CN104251842A - 利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，涉及光声光谱系统池常数的在线标定方法。激光器发出光通过分光棱镜一部分入射波长计，另一部分经电光强度调制器、光声池入射到光电探测器，光电探测器输入电脑；大气流入光声池，麦克风将拾取光声信号输入电脑；电脑将采集数据结合大气中氧气浓度和吸收系数等计算求得系统的池常数。本发明解决了现有技术中气体检测仪器需要用标准气体标定带来不确定度和使用不方便的技术问题。本发明的有益效果为：利用大气中氧气浓度已知且相对稳定的特点进行标定，既避免了标准气体带来的不确定度，又可以实现在线校准功能。操作方便，校准精确，为光声系统在线校准提供了可靠的理论依据。

Description

利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法

技术领域

本发明涉及光声光谱系统池常数的在线标定方法，尤其是设计一种利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法。

背景技术

光声光谱用于检测痕量气体的应用国内外已经有很多，检测限可达ppb甚至ppt量级。光声光谱法是基于光声效应的。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。将入射光在声频范围内进行强度或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波。通过探测声波强度可以求出气体(或气溶胶)的浓度和吸收系数。与传统的基于Beer-Lambert定律的检测方法相比，光声光谱不受吸收辐射和散射光的光学干扰，无背景吸收，是一种高灵敏度的绝对检测方法。

光声光谱的关键部件是光声池系统，其中光声池的池常数衡量了光声系统将气体吸收的光能转化为声能的能力，是光声光谱系统的重要参数。光声光谱系统校准的主要内容就是系统池常数的标定。通常通过已知浓度的标准气体进行标定。中国专利授权公告号CN 101393116B，授权公告日2010年11月17日，名称为“一种气体浓度检测仪的标定装置及线性度标定方法”的发明专利，就是其中的一种方法。该标定装置包括：气体池支架或工作平台，用于放置气体池；一组4个不同长度的气体池，长度分别为L、2L、4L、7L，其中的L为标准气体池长度，各气体池上分别设有一个进气孔和一个出气孔，各气体池之间用软管密封串连在一起；标准高压气源，用于提供标准浓度的气体，该标准高压气源通过软管经流量计与串连的气体池中的进气一端的气体池上的进气孔连通。通过调节气体罐上的压力表和流量表，可输出稳定浓度值的气体；通过改变光程长实现浓度检测值的变化，获得不同浓度值气体的检测数据(长度为iL的气体池的检测光程为标准长L气体池光程的i倍，检测的气体浓度值也是标准浓度的i倍)。该结构解决了对气体检测仪标定需要准备多种不同浓度值的标准气体的问题，但是该结构还是需要准备标准气体，而且该结构庞大不方便移动，不能适应在线校准。中国专利申请公布号CN103366526A，申请公布日2013年10月23日，名称为“便携式气体报警系统在线测试、检定、标定仪”的发明专利，公开了一种气体在线检测仪器。包括测试系统、检定系统、标定系统、报警系统和存储系统。测试系统包括气瓶、流量计、配气室、气体测试仪，其中气瓶用来提供标定气体，流量计控制气体流入数量，配气室将气体集中混合，而配气箱与气体测试仪相连，将需要测试的气体送入气体测试仪进行测定，测试完后通过回气系统进入配气箱，气体测试仪由可燃气体测试仪和有毒气体测试仪构成。通过测试系统、检定系统、标定系统针对气体进行测试标定，对进入测试系统的气体通过气体测试仪进行测试比对，当气体超过设定标准浓度时，激发报警装置报警，并将信息发射给存储系统，作为史料存档备查。该结构只能适应针对某一种气体含量的在线检测。如果需要检测不同的气体含量，还是需要携带相应检测气体的标准气体来标定检测系统。标准气体对使用环境要求严格，使用标准气体进行现场标定会带来更大的不确定度，而且标准气体的存放和携带都不够方便。特别是光声光谱系统用于大气(如气溶胶吸收系数、温室气体)监测时，标准气体的成分与大气成分差别较大，所对应的池常数也有较大差别，而用大气直接标定避免了标准气体带来的不确定度。

发明内容

为了解决现有技术存在的气体检测仪器检测需要用标准气体标定会带来不确定度，标准气体的存放和携带不方便的技术问题，本发明提供一种可以免去标准气体的简便的光声光谱在线校准方法。

