CN105300889A - 采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置，属于光声光谱技术和漫反射积分腔应用技术领域。本发明是为了解决光声光谱技术在对气体进行检测时，传统光声池光能的利用率较低的问题。本发明所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置，在继承传统光声光谱技术优势的基础上，将生产工艺简单、价格低廉的高漫反射长方腔应用于光声光谱痕量气体探测中，通过延长光程，从而提高了气体测量的灵敏度，提高了光能的利用率，进而降低了气体浓度测量系统的成本，并具有响应速度快、稳定性好、维护简单、可实时监测等优点。本发明可对低浓度气体进行实时监测。

Description

采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置

技术领域

本发明属于光声光谱技术和漫反射积分腔应用技术领域，尤其涉及一种采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置。

背景技术

气体浓度的实时监测在工业生产、环境监测等领域都有十分重要的应用，例如煤炭燃烧的过程中会产生大量NO，对环境及人身都有巨大危害，因此工业上常在烟道中通入NH₃，使其与NO进行反应，生成N₂及H₂O，达到消除NO的目的。然而NH₃成本较高，过量会导致浪费，不足又会导致NO过滤不彻底，因而对NH₃浓度的准确测量就尤为重要。

光声光谱技术(Photoacousticspectroscopy-PAS)作为一种新型气体传感技术，具有灵敏度高，可实时监测等特点。近年来，低噪声、高灵敏度的微音器及微弱信号电子检测技术的发展，更使得光声光谱气体检测技术灵敏度的大幅度提升成为可能。另一方面，为使装置的气体检测限更低，在传统PAS技术的基础上，增加光声池的光程是提高探测灵敏度的有效手段。对于传统光声池，光线入射后，大部分光能从出射窗口出射，未被池内气体吸收，光能的利用率较低。

发明内容

本发明是为了解决光声光谱技术在对气体进行检测时，传统光声池光能的利用率较低的问题，现提供采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置。

采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法，该方法是基于下述装置实现的，所述装置包括：锯齿波信号发生器1、正弦波信号发生器2、耦合器3、电流控制器4、温度控制器5、可调谐二极管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射长方腔8和信号转换装置11；

锯齿波信号发生器1的锯齿波信号输出端连接耦合器3的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器2的正弦波信号输出端连接耦合器3的正弦波信号输入端，

耦合器3的耦合信号输出端连接电流控制器4的耦合信号输入端，

电流控制器4的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器6的电流信号输入端，

温度控制器5的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器6的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器6输出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7将其入射光透射至漫反射长方腔8内，

漫反射长方腔8内充有待测量的气体，信号转换装置11位于漫反射长方腔8内，且用于采集漫反射长方腔8内的气压信号；

所述方法包括：

步骤一：将锯齿波信号发生器1产生的扫描锯齿波信号和正弦波信号发生器2产生的调制正弦波信号通过耦合器3耦合到电流控制器4上，

步骤二：通过电流控制器4与温度控制器5控制可调谐二极管激光器6的工作电流和工作温度，使得可调谐二极管激光器6输出激光，且该激光的中心波长能够完整地扫描过待测量气体吸收线，

步骤三：将可调谐二极管激光器6输出的激光经楔形玻璃片7透射入漫反射长方腔8内，漫反射长方腔8的入射光被腔内壁多次反射直至形成均匀光场，使得入射光在腔内的光程延长，

步骤四：利用信号转换装置11采集漫反射长方腔8内的气压变化信号，并将该气压变化信号转换为电信号，即：调制信号，

步骤五：利用正弦波信号发生器2产生的调制正弦波信号对调制信号进行解调，获得调制信号的二次谐波分量，即待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)，

步骤六：利用待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，它包括：锯齿波信号发生器1、正弦波信号发生器2、耦合器3、电流控制器4、温度控制器5、可调谐二极管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射长方腔8、信号转换装置11、锁相放大器12、数据采集卡13和计算机14；

锯齿波信号发生器1的锯齿波信号输出端同时连接耦合器3的锯齿波信号输入端和数据采集卡13的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器2的正弦波信号输出端同时连接耦合器3的正弦波信号输入端和锁相放大器12的正弦波信号输入端，

耦合器3的耦合信号输出端连接电流控制器4的耦合信号输入端，

电流控制器4的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器6的电流信号输入端，

温度控制器5的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器6的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器6输出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7将其入射光透射至漫反射长方腔8内，

