声池装置通过冷却水和电加热带，即可降温也可加热。本发明光声池装置具有体积小的特点，因此声学谐振腔内的温度具有稳定性高、均匀性高的特点，可用于测量不同温度下的气体分子吸收光声光谱。
附图说明
下面结合附图对本发明的方式作进一步详细的描述。
图1是本发明装置的整体结构示意图；
图2是图1中的光声池主体结构示意图；
图3是图2中的平行通孔(图3-1)和回槽示意图(图3-2，图3-3)。
具体实施方式
参见图1、图2和图3(包括图3-1，图3-2，图3-3)
光声池主体(1)内设有贯通的声学谐振腔(5)，声学谐振腔(5)两端联通有缓冲腔(6)和(7)，光声池主体(1)的外围环绕有电加热带(39)；光声池主体(1)上设有光声探测器插槽(44)和热敏电阻插槽(40)和进气口(42)；热敏电阻插槽(40)内安装有热敏电阻(41)，光声探测器插槽(44)通向到声学谐振腔(5)壁，光声探测器插槽(44)内安装有光声探测器(41)；进气口(42)与缓冲腔(6)或(7)联通；在光声池主体(1)的外周环绕布有冷却水循环槽供光声池主体(1)冷却，光声池主体(1)的外壁上设有冷却水循环槽的进水口(33)和出水口(34)；的缓冲腔(6)和(7)的外端口处分别安装有窗片(8)和(9)，窗片(8)和(9)分别通过窗片压盖(35)和(36)固定于光声池主体(1)的两端；光声池主体(1)的窗片压盖(35)和(36)外分别装配有绝热套筒(37)和(38)，光声池主体(1)放置于绝热盒(2)内，绝热套筒(37)和(38)分别由绝热支座(3)和绝热支座(4)支撑；绝热盒(2)两端板与窗片(8)、(9)对应部位分别开有通光孔。
环绕布于光声池主体(1)的冷却水循环槽结构为外周的平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)和(19)，回槽(20)、(21)、(22)、(23)、(24)、(25)、(26)、(27)和(28)构成，回槽(20)在前端连接平行通孔(10)和(11)，回槽(21)在后端连接平行通孔(11)和(12)，回槽(22)在前端连接平行通孔(12)和(13)，回槽(23)在后端连接平行通孔(13)和(14)，回槽(24)在前端连接平行通孔(14)和(15)，回槽(25)在后端连接平行通孔(15)和(16)，回槽(26)在前端连接平行通孔(16)和(17)，回槽(27)在后端连接平行通孔(17)和(18)，回槽(28)在前端连接平行通孔(18)和(19)；进水口(33)与平行通孔(10)无回槽端连通，出水口(34)与平行通孔(19)无回槽端连通；所述光声池主体(1)两端台阶部上垫有冷却密封垫(29)和(30)，通过密封法兰(31)和(32)固定，冷却水从进水口(33)流进，流经平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)后从出水口(34)流出。冷却水可使光声池主体1的温度从室温到-40℃之间调控。
电加热带39环绕于光声池主体1的外围，同时电加热带39与外部温度加热控制仪连接，可使光声池主体1的温度从室温到90℃之间调控。
温度可控的光声吸收光谱光声池装置，缓冲腔(6)和(7)长度均为声学谐振腔(5)长度的一半，内径是声学谐振腔(5)内径的2倍以上。平行通孔(10)、(11)、(12)、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)位于声学谐振腔(5)的外围，与声学谐振腔(5)平行。
光声池主体1置有热敏电阻插槽40，与声学谐振腔5邻近但不连通。热敏电阻41放置于热敏电阻插槽40内测量声学谐振腔5内的温度。热敏电阻41测量的温度反馈给外部制冷机或加热控制仪调控声学谐振腔5内的温度。在制冷情况下，最低能降低的温度为-40℃，温度控精度为0.3℃；在加热情况下，最高可加热的温度为90℃，温度控制精度为0.1℃。因此本发明光声池装置的温度可控范围为-40℃到90℃。
光声池主体1置有进气口42，用于进入样品气体。光声探测器43放置于光声池主体1的光声探测器插槽44内，用于测量声学谐振腔5内的光声信号。
在窗片8和窗片9的外端置有吹气孔45和吹气孔46，防止冷却情况下窗片8和窗片9处有水汽凝结。
