CN104931427A - 一种基于光路多次反射的光声气体探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光路多次反射的光声气体探测装置，在光声池两端架设两个高反射率凹面镜，其中一个高反射率凹面镜上开小孔。被调制的激光，通过开设的小孔，然后通过光声池，打到另一个高反射率凹面镜上。通过调节光路，使光在两个高反射率凹面镜间来回多次反射，以此来提高探测信号的强度，从而提高探测的灵敏度。信号通过处理，根据信号的值来反演探测气体的浓度。为实现高灵敏度的气体探测提供技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测装置领域，具体为一种基于光路多次反射的光声气体探测装置。
背景技术
由于环境污染越发严重，探测气体种类及含量的技术，对于工业生产，环境监测等领域有积极的意义。因此，人们发展了多种气体检测技术，如气敏法，差分光谱法，傅里叶变换红外光谱法，可调谐二极管激光吸收光谱技术等。
光声光谱技术是基于光声效应的高灵敏气体探测技术。气体吸收光能后，通过无辐射跃迁产生热能，如果将入射光进行光强或者波长的调制，则待测物质将产生同频率的温度变化，进而产生声压，通过对声压强度的探测得到气体浓度。且不同的物质在不同的光波波长处出现吸收峰。光声光谱技术以其探测灵敏度高，动态范围大，体积小以及零背景等优点。在气体检测方面得到关注，并被广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提高光声光谱系统的灵敏度，在圆柱形的纵向共振模式的光声池结构的基础上，通过在两端架设高反射率镜片，使光在光声池内多次反射，从而提高对光的利用率，进而提高气体探测灵敏度。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于光路多次反射的光声气体探测装置，包括激光器、信号发生器、信号处理系统、锁相放大器、前置放大器、光电强度调制器、准直头、开孔高反射率凹面镜、光声池、微音器、高反射率凹面镜和开孔；信号发生器产生的调制信号，送入到光电强度调制器，光电强度调制器根据接收到的信号，来给激光器加载相应的电流控制、温度控制，使激光器被调制，从而产生光强被调制的光，将产生的光通过光纤接到准直头，调节准直头的高度与角度使光通过开孔，并通过光声池打到高反射率凹面镜，使光在两个镜面间形成Herriott型多次反射，以此来提高信号强度，光声池内被测气体分子吸收光辐射从分子振动基态跃迁至振动激发态，随后通过快速的弛豫过程以非辐射方式回到基态，引起气体温度变化，进而引起压强变化，产生声音信号，用微音器来探测产生的声音信号，并转化成相应的电信号，电信号传入前置放大器进行放大，放大后的电信号进入锁相放大器，将信号发生器的信号传入锁相放大器作为参考信号，用锁相放大器对输入的电信号进行处理，锁相放大器输出端与信号处理系统相连，最终显示出探测的信号。
其中，在光声池两端加了高反射率凹面镜和开孔高反射率凹面镜。
其中，两个高反射率凹面镜的曲率半径都设为682.07mm，直径Ф＝25mm，开孔的高反射率凹面镜上的开孔直径为Ф＝2mm，开孔的圆心与开孔的高反射率凹面镜的圆心相距5mm，两个镜面之间相距160mm左右，以上参数满足Herriott型多次反射池的设计要求，实现了稳定腔形式的光路。
本发明的原理在于：
本发明主要包括两个高反射率的凹面镜，其中一个高反射率凹面镜打孔。两个高反射率凹面镜的曲率半径都设为R＝682.07mm，且两个高反射率凹面镜的直径都设置为Ф＝25mm。其中一个高反射率凹面镜打孔，孔的直径设置为Ф＝2mm。孔的圆心距高反射率凹面镜圆心的距离为5mm。将两个高反射率凹面镜，假架设到谐振式光声池的两端，相距160mm左右。通过调节光路，使光在两个高反射率凹面镜之间多次反射，增加光程。
光声光谱技术的基本原理：激励光束经强度调制后入射至光声池内，光声池内被测气体分子吸收光辐射从分子振动基态跃迁至振动激发态，随后通过快速的弛豫过程以非辐射方式回到基态，将分子的振动能转化为平动能，从而引起气体气压升高。当激励光束强度被调制时，气压便以同样的频率被调制而形成声波，这一声波可以通过安装在光声池上的麦克风检测，转换成电信号。通过对电信号的探测，来反演气体的浓度。
光声信号S的表达式为：S＝P×M×Ccell×a0×C+Sb，P为光功率；M为微音器探测响应度；a0为气体的吸收系数；C为气体的浓度；Sb为光声池的背景噪声。由于光在光声池内反射所用的时间要比气体吸收光产生声音的时间低几个量级，因此使激光器产生的光在光声池间来回反射，相当于增加了光功率，在其他因素不变的情况下，提高了信号强度，进而提高了系统的探测灵敏度。
理论上光反射一次，系统的信号强度增加了一倍，但由于反射对光有损耗，因此实际上要小一些。
由上面所述，所以将上述两个高反射率凹面镜，假架设到谐振式光声池的两端，相距160mm左右。通过调节光路，使光在两个高反射率凹面镜之间多次反射，增加光程。进而增加系统的探测灵敏度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明将Herriott型多次反射技术与光声光谱技术相结合，提高了系统的探测灵敏度。
