CN107290283A - 一种低噪声差分结构的多用途光声池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低噪声差分结构的多用途光声池，主要解决了现有光声池存在背景噪声较大、适用的载气种类少的问题。本发明针对不同应用环境，选择最优的共振腔长度、直径、窗口材质、小孔直径、缓冲室厚度以及麦克风灵敏度。光声池有两个完全一样的声学共振腔，可以采用差分放大器将气流、窗口及电磁噪声消除，且共振式结构可以减低1/f噪声的影响。该差分共振结构的光声池，能够有效降低背景噪声，提高探测信噪比。另外，该光声池的几何参数设计，不仅满足在N₂作为载气下的探测需求，而且在CO₂和SF₆等载气下，自动变为一个高品质因数的共振腔，进一步提高了探测灵敏度。这种设计扩展了光声池的适用载气种类，使其成为一种多用途的高灵敏光声池。

Description

一种低噪声差分结构的多用途光声池

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，具体涉及一种低噪声差分结构的多用途光声池。

背景技术

痕量气体探测在大气环境监测、工业过程控制、无创医疗诊断以及生命科学等领域有着广泛的应用需求。随着激光技术的发展，激光光谱技术已经成为一种具有灵敏度高、选择性好及响应时间快等优势的气体检测方法。

光声光谱法即是基于光声效应的一种激光光谱探测技术。其基本原理为：待测气体吸收特殊波段的激光能量后，气体分子从基态跃迁到激发态，但由于高能级激发态的不稳定性，会通过碰撞弛豫重新回到基态，同时根据能量守恒定律，将吸收的光能量转化为分子的平动能，即造成气室中局部温度升高。当激光以一定频率调制后，局部温度就会周期性的升高降低，从而生成与激光调制频率一致的声波信号。当使用一款高灵敏的麦克风对声波信号采集，并转换为周期性的电流信号后，通过分析这些电信号就可以获得待测气体的浓度信息，且目标气体的浓度与电流信号幅度的大小成正比关系。

基于光声光谱检测技术的探测系统中，一般采用一个光声池作为探测模块。传统的光声池中有一个光声共振腔，用来收集积累的光声信号，并将其转换为电信号后放大输出。但是该信号中不止有待测气体退激发产生的声波信号，也包含窗口噪声，气流噪声，外部的环境噪声以及麦克风的热噪声，这样在使用传统的单通道光声池结构时，无法消除窗口噪声和气流噪声带来的背景噪声，且对工作的环境噪声比较敏感，最终造成气体传感器探测灵敏度比较低。

另外现有的共振型光声池通常都是使用N₂作为载气，探测其中的痕量气体。但有时在特殊领域，例如锅炉内部的燃烧气体中CO₂成分高达80％；电力系统GIS设备中SF₆气体浓度高达99.9％。这些载气的改变极大的影响了光声池内部声波的速度和阻尼系数，从而改变了光声池的性质，使其灵敏度恶化，甚至功能失效，根本无法使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光声池存在背景噪声较大、适用的载气种类少的技术问题，提供一种低噪声差分结构的多用途光声池。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低噪声差分结构的多用途光声池，包括壳体、两颗驻极体电容麦克风、两片光学玻璃窗口和两个固定框，在所述壳体的两端口分别设有一个气体缓冲室，在壳体的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔，且使两个光声共振腔的两端口与设置在壳体两端的气体缓冲室连通，在壳体左端的侧壁设有进气孔，且使进气孔与设置在壳体左端的气体缓冲室连通，在壳体右端的侧壁设有出气孔，且使出气孔与设置在壳体右端的气体缓冲室连通，在壳体侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔，且使两个麦克风小孔分别与两个光声共振腔连通，两颗驻极体电容麦克风分别设置在两个麦克风小孔上，两片光学玻璃窗口分别通过两个固定框固定在壳体的两端口。光声池的设计结构简单，各个组件对称分布，易加工，光声共振腔内表面抛光处理，减少了声波阻尼，有利于光声信号能量在腔中的积累，从而形成驻波，提高了灵敏度。

