CN102735618B - 一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置 - Google Patents

Abstract

一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：采用椭圆光声池对光声信号进行放大；入射光与椭圆光声池焦线同轴，由入射光激励出的光声信号趋于椭圆光声池的长轴汇聚，通过调整光声信号频率使其在光声池内同相叠加，并在长轴两端产生相位差为180°的声信号；将两个声传感器对称置于椭圆光声池长轴两端，分别接收所述声信号，声传感器产生的电信号与气体浓度有关，通过差分放大器和锁相放大器对声信号进行检测，实现气体传感功能。本发明灵敏度高、结构简单，并且能有效抑制环境噪声和气体流动噪声。

Description

一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置

技术领域

本发明涉及一种气体传感装置，特别涉及一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置。

背景技术

光声气体检测技术利用特定波长的光激发待测气体产生光声信号，光声信号实质上是一种声波，其声压大小与气体浓度有关，可利用声传感器检测该信号幅值以获取气体的浓度信息。光声气体检测技术具有灵敏度高、选择性好的特点。但由于光声信号较弱，在实际应用中常受到各种噪声的干扰，如环境噪声、气体流动噪声等。

为了提高信噪比，通常采用共振式光声池增强信号，光声池的性能直接影响到光声系统的灵敏度和稳定性。现有的共振式光声池多为圆柱形纵向共振光声池。其工作时，光声信号在圆柱两端面来回反射，形成驻波。但光声信号传播过程中，始终沿圆柱侧面腔壁方向，与腔壁接触产生粘滞损耗，导致其品质因数较小，通常在60以内。2008年5月29日公开的美国专利US20080121018A1中所提及一种椭圆光声传感器，它意欲使入射光穿过椭圆形光声池的一条焦线，利用椭圆结构的聚焦性质，将发散的光声信号汇聚至另一条焦线，并通过调整光声信号频率，使到达汇聚位置的光声信号同相叠加增强，同时，在聚焦位置处放置一个声传感器接收信号。

以上方案工作时，光声信号经金属腔壁反射，传播路径集中在腔体内部。光声信号与腔壁接触所产生的粘滞损耗较小，能得到较高的品质因数，但仍存在不足之处。首先，其仅采用一个声传感器，无法抑制实际应用中的环境噪声，限制了系统的信噪比；其次，许多实际应用场合中气体处于流动状态，而流动的气体将引入压力的变化，造成干扰；其无法分辨气体流动引起的噪声和待测信号，只能在工作时关闭进气阀，这不仅增加了控制系统的成本，也提高了检测所需时间，降低效率。另外，其将声传感器置于光声池内部，不仅造成了安装的不方便；而且声传感器的形状缺陷将影响声场的分布，影响检测效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、使用方便，并且能够抑制噪声的基于椭圆光声池的光声气体传感装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置，包含光源、一个椭圆光声池、两个声传感器、与所述两个声传感器输出端电连接的差分放大器，与差分放大器输出端电连接的锁相放大器，与所述光源输入端电连接的光源驱动，与光源驱动输入端电连接的函数发生器，所述函数发生器输出端与锁相放大器输入端电连接；所述光源产生的入射光与椭圆光声池的一条焦线重合；所述声传感器对称分布于椭圆光声池长轴两端；工作时，入射光中心波长对准待测气体吸收谱线，经函数发生器和光源驱动调制入射光的波长或光强，可在椭圆光声池内激发出光声信号；光声信号经椭圆光声池内壁多次反射，趋于长轴汇聚，在长轴两端产生相位差为180°的两个声压信号，并利用对称置于长轴两端的声传感器接收所述信号，声传感器所产生的电信号大小与气体浓度有关，通过差分放大器和锁相放大器对两个声传感器输出信号进行检测，能够在抑制共模噪声的同时实现气体传感功能。

所述椭圆光声池一条焦线处有两个声滤波管；所述两个声滤波管的端面分别装有窗口片，且窗口片表面法线与声滤波管轴线夹角为布儒斯特角；所述两个声滤波管轴线与椭圆光声池焦线同轴，且两个声滤波管轴线长度为光声信号波长四分之一的奇数倍；工作时，经调制的入射光穿过窗口片，将窗口片表面法线与声滤波管轴线设置成布儒斯特角以保证透射光能最大；由于入射光同样会引起窗口片产生固体光声信号，该信号与气体被激发所产生的光声信号性质相同，无法区分，将引起背景干扰；而通过声滤波管，将窗口片产生的固体光声信号隔离在检测区域之外，进一步抑制干扰；

所述椭圆光声池包含两个进气孔与两个出气孔,两进气孔对称分布于椭圆光声池端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm；两个出气孔对称分布于椭圆光声池另一端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm；工作时，气体流动将导致椭圆光声池内压力波动，该压力波动也会造成噪声干扰；而通过对称设置进气孔和出气孔，使这种由气体流动产生的压力波动对放置在长轴两端的声传感器影响相同，通过差分放大器能够消除这种共模的噪声干扰。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