本发明的技术方案是：一种利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，可调谐激光器发出的光通过分光棱镜一部分光入射到波长计，另一部分光经过电光强度调制器、光声池垂直入射到光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号输入电脑；大气以一定的流速流入光声池，进过光声池的缓冲室和共振腔排出；装在光声池共振腔中的麦克风将拾取的光声信号通过前置放大器放大和锁相放大器检波输入电脑；电脑采集并读取光声信号幅值和光功率、结合大气中氧气的浓度、氧气吸收系数、湿度以及麦克风灵敏度，计算求得系统的池常数。不需要标准气体对系统的池常数进行在线标定，降低了标定成本，方便实用。

作为优选，可调谐激光器输出的中心波长与氧气A-band的吸收线相重合，用波长计进行实时监测并记录和显示。利用大气中氧气对系统的池常数进行在线标定，确保了校准结果的可靠性。

作为优选，电光强度调制器可以调节激光强度的调制频率，调制频率与光声池的共振频率一致。光声池在共振频率下，光能转化为声能的能力最强，光声信号最大，此时光声池将光能转化为声能的能力用池常数标示，调制频率与光声池的共振频率一致，确保标定系统的池常数准确。

作为优选，大气的流速控制在流量为0～0.3L/min；光声池的进气依靠抽气泵提供，抽气会带来底噪，控制大气的流量有效地降低底噪。

作为优选，麦克风的灵敏度根据实时监测的大气湿度值进行补偿，氧气的吸收系数根据大气压强和温度值进行补偿。麦克风的灵敏度通常受到湿度的影响。气体的吸收系数与压强、温度有直接关系。通过对大气压强和温、湿度值进行补偿，使计算得到的系统的池常数更加接近实际值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：大气中的氧气浓度为20.945％±0.012％，不确定度为0.57％，而标准气体的不确定度通常有2％。利用大气中氧气浓度已知且相对稳定的特点，直接用大气中的氧气进行标定，既避免了标准气体带来的不确定度，又可以实现在线校准功能。对大气的温湿度、压强进行监测，对检测结果进行补偿，使标定结果更准确。本方法操作方便，校准精确，为光声系统在线校准提供了可靠的理论依据。它在光声光谱测量气体浓度的技术领域里具有实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

附图1为本发明校准系统示意图。

图中：1-可调谐激光器；2-分光棱镜；3-电光强度调制器；4-光声池；5-抽气泵；6-流量控制器；7-光电探测器；8-麦克风；9-前置放大器；10-锁相放大器；11-电脑；12-大气温湿度-气压检测器；13-信号发生器；14-波长计。

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所示，利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准系统，它包括可调谐激光器1、分光棱镜2、电光强度调制器3、光声池4、抽气泵5、流量控制器6、光电探测器7、麦克风8、前置放大器9、锁相放大器10、电脑11、大气温湿度-气压检测器12、信号发生器13和波长计14。光声池4为圆柱体。光声池4设有圆筒状的共振腔，共振腔两端分别连接有缓冲室I和缓冲室II。缓冲室I、共振腔和缓冲室II的中心线位于同一轴线上。共振腔左端与缓冲室I连通，缓冲室I设有进气口。进气口连接流量控制器6，流量控制器6连接抽气泵5，抽气泵5与大气连通。共振腔右端与缓冲室II连通，缓冲室II设有出气口，出气口与大气连通。信号发生器13型号为DS360。信号发生器13的一个信号端与电光强度调制器3的信号输入端连接，信号发生器13另一个信号端与锁相放大器10的参考信号端连接。锁相放大器10型号为SR830。麦克风8为E K-23133硅微麦克风，设置在共振腔侧壁。麦克风8的输出端电连接前置放大器9，前置放大器9型号为SR550。前置放大器9的输出端电连接锁相放大器10，锁相放大器10的输出端电连接电脑11。电脑11安装有由labview编写的上位机软件和数据采集卡。数据采集卡采用NI的4472。光电探测器7型号为PDA100A。光电探测器7、大气温湿度-气压检测器12和波长计14的输出端分别与电脑11连接。