所述两个麦克风小孔相邻设置，缩短了两个麦克风弱电流信号在电线中的传输距离，避免了弱电流信号传输过程中引入其他电子噪声。

在所述固定框与光学玻璃窗口之间、光学玻璃窗口与壳体的端口之间还设有密封圈，密封圈可以使光学玻璃片与固定框以及与壳体的端口之间密封良好，使光声池形成一个密闭空间。

所述光声共振腔长为50mm-120mm，直径为5mm-12mm。可以针对不同光束质量的光源，选择不同的共振腔直径，在保证背景噪声不变的情况下，获得最大的光声信号。光声共振腔的长度可以满足不同载气的应用环境，使光声池的共振频率大于1kHz，可以极大地减低1/f噪声的影响，提高探测信噪比。

所述麦克风小孔直径为1mm-2mm，在不破坏声音驻波模式的情况下，能够有效地将声波信号传输给麦克风。

所述缓冲室壁厚为5mm-15mm，针对不同长度的光声共振腔，选择最优的缓冲室厚度，且可以有效地隔离窗口噪声以及气流噪声的影响。

所述光学玻璃窗口为透红外的氟化钙或镀增透膜的K9玻璃，或透紫外以及可见光的石英窗口，光学窗口可以将光声池形成密闭空间，并保证光源进入光声共振腔产生光声信号，并从另一端输出。不同材质的光学窗口可以满足不同波长范围的激励光源，减少窗口对激光能量的吸收，减低窗口噪声。

所述驻极体电容麦克风的灵敏度大于-32dB，小于-20dB，体积小，功耗低且灵敏度高，能够有效地将光声信号转换为电流信号。

本发明采用以上技术方案，针对不同的激励光源和应用环境，可以选择最优的光声共振腔长度、直径、窗口材质、小孔直径、缓冲室厚度以及麦克风灵敏度。由于两个完全一样的声学共振腔，因此具有相同的气流、窗口噪声以及环境电磁干扰，通过采用差分放大器可以有效地将背景噪声消除。另外光声池采用了共振式结构，在共振腔中声压模式为一次纵向驻波模式，因此为使光声信号与共振腔的共振频率形成共振，将积累的光声能量达到最大，需要对激励光源进行调制(>1kHz)，这样可以减低1/f噪声的影响，这种差分共振结构的光声池，能够有效抑制背景噪声的影响，明显提高气体传感器的探测信噪比。另外，该光声池的几何参数设计，使其在N₂作为载气的情况下成为一个品质因数大于20的共振腔，这个值可以满足在N₂作为载气下的需求。在CO₂和SF₆等载气下该光声池自动变为一个品质因数腔大于50的共振腔，进一步提高了探测灵敏度。这种设计扩展了光声池的适用载气种类，使其成为一种多用途的高灵敏光声池。

本发明的设计理论依据如下：

气体检测装置的灵敏度由信噪比(S/N，S是信号幅值，N是噪声)来决定。为获得较高的灵敏度，一方面可以提高信号幅值，另一方面可以降低噪声。本发明中通过巧妙地设计光声池的结构来减低噪声，并采用了多种途径来提高传感系统的光声信号幅值。具体的光声池的结构和提升光声信号的途径阐述如下：

为降低噪声，光声池的设计采用了双声音共振腔结构。在每一个光声共振腔的纵向中心位置各安装了一颗高灵敏的驻极体电容麦克风，用来探测在声学腔中积累的光声能量，并将光声能量转换为电流信号。在气体探测装置的实际测量中，麦克风探测到的信号不止含有待测气体退激发释放的光声信号U₁，还包含窗口吸收激光能量后释放的噪声信号N₁，气流带来的噪声N₂以及外围环境的电磁噪声N₃。这些噪声信号属于技术噪声，有一定的规律可寻。实验中，一束平行激光光束发射到光声池中的一个光声共振腔，麦克风探测的信号S₁为：S₁＝U₁+N₁+N₂+N₃。而另外一个光声共振腔中没有激励光束通过，因此没有待测气体释放的光声信号，麦克风探测的信号S₂为：S₂＝N₁+N₂+N₃。由于两个完全一样的光学共振腔，麦克风，气体缓冲室以及光学窗口保证了光声池的结构是左右对称的，因此每颗麦克风探测到的窗口噪声、气流噪声和电磁噪声是一样。经过差分之后，光声池最终的输出信号幅值S₃为：S₃＝S₁-S₂＝U₁。即光声池最终输出的信号只是待测气体释放的光声信号。两颗麦克风被紧凑地安装在每个光声共振腔的顶部，缩短了电流信号的传输距离，可以防止微弱的电流信号淹没在电磁噪声中。经过实验验证，相邻设置的麦克风结构可以有效地将光声池的噪声降低到0.12μV。相对于非相邻设置的麦克风结构，在相同的待测气体浓度，激励光源等情况下，将气体检测装置的探测灵敏度提高了14倍。在光声共振腔的两侧各有一个气体缓冲室，使该光声共振腔作为开腔结构，且可以有效地减低气流噪声的影响。一个气体缓冲室连接气体进气口，另外一个气体缓冲室连接气体出气口。在每个气体缓冲室的一侧各安装了一面光学窗口，形成密闭腔体，并保证光源进入光声共振腔产生光声信号，并从另一端输出。

采用差分配置的共振光声池可以有效地避免气流噪声、窗口噪声以及外围环境电磁噪声干扰，极大地提高光声探测模块的探测信噪比。由于两个完全一样的光学共振腔，麦克风，气体缓冲室以及光学窗口保证了光声池的结构是左右对称的，这样在没有激励光源产生光声信号时，每个麦克风采集到的信号是完全相同的。将两个麦克风的采集电流信号差分放大后，此时理论上，光声池的信号电流输出为零。

进一步的，光声池采用了共振式结构，在共振腔中声压模式为一次纵向驻波模式，因此为使光声信号与共振腔的共振频率形成共振，将积累的光声能量达到最大，需要对激励光源进行调制(>1kHz)，这样可以减低1/f噪声的影响。

气体检测装置的光声信号幅值S可以表示为：

S＝CαP₀ (1)

其中C是光声池常数，α是待测气体分子吸收系数，它与气体浓度和被测气体的吸收线强度成正比，P₀是激光光源的输出功率。因此为了提高气体传感系统的光声信号有三种途径可以实现：(1)选择更强的气体吸收线；(2)选择使用更高功率的激励光源；(3)设计制作常数C比较大的光声池。

目前，由于光源的波长的限制，利用气体分子的红外吸收光谱对气体浓度进行测量时，一般在以下两个波长区域进行：近红外区域(0.78--2μm)和中红外区域(2--25μm)。气体分子位于中红外区域的基频振动吸收比位于近红外区域的泛频振动吸收要强两到三个数量级，因此中红外区域是最佳的气体探测波段。近几年随着光纤通信技术的发展，成本低廉的、通讯波段的光纤放大器可以将近红外的激光输出能量泵浦到1-20瓦特量级甚至更高。根据公式(1)，提高功率可以弥补近红外波长区域吸收系数较低的不足，提升光声信号的强度。光声池常数C描述了该光声池的探测能力，常数C可以用下式表示：

其中，f是共振频率，Q是品质因数，V是共振腔体积，L是共振腔长度，F是激光光束与驻声波模式的空间重叠，σ是背景气体的比热容。C值大小主要受Q因子、共振腔的横截面积(V/L)和载气种类(σ)影响。

光声共振腔的Q因子定义为在一个周期内，存储的声波能量与耗散的声波能量比值。Q值越大，光声传感模块常数C越大，因此传感系统的信号也越大。光声探测模块的Q值可由下式计算获得：

式中，R为共振腔的内径，d_v和d_h分别为粘性边界层厚度和热边界层厚度，与气体粘性μ、气体密度ρ₀、气体导热系数κ、摩尔质量M以及气体比热容c_p等背景气体的物理常数有关，粘性边界层厚度d_v和热边界层厚度d_h表达式为：

对同一个光声池，经理论计算和实验验证，对于在N₂作为背景气体时低Q的光声池，在与N₂性质不同的某些背景气体下，例如CO₂和SF₆，会自动转变为一个高Q的光声池，进而增加了光声信号，提高了在这些特殊载气下的探测信噪比。