漫反射长方腔8内充有待测量的气体，信号转换装置11位于漫反射长方腔8内，且用于采集漫反射长方腔8内的气压信号，

信号转换装置11的调制信号输出端连接锁相放大器12的调制信号输入端，

锁相放大器12的解调信号输出端连接数据采集卡13的解调信号输入端，

数据采集卡13的解调信号输出端连接计算机14的解调信号输入端。

上述计算机14中包括以下单元：

信号采集单元：采集数据采集卡13输出的解调信号，

气体浓度计算单元：利用解调信号获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_s(ω₀)为待测量气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数，即：解调信号，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

本发明所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法及装置，在继承传统光声光谱技术优势的基础上，将生产工艺简单、价格低廉的高漫反射长方腔应用于光声光谱痕量气体探测中，通过延长光程，从而提高了气体测量的灵敏度，提高了光能的利用率，进而降低了气体浓度测量系统的成本，并具有响应速度快、稳定性好、维护简单、可实时监测等优点。本发明可对低浓度气体进行实时监测。

附图说明

图1为采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法的流程图；

图2为采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法，该方法是基于下述装置实现的，所述装置包括：锯齿波信号发生器1、正弦波信号发生器2、耦合器3、电流控制器4、温度控制器5、可调谐二极管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射长方腔8和信号转换装置11；

锯齿波信号发生器1的锯齿波信号输出端连接耦合器3的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器2的正弦波信号输出端连接耦合器3的正弦波信号输入端，

耦合器3的耦合信号输出端连接电流控制器4的耦合信号输入端，

电流控制器4的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器6的电流信号输入端，

温度控制器5的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器6的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器6输出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7将其入射光透射至漫反射长方腔8内，

漫反射长方腔8内充有待测量的气体，信号转换装置11位于漫反射长方腔8内，且用于采集漫反射长方腔8内的气压信号；

所述方法包括：

步骤一：将锯齿波信号发生器1产生的扫描锯齿波信号和正弦波信号发生器2产生的调制正弦波信号通过耦合器3耦合到电流控制器4上，

步骤二：通过电流控制器4与温度控制器5控制可调谐二极管激光器6的工作电流和工作温度，使得可调谐二极管激光器6输出激光，且该激光的中心波长能够完整地扫描过待测量气体吸收线，

步骤三：将可调谐二极管激光器6输出的激光经楔形玻璃片7透射入漫反射长方腔8内，漫反射长方腔8的入射光被腔内壁多次反射直至形成均匀光场，使得入射光在腔内的光程延长，

步骤四：利用信号转换装置11采集漫反射长方腔8内的气压变化信号，并将该气压变化信号转换为电信号，即：调制信号，

步骤五：利用正弦波信号发生器2产生的调制正弦波信号对调制信号进行解调，获得调制信号的二次谐波分量，即待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)，

步骤六：利用待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

本实施方式中，信号转换装置11获得的调制信号为电信号。光在漫反射长方腔8内经过多次反射后形成均匀光场并被腔内气体吸收，并最终导致腔内气体压强随调制频率周期性变化，变化的压强信号腔内安置的信号转换装置11接收压强变化信号并将其转化为电信号。

本实施方式中，能够利用锁相放大器12完成步骤五，利用计算机14完成步骤六。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法作进一步说明，本实施方式中，信号转换装置11为微音器或石英音叉。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法作进一步说明，本实施方式中，漫反射长方腔8的内壁涂有可见波段至中外波段均具有高漫反射率的涂料，该高漫反射率的涂料的漫反射率在98％-99.6％之间。

具体实施方式四：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，它包括：锯齿波信号发生器1、正弦波信号发生器2、耦合器3、电流控制器4、温度控制器5、可调谐二极管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射长方腔8、信号转换装置11、锁相放大器12、数据采集卡13和计算机14；

锯齿波信号发生器1的锯齿波信号输出端同时连接耦合器3的锯齿波信号输入端和数据采集卡13的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器2的正弦波信号输出端同时连接耦合器3的正弦波信号输入端和锁相放大器12的正弦波信号输入端，

耦合器3的耦合信号输出端连接电流控制器4的耦合信号输入端，

电流控制器4的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器6的电流信号输入端，

温度控制器5的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器6的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器6输出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7将其入射光透射至漫反射长方腔8内，

漫反射长方腔8内充有待测量的气体，信号转换装置11位于漫反射长方腔8内，且用于采集漫反射长方腔8内的气压信号，

信号转换装置11的调制信号输出端连接锁相放大器12的调制信号输入端，

锁相放大器12的解调信号输出端连接数据采集卡13的解调信号输入端，

数据采集卡13的解调信号输出端连接计算机14的解调信号输入端。

漫反射积分腔(Integratingcavity-IC)在气体吸收光谱的检测中常被用作长光程气体吸收池。其内壁涂覆的具有高漫反射率的涂层可将入射光多次反射，直至在腔内形成均匀光场，以达到光程延长的目的，使腔内气体与光作用时间更长，提高光能的利用率。长方腔体积小，空间占用率低，制作成本低，很适于开发高灵敏、低成本、小型化的气体监测装置，因此在本实施方式中采用漫反射长方腔8。