光声光谱是基于光声效应的，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，如果将入射光在声频范围内进行光强或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波。通过探测已知浓度或吸收系数的气体的光声信号，即可求出系统的池常数。

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——气体吸收系数(cm^-1)；

P——光功率的峰峰值(W)；

c——气体浓度。

由公式(1)可推导出系统的池常数C_cell为：

$C_{\mathrm{cell}}=\frac{S_{\mathrm{PA}}}{S_m\mathrm{\αPc}}---\left(2\right)$

其中：气体为氧气，氧气的浓度c和吸收系数α已知；麦克风灵敏度S_m已知；S_PA和氧气的光功率的峰峰值P需要通过采集的数据计算得到。

利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法：

可调谐激光器1为TO封装的半导体激光器。搭建好校准系统。调谐半导体激光器，使得可调谐激光器1输出的中心波长与氧气A-band的吸收线相重合。可调谐激光器1发出的光通过分光棱镜2一部分光入射到波长计14。波长计14进行实时监测并显示，同时传输给电脑11的数据采集卡记录。另一部分光经过电光强度调制器3、光声池4的缓冲室I、共振腔和缓冲室II垂直入射到光电探测器7。光电探测器7将光信号转换成电信号输入电脑11的数据采集卡。电脑11采集数据。

抽气泵5从大气中抽气并送入流量控制器6。流量控制器6控制大气的流速。大气以0.2L/min的流量，从缓冲室I的进气口进入光声池4，经过共振腔，由缓冲室II的出气口排出。

装在光声池4共振腔中的麦克风8将拾取的光声信号通过前置放大器9放大和锁相放大器10检波输入电脑11的数据采集卡。

锁相放大器10将取到的共振腔的频率传给信号发生器13，信号发生器13作为信号源传输给电光强度调制器3，电光强度调制器3调节激光强度的调制频率，调制频率与光声池4的共振频率一致。

大气温湿度-气压检测器12采集大气的温、湿度和气压输出给电脑11的数据采集卡。在计算中，大气湿度值对麦克风，8的灵敏度进行补偿；大气压强和温度值对氧气的吸收系数进行补偿。

电脑11的数据采集卡采集并读取光声信号幅值和光功率，labview编写的上位机软件结合大气中氧气的浓度、氧气吸收系数、湿度以及麦克风8灵敏度，计算求得系统的池常数。

获取池常数举例：所用麦克风8灵敏度为22mV/Pa，调节可调谐激光器1调节发射激光波长为13093.634cm-1，对应的氧气在该波长处的吸收系数α＝2.1048×10^-4cm^-1，大气中氧气的体积浓度c＝20.945％，经校准系统测量到调制后激光功率的峰峰值为P＝12mW，光声信号S_PA＝63uV，最后计算得到光声池的池常数为C_cell＝5413.3Pa·cm·W^-1。

Claims (6)

1.一种利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：可调谐激光器(1)发出的光通过分光棱镜(2)一部分光入射到波长计(14)，另一部分光经过电光强度调制器(3)、光声池(4)垂直入射到光电探测器(7)，光电探测器(7)将光信号转换成电信号输入电脑(11)；大气以一定的流速流入光声池(4)，进过光声池(4)的缓冲室和共振腔排出；装在光声池(4)共振腔中的麦克风(8)将拾取的光声信号通过前置放大器(9)放大和锁相放大器(10)检波输入电脑(11)；电脑(11)采集并读取光声信号幅值和光功率、结合大气中氧气的浓度、氧气吸收系数、湿度以及麦克风(8)灵敏度，计算求得系统的池常数。

2.根据权利要求1所述的利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：可调谐激光器(1)输出的中心波长与氧气A-band的吸收线相重合，用波长计(14)进行实时监测并记录和显示。

3.根据权利要求1所述的利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：电光强度调制器(3)可以调节激光强度的调制频率，调制频率与光声池(4)的共振频率一致。

4.根据权利要求1所述的利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：大气的流速控制在流量为0～0.3L/min。

5.根据权利要求1所述的利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：麦克风(8)的灵敏度根据实时监测的大气湿度值进行补偿。

6.根据权利要求1所述的利用大气中的氧气实现光声光谱系统池常数的在线校准方法，其特征在于：氧气的吸收系数根据大气压强和温度值进行补偿。