通过本发明装置，可以用光声光谱的方法探测、研究大气分子在不同温度下的吸收谱，具有体积小、温度稳定度高、温度均匀性高和探测灵敏度高的特点。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的温度可控型光声光谱光声池装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种温度可控的光声吸收光谱光声池装置，其特征在于包括光声池主体(1)，所述光声池主体(1)内设有贯通的声学谐振腔(5)，声学谐振腔(5)两端联通有缓冲腔I(6)和缓冲腔II(7)，所述光声池主体(1)的外围环绕有电加热带(39)；所述的光声池主体(1)上设有光声探测器插槽(44)，热敏电阻插槽(40)和进气口(42)；热敏电阻插槽(40)内安装有热敏电阻(41)，光声探测器插槽(44)通向到声学谐振腔(5)壁，光声探测器插槽(44)内安装有光声探测器(41)；所述的进气口(42)与缓冲腔I(6)或缓冲腔II(7)联通；所述光声池主体(1)的外周环绕布有冷却水循环槽供光声池主体(1)冷却，光声池主体(1)的外壁上设有冷却水循环槽的进水口(33)和出水口(34)；所述的缓冲腔I(6)和缓冲腔II(7)的外端口处分别安装有窗片一(8)和窗片二 (9)，窗片一(8)和窗片二(9)分别通过窗片压盖一(35)和窗片压盖二(36)固定于光声池主体(1)的两端；所述光声池主体(1)的窗片压盖一(35)和窗片压盖二(36)外分别装配有绝热套筒一(37)和绝热套筒二(38)，光声池主体(1)放置于绝热盒(2)内，绝热套筒一(37)和绝热套筒二(38)分别由绝热支座一(3)和绝热支座二(4)支撑；绝热盒(2)两端板与窗片一(8)、窗片二(9)对应部位分别开有通光孔； 
所述的冷却水循环槽结构为：由环绕布于光声池主体(1)的外周的平行通孔I(10)、平行通孔II(11)、平行通孔III(12)、平行通孔IV(13)、平行通孔V(14)、平行通孔VI(15)、平行通孔VII(16)、平行通孔VIII(17)、平行通孔IX(18)和平行通孔X(19)，回槽I(20)、回槽II(21)、回槽III(22)、回槽IV(23)、回槽V(24)、回槽VI(25)、回槽VII(26)、回槽VIII(27)和回槽IX(28)构成，回槽I(20)在前端连接平行通孔I(10)和平行通孔II(11)，回槽II(21)在后端连接平行通孔II(11)和平行通孔III(12)，回槽III(22)在前端连接平行通孔III(12)和平行通孔IV(13)，回槽IV(23)在后端连接平行通孔IV(13)、平行通孔V(14)，回槽V(24)在前端连接平行通孔V(14)、平行通孔VI(15)，回槽VI(25)在后端连接平行通孔VI(15)、平行通孔VII(16)，回槽VII(26)在前端连接平行通孔VII(16)、平行通孔VIII(17)，回槽VIII(27)在后端连接平行通孔VIII(17)和平行通孔IX(18)，回槽IX(28)在前端连接平行通孔IX(18)和平行通孔X(19)；进水口(33)与平行通孔I(10)无回槽端连通，出水口(34)与平行通孔X(19)无回槽端连通；所述光声池主体(1)两端台阶部上垫有冷却密封垫一(29)和冷却密封垫二(30)，通过密封法兰一(31)和密封法兰二(32) 固定，冷却水从进水口(33)流进，流经平行通孔I(10)、平行通孔II(11)、平行通孔III(12)、平行通孔IV(13)、平行通孔V(14)、平行通孔VI(15)、平行通孔VII(16)、平行通孔VIII(17)、平行通孔IX(18)、平行通孔X(19)后从出水口(34)流出。 
2.根据权利要求1所述的温度可控的光声吸收光谱光声池装置，其特征在于缓冲腔I(6)和缓冲腔II(7)长度均为声学谐振腔(5)长度的一半，内径是声学谐振腔(5)内径的2倍以上。 
3.根据权利要求1所述的温度可控的光声吸收光谱光声池装置，其特征是平行通孔I(10)、平行通孔II(11)、平行通孔III(12)、平行通孔IV(13)、平行通孔V(14)、平行通孔VI(15)、平行通孔VII(16)、平行通孔VIII(17)、平行通孔IX(18)、平行通孔X(19)位于声学谐振腔(5)的外围，与声学谐振腔(5)平行。 
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