本实施方式中，将锯齿波信号发生器1产生频率为f₁的扫描锯齿波信号和正弦波信号发生器2产生频率为f₂的调制正弦波信号通过耦合器3耦合到电流控制器4上，通过电流控制器4与温度控制器5控制可调谐二极管激光器6的工作电流和工作温度，使得可调谐二极管激光器6输出激光的中心波长能够完整地扫描过待测量气体吸收线。可调谐二极管激光器6的调制输出激光经过贴有楔形玻璃片7进入漫反射长方腔8内，漫反射长方腔8内充有待测量气体，入射光被腔内壁多次反射直至形成均匀光场，使得光在腔内的光程延长。腔内气压信号的变化被安置于腔内的信号转换装置11接收，并将其输入到锁相放大器12中，锁相放大器12利用正弦波信号发生器2产生频率f₂对调制信号进行解调，并得到调制信号的二次谐波分量作为光声信号，并且该光声信号被最终输入到数据采集卡13中，锯齿波信号发生器1产生TTL触发信号触发数据采集卡13，使其能够实时采集锁相放大器12输出的信号，最后由计算机14记录信号，并利用标定气体浓度信号推导出被测气体浓度信息。

由于光在漫反射长方腔8内传输过程中与腔内气体相互作用并被气体吸收，吸收入射光的气体分子被激发到高能态，通过自发辐射与无辐射弛豫回到低能态，在无辐射弛豫过程中，能量转化为气体分子的内能，使其温度T升高。根据理想气体的克拉伯龙方程

PV＝nRT

其中,P为大气压强，V为气体体积，n为物质的量，R为气体常数，T为温度，

在体积V一定的条件下，温度T的变化导致腔内气体压强随光调制频率周期性的变化。该变化信号被安置于腔内的信号转换装置11接收，并将其转化为电信号输入到锁相放大器12中，锁相放大器12对调制信号进行解调，并得到其二次谐波分量信号可由下式表述：

$S=\frac{2P_L{\mathrm{\σ}}_{ik}}{fV}{N}_i\mathrm{\Δ}x\mathrm{\Δ}t(1-{\mathrm{\η}}_k)S_m\∝N_i$

其中P_L为输入激光功率，σ_ik为被测气体吸收截面，N_i为待测量气体分子的粒子数密度，△x为光程，△t为激光时间间隔，η_k为量子效率，S_m为信号转换装置11的灵敏度，f为待测量气体分子自由度。因此，信号的大小正比于池内气体分子浓度，故可由解调信号反映池内气体浓度信息。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，计算机14中包括以下单元：

信号采集单元：采集数据采集卡13输出的解调信号，

气体浓度计算单元：利用解调信号获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_s(ω₀)为待测量气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数，即：解调信号，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

对于给定的漫反射长方腔和初始光强为I₀的光源，待测量气体的浓度的表达式可以表示为：N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)，式中N_s为样品池中待测气体浓度，S_s(ω₀)为待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时得到的气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，漫反射长方腔8上设有进气口9和出气口10。

在实际应用时，利用进气口9向漫反射长方腔8内充入待测量气体，然后将进气口9密封，待测量结束之后，再将测量后的气体从出气口10排出。本实施方式增加的进气口9和出气口10便于气体的充放。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，漫反射长方腔8的内壁涂有可见波段至中外波段均具有高漫反射率的涂料，该高漫反射率的涂料的漫反射率在98％-99.6％之间。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，楔形玻璃片7位于该入光孔处，楔形玻璃片7的透射光从入光孔入射至漫反射长方腔8内。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，信号转换装置11为微音器或石英音叉。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式四所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置作进一步说明，本实施方式中，数据采集卡13通过PCI接口与计算机14连接。

Claims (10)

1.采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法，该方法是基于下述装置实现的，所述装置包括：锯齿波信号发生器(1)、正弦波信号发生器(2)、耦合器(3)、电流控制器(4)、温度控制器(5)、可调谐二极管激光器(6)、楔形玻璃片(7)、漫反射长方腔(8)和信号转换装置(11)；

锯齿波信号发生器(1)的锯齿波信号输出端连接耦合器(3)的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器(2)的正弦波信号输出端连接耦合器(3)的正弦波信号输入端，