（1）现有技术中如美国专利US20080121018A1只有一个声传感器，并且放在光声池内部，不仅造成了安装的不方便；而且声传感器的形状缺陷将影响声场的分布，影响检测效果。而本发明有两个声传感器，对称分布于椭圆光声池长轴两端，椭圆光声池工作时，能够在长轴两端产生相位差为180°的两路信号，并由对称置于长轴两端的声传感器接收这两路信号，通过差分放大器能够消除共模的噪声，并进一步增强了信号，提高系统信噪比。

（2）此外，本发明所采用椭圆光声池在入射光光路上具有声滤波管，能够将由窗口片产生的固体光声信号隔离在检测区域外，进一步了降低系统背景干扰。

（3）而且，本发明所采用的椭圆光声池在上下两端面的短轴两端分别对称设置两个进气孔和两个出气孔；这种设置能够使气体流动所导致的压力变化对两个对称分布于长轴两端的声传感器作用相同，并可利用差分放大器消除这种干扰，从而使系统能够工作在气体流动状态下，降低检测所需时间，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明的基本原理示意图；

图2是本发明所采用的椭圆光声池原理图；

图3是本发明实施例中所采用椭圆光声池共振时长轴上声压分布曲线；；

图4是本发明所采用的椭圆光声池外部结构图；

图5是本发明所采用的椭圆光声池内部结构图；

图6是本发明实施例所中采用的声滤波管长度与消声量关系曲线；

图中：1为光源，2为入射光，3为椭圆光声池，3a、3e为第一窗口片和第二窗口片，3b、3f为第一声滤波管和第二声滤波管，3c、3d为第一进气孔和第二进气孔，3g、3h为第一出气孔和第二出气孔，4a、4b为第一声传感器和第二声传感器，5为差分放大器，6为锁相放大器，7为函数发生器，8为光源驱动。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于椭圆光声池的光声气体传感装置由光源1，椭圆光声池3，第一声传感器4a、第二声传感器4b，差分放大器5，锁相放大器6，函数发生器7，光源驱动8组成。光源1发出的入射光2与椭圆光声池3一条焦线重合；第一声传感器4a和第二声传感器4b分别置于椭圆光声池3长轴的两端；第一声传感器4a和第二声传感器4b输出端与差分放大器5输入端电连接；差分放大器5输出端与锁相放大器6输入端电连接；光源1输入端与光源驱动8电连接；函数发生器7输出端分别与光源驱动8输入端和锁相放大器6输入端电连接。

工作时，入射光2中心波长对准待测气体吸收谱线，经函数发生器7和光源驱动8调制入射光2的波长或光强，可在椭圆光声池3内激发出光声信号，光声信号激发椭圆光声池3共振；在椭圆光声池3的长轴两端产生相位差为180°的声压信号，通过两个置于椭圆光声池3长轴两端的第一声传感器4a和第二声传感器4b检测所述声压信号，第一声传感器4a和第二声传感器4b所产生的电信号大小与气体浓度有关，通过差分放大器5和锁相放大器6对声传感器输出信号进行检测，实现气体传感功能。

如图2所示，本发明所采用的椭圆光声池3是一种声学共振腔，其共振行为发生在椭圆横截面内。声波从焦点F1发出，经椭圆光声池3的池壁反射后通过焦点F2；多次反射后，声波传播方向逐渐趋于椭圆长轴两端；通过调整函数发生器7输出信号频率可以调整光声信号频率，使其在椭圆光声池3内同相叠加，并在长轴两端产生相位差为180°的声压信号，实现共振效果；这种共振行为不受椭圆光声池3的尺寸影响，而共振频率f与椭圆光声池3椭圆平面的尺寸有关，因此可以根据检测的需要方便地调整椭圆光声池3的尺寸，其共振频率可以由下式表示：

$f=\frac{\mathrm{Kc}}{2\mathrm{\π}\sqrt{a^2-b^2}}$

其中：K为常数，其值为第一类变型Mathieu函数导函数的零点，与椭圆长短轴长度有关；c是声速；a是椭圆半长轴长度；b是椭圆半短轴长度。如在本发明一个实施例中，采用长轴为0.1m，短轴为0.08m，高度为0.02m的椭圆光声池，其中一种共振模式的共振频率f＝12517Hz，其长轴上声压分布如图3所示；在长轴两端即横坐标为0m和0.1m的位置存在相位差为180°的声压信号；因此，通过两个置于椭圆光声池3长轴两端的第一声传感器4a和第二声传感器4b检测所述声压信号，并利用差分放大器5和锁相放大器6对第一声传感器4a、第二声传感器4b的输出信号进行处理，能够在消除共模的噪声的同时，进一步增强信号，提高系统信噪比；