(2)、本发明在不改变光声池容积的情况下，保证了系统的原有响应时间，同时降低了探测极限，使应用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明一种基于光路多次反射的光声气体探测装置的工作原理示意图，其中，1为激光器，2为信号发生器，3为信号处理系统，4为锁相放大器，5为前置放大器，6为光电强度调制器，7为准直头，8为开孔高反射率凹面镜，9为光声池，10为微音器，11为高反射率凹面镜，12为开孔。
图2为开孔高反射率凹面镜的光斑图。
图3为高反射率凹面镜的光斑图。
图4为光声光谱系统在光路单次反射和多次反射两种状态下得到的平均128次后的信号强度的比较(其他因素都不变的情况下)。
具体实施方式
下面结合系统图对本发明作进一步的说明：
如图1所示，一种基于光路多次反射的光声气体探测装置，包括激光器1、信号发生器2、信号处理系统3、锁相放大器4、前置放大器5、光电强度调制器6、准直头7、开孔高反射率凹面镜8、光声池9、微音器10、高反射率凹面镜11和开孔12；信号发生器3产生的调制信号，送入到光电强度调制器6，光电强度调制器6根据接收到的信号，来给激光器1加载相应的电流控制、温度控制，使激光器1被调制，从而产生光强被调制的光，将产生的光通过光纤接到准直头7，调节准直头7的高度与角度使光通过开孔12，并通过光声池9打到高反射率凹面镜11，使光在两个镜面间形成Herriott型多次反射，以此来提高信号强度，光声池内被测气体分子吸收光辐射从分子振动基态跃迁至振动激发态，随后通过快速的弛豫过程以非辐射方式回到基态，引起气体温度变化，进而引起压强变化，产生声音信号，用微音器10来探测产生的声音信号，并转化成相应的电信号，电信号传入前置放大器5进行放大，放大后的电信号进入锁相放大器4，将信号发生器3的信号传入锁相放大器4作为参考信号，用锁相放大器4对输入的电信号进行处理，锁相放大器4输出端与信号处理系统3相连，最终显示出探测的信号。
两个高反射率凹面镜的曲率半径都设为682.07mm，直径Ф＝25mm，开孔的高反射率凹面镜8上的开孔12直径为Ф＝2mm，开孔12的圆心与开孔的高反射率凹面镜8的圆心相距5mm，两个镜面之间相距160mm左右，以上参数满足Herriott型多次反射池的设计要求，实现了稳定腔形式的光路。
先将光声池固定，然后在光声池两端架设两个高反射率凹面镜，开孔高反射率凹面镜8和高反射率凹面镜11，两者相距160mm左右。
本发明中，设计的光路在两个高反射率凹面镜间共反射18次。首先用可见光的激光接入准直器，通过调节准直器的高度和角度，使光线通过图2所示前端高反射率凹面镜的小孔①，并且通过光声池，打到图3所示对面高反射率凹面镜②处，按照设计，再反射到图2所示开孔高反射率凹面镜的③处；以此按数字顺序在两镜面间来回反射，最后光会从图2所示前端高反射率凹面镜的小孔①处射出，共来回反射18次。然后将光源换成探测气体所需的激光光源，则此时的光和刚才调节的光路应该是一样的。则此时的光路来回反射了18次。
激光光源经过调制，通过光声池，被气体吸收，通过无辐射产生热能。由于光源经过调制，产生的温度变化也是同频率的，进而产生声压；声压信号被微音器10探测，转化成电信号，电信号送入前置放大器5进行放大；放大后的电信号进入锁相放大器4，然后送入信号处理系统，得到信号；最后利用得到的信号反演出气体浓度。
通过图4可以看出，本发明明显的提高了信号强度，进而提高系统的灵敏度，降低了探测极限，使应用范围更加广泛。
Claims (3)
1.一种基于光路多次反射的光声气体探测装置，其特征在于：包括激光器(1)、信号发生器(2)、信号处理系统(3)、锁相放大器(4)、前置放大器(5)、光电强度调制器(6)、准直头(7)、开孔高反射率凹面镜(8)、光声池(9)、微音器(10)、高反射率凹面镜(11)和开孔(12)；信号发生器(3)产生的调制信号，送入到光电强度调制器(6)，光电强度调制器(6)根据接收到的信号，来给激光器(1)加载相应的电流控制、温度控制，使激光器(1)被调制，从而产生光强被调制的光，将产生的光通过光纤接到准直头(7)，调节准直头(7)的高度与角度使光通过开孔(12)，并通过光声池(9)打到高反射率凹面镜(11)，使光在两个镜面间形成Herriott型多次反射，以此来提高信号强度，光声池内被测气体分子吸收光辐射从分子振动基态跃迁至振动激发态，随后通过快速的弛豫过程以非辐射方式回到基态，引起气体温度变化，进而引起压强变化，产生声音信号，用微音器(10)来探测产生的声音信号，并转化成相应的电信号，电信号传入前置放大器(5)进行放大，放大后的电信号进入锁相放大器(4)，将信号发生器(3)的信号传入锁相放大器(4)作为参考信号，用锁相放大器(4)对输入的电信号进行处理，锁相放大器(4)输出端与信号处理系统(3)相连，最终显示出探测的信号。
2.根据权利要求1所述的基于光路多次反射的光声气体探测装置，其特征在于：在光声池(9)两端加了高反射率凹面镜(11)和开孔高反射率凹面镜(8)。
3.根据权利要求2所述的基于光路多次反射的光声气体探测装置，其特征在于：两个高反射率凹面镜的曲率半径都设为682.07mm，直径Ф＝25mm，开孔的高反射率凹面镜(8)上的开孔(12)直径为Ф＝2mm，开孔(12)的圆心与开孔的高反射率凹面镜(8)的圆心相距5mm，两个镜面之间相距160mm左右，以上参数满足Herriott型多次反射池的设计要求，实现了稳定腔形式的光路。
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