耦合器(3)的耦合信号输出端连接电流控制器(4)的耦合信号输入端，

电流控制器(4)的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器(6)的电流信号输入端，

温度控制器(5)的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器(6)的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器(6)输出的激光入射至楔形玻璃片(7)的斜面，楔形玻璃片(7)将其入射光透射至漫反射长方腔(8)内，

漫反射长方腔(8)内充有待测量的气体，信号转换装置(11)位于漫反射长方腔(8)内，且用于采集漫反射长方腔(8)内的气压变化信号；

其特征在于，所述方法包括：

步骤一：将锯齿波信号发生器(1)产生的扫描锯齿波信号和正弦波信号发生器(2)产生的调制正弦波信号通过耦合器(3)耦合到电流控制器(4)上，

步骤二：通过电流控制器(4)与温度控制器(5)控制可调谐二极管激光器(6)的工作电流和工作温度，使得可调谐二极管激光器(6)输出激光，且该激光的中心波长能够完整地扫描过待测量气体吸收线，

步骤三：将可调谐二极管激光器(6)输出的激光经楔形玻璃片(7)透射入漫反射长方腔(8)内，漫反射长方腔(8)的入射光被腔内壁多次反射直至形成均匀光场，使得入射光在腔内的光程延长，

步骤四：利用信号转换装置(11)采集漫反射长方腔(8)内的气压变化信号，并将该气压变化信号转换为电信号，即：调制信号，

步骤五：利用正弦波信号发生器(2)产生的调制正弦波信号对调制信号进行解调，获得调制信号的二次谐波分量，即待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)，

步骤六：利用待测气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数S_s(ω₀)获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

2.根据权利要求1所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法，其特征在于，信号转换装置(11)为微音器或石英音叉。

3.根据权利要求1所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的方法，其特征在于，漫反射长方腔(8)的内壁涂有可见波段至中外波段均具有高漫反射率的涂料，该高漫反射率的涂料的漫反射率在98％-99.6％之间。

4.采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，它包括：锯齿波信号发生器(1)、正弦波信号发生器(2)、耦合器(3)、电流控制器(4)、温度控制器(5)、可调谐二极管激光器(6)、楔形玻璃片(7)、漫反射长方腔(8)、信号转换装置(11)、锁相放大器(12)、数据采集卡(13)和计算机(14)；

锯齿波信号发生器(1)的锯齿波信号输出端同时连接耦合器(3)的锯齿波信号输入端和数据采集卡(13)的锯齿波信号输入端，

正弦波信号发生器(2)的正弦波信号输出端同时连接耦合器(3)的正弦波信号输入端和锁相放大器(12)的正弦波信号输入端，

耦合器(3)的耦合信号输出端连接电流控制器(4)的耦合信号输入端，

电流控制器(4)的电流信号输出端连接可调谐二极管激光器(6)的电流信号输入端，

温度控制器(5)的温控信号输出端连接可调谐二极管激光器(6)的温控信号输入端，

可调谐二极管激光器(6)输出的激光入射至楔形玻璃片(7)的斜面，楔形玻璃片(7)将其入射光透射至漫反射长方腔(8)内，

漫反射长方腔(8)内充有待测量的气体，信号转换装置(11)位于漫反射长方腔(8)内，且用于采集漫反射长方腔(8)内的气压信号，

信号转换装置(11)的调制信号输出端连接锁相放大器(12)的调制信号输入端，

锁相放大器(12)的解调信号输出端连接数据采集卡(13)的解调信号输入端，数据采集卡(13)的解调信号输出端连接计算机(14)的解调信号输入端。

5.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，计算机(14)中包括以下单元：

信号采集单元：采集数据采集卡(13)输出的解调信号，

气体浓度计算单元：利用解调信号获得待测量气体的浓度N_s，

N_s＝S_s(ω₀)N_r/S_r(ω₀)

其中，S_s(ω₀)为待测量气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数，即：解调信号，S_r(ω₀)为标定气体浓度为N_r时，标定气体调制信号的第二阶傅立叶展开系数。

6.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，漫反射长方腔(8)上设有进气口(9)和出气口(10)。

7.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，漫反射长方腔(8)的内壁涂有可见波段至中外波段均具有高漫反射率的涂料，该高漫反射率的涂料的漫反射率在98％-99.6％之间。

8.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，楔形玻璃片(7)位于该入光孔处，楔形玻璃片(7)的透射光从入光孔入射至漫反射长方腔(8)内。

9.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，信号转换装置(11)为微音器或石英音叉。

10.根据权利要求4所述的采用漫反射积分腔作为光声池测量痕量气体浓度的装置，其特征在于，数据采集卡(13)通过PCI接口与计算机(14)连接。