如图4、图5所示，本发明所采用的椭圆光声池3一条焦线处设置有第一声滤波管3b和第二声滤波管3f，所述第一声滤波管3b和第二声滤波管3f的轴线与椭圆光声池3焦线同轴，且入射光2与第一声滤波管3b、第二声滤波管3f的轴线重合。第一声滤波管3b和第二声滤波管3f的轴线长度为光源1所激发出的光声信号波长四分之一的奇数倍。第一声滤波管3b的端面装有第一窗口片3a，第二声滤波管3f的端面装有第二窗口片3e，且第一窗口片3a和第二窗口片3e表面法线与第一声滤波管3b、第二声滤波管3f轴线夹角为布儒斯特角，以保证透射光能最大。工作时，入射光2穿过第一窗口片3a和第二窗口片3e，引起第一窗口片3a和第二窗口片3e产生固体光声信号，造成背景干扰；而第一声滤波管3b和第二声滤波器3f由于自身截面积与椭圆光声池截面积相差较大，能够将所述由第一窗口片3a和第二窗口片3e产生的固体光声信号反射，将其隔离在椭圆光声池3外；其隔离能力可由消声量TL表示，如下式：

$\mathrm{TL}=10\lg [1+\frac{1}{4}{(m-\frac{1}{m})}^2{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\right)]$

其中，m为椭圆光声池3横截面积与声滤波管3b、3f横截面积之比，λ为光声信号波长，L为声滤波管轴线长度。如在本发明的一个实施例中，采用长轴为0.1m，短轴为0.08m，高度为0.02m的椭圆光声池，通过调整函数发生器7的输出信号频率将光源1所激发出的光声信号频率设置为12517Hz以满足共振条件；声滤波管直径为0.01m，其长度与消声量关系如图6所示；可以看出当长度为0.0068m、0.021m、0.034m时，消声量达到30dB以上，此时声滤波管长度分别为光声信号波长四分之一的1倍、3倍、5倍；为方便实施人员操作，可选用长度为0.021m的声滤波管；

本发明所采用的椭圆光声池3包含两个进气孔，即第一进气孔3c和第二进气孔3d与两个出气孔，即第一出气孔3g和第二出气孔3h,第一进气孔3c和第二进气孔3d对称分布于椭圆光声池3端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm；第一出气孔3g和第二出气孔3h对称分布于椭圆光声池3另一端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm，如图4、图5所示。工作时，向光声池内灌入气体将导致椭圆光声池3内产生压力波动，产生气体流动噪声；通过对称设置进气孔和出气孔，使这种由气体流动产生的压力波动对放置在长轴两端的第一声传感器4a和第二声传感器4b影响相同，通过差分放大器5能够消除这种共模的噪声干扰。

本发明所采用的光源1首选为分布式反馈半导体激光器，也可采用量子级联激光器或发光二极管等具有电流调制功能的光源，其特征在于至少包含一个波长的光被气体吸收；

本发明所采用的第一声传感器4a和第二声传感器4b首选为电容式麦克风，也可采用其他类型声传感器，其特征在于能够检测声压。

本发明未详细公开部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于包含：光源（1）、一个椭圆光声池（3）、第一声传感器（4a）、第二声传感器（4b）、与所述第一声传感器（4a）和第二声传感器（4b）的输出端电连接的差分放大器（5），与差分放大器（5）输出端电连接的锁相放大器（6），与所述光源（1）输入端电连接的光源驱动（8），与所述光源驱动（8）输入端电连接的函数发生器（7），所述函数发生器（7）输出端与锁相放大器（6）输入端电连接；所述第一声传感器（4a）、第二声传感器（4b）对称分布于椭圆光声池（3）长轴两端；所述光源（1）产生的入射光（2）与椭圆光声池（3）的焦线重合。

2.根据权利要求1所述的基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：所述椭圆光声池（3）的一条焦线处有第一声滤波管（3b）、第二声滤波管（3f），且第一声滤波管（3b）、第二声滤波管（3f）轴线与椭圆光声池（3）的焦线同轴；所述光源（1）产生的入射光（2）与第一声滤波管（3b）、第二声滤波管（3f）的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：所述第一声滤波管（3b）、第二声滤波管（3f）的轴线长度为光源（1）所激发出的光声信号波长四分之一的奇数倍。

4.根据权利要求2所述的基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：所述第一声滤波管（3b）的端面装有第一窗口片（3a），第二声滤波管（3f）的端面装有第二窗口片（3e），且第一窗口片（3a）和第二窗口片（3e）表面法线与第一声滤波管（3b）、第二声滤波管（3f）的轴线夹角为布儒斯特角。

5.根据权利要求1所述的基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：所述椭圆光声池（3）包含第一进气孔（3c）、第二进气孔（3d）及第一出气孔（3g）、第二出气孔（3h）；第一进气孔（3c）和第二进气孔（3d）对称分布于椭圆光声池（3）端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm；第一出气孔（3g）和第二出气孔（3h）对称分布于椭圆光声池（3）另一端面短轴两侧，中心与短轴端点间隔≥1mm。

6.根据权利要求1所述的基于椭圆光声池的光声气体传感装置，其特征在于：所述光源（1）为至少包含一个波长的光能被待测气体吸收的光源。

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