因此通过增加激光功率和提高光声池常数，能够有效提升光声信号幅值。

值得注意的是，根据等式(1)，激光功率与信号幅值成正比，功率越大，幅值越大。但实际情况下，激光器的功率并不是越大越好。随着激光器输出功率的提高，一方面会出现饱和效应，被测气体信号幅值和功率不在成线性关系，另一方面，激光光束质量开始变差，部分杂散光会打到光声池腔壁，造成系统的噪声增加。随着功率增长，光束直径变大，未获得较低的噪声水平，需要使用直径较大的光声共振腔，根据1-15W的光束质量，直径范围设置在5-12mm。

为保证产生单一的一次纵向驻波模式，光声共振腔的长度需要至少大于其直径的10倍，因此光声共振腔长度被设定在50-120mm，其对应的共振频率为550Hz-4kHz。麦克风连接光声共振腔的小孔尺寸不能太小，否则不能把压力有效传递到麦克风上，也不能太大，否则破坏了腔内的一次纵向驻波模式，经过实验验证，1-2mm是最佳直径。

附图说明

图1是本发明外观图；

图2和图3为本发明分解图。

具体实施方式

如图1-3所示，本实施例中的一种低噪声差分结构的光声池，包括壳体1、两颗灵敏度为-30dB的驻极体电容麦克风2、四片O型密封圈3、两片石英材质的光学窗口4和两个固定框5，在所述壳体1的两端口分别设有一个气体缓冲室6，厚度为15mm，在壳体1的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔7，长度为90mm，直径为6mm，且使两个光声共振腔7的两端口与设置在壳体1两端的气体缓冲室6连通，在壳体1左端的侧壁设有进气孔8，且使进气孔8与设置在壳体1左端的气体缓冲室6连通，在壳体1右端的侧壁设有出气孔9，且使出气孔9与设置在壳体1右端的气体缓冲室6连通，在壳体1侧壁的中部并列且相邻设有两个直径为1.5mm的麦克风小孔10，且使两个麦克风小孔10分别与两个光声共振腔7连通，两颗灵敏度为-30dB的驻极体电容麦克风2分别设置在两个麦克风小孔10上，两片石英光学窗口4分别通过两个固定框5固定在壳体1的两端口，在所述固定框5与石英光学窗口4之间、石英光学窗口4与壳体1的端口之间还设有密封圈3。

上述是实施例中的光声共振腔7长还可以为50mm-120mm，直径为5mm-12mm。

上述是实施例中的缓冲室6壁厚还可以为5mm-15mm。

上述是实施例中的麦克风小孔10直径还可以为1mm-2mm。

上述是实施例中的石英材质的光学窗口4还可以为透红外的氟化钙窗口、或镀增透膜的K9玻璃窗口。

上述是实施例中的驻极体电容麦克风2的灵敏度大于-32dB，小于-20dB。

Claims (8)

1.一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：包括壳体(1)、两颗驻极体电容麦克风(2)、两片光学玻璃窗口(4)和两个固定框(5)，在所述壳体(1)的两端口分别设有一个气体缓冲室(6)，在壳体(1)的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔(7)，且使两个光声共振腔(7)的两端口与设置在壳体(1)两端的气体缓冲室(6)连通，在壳体(1)左端的侧壁设有进气孔(8)，且使进气孔(8)与设置在壳体(1)左端的气体缓冲室(6)连通，在壳体(1)右端的侧壁设有出气孔(9)，且使出气孔(9)与设置在壳体(1)右端的气体缓冲室(6)连通，在壳体(1)侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔(10)，且使两个麦克风小孔(10)分别与两个光声共振腔(7)连通，两颗驻极体电容麦克风(2)分别设置在两个麦克风小孔(10)上，两片光学玻璃窗口(4)分别通过两个固定框(5)固定在壳体(1)的两端口。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述两个麦克风小孔(10)相邻设置。

3.根据权利要求1所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：在所述固定框(5)与光学玻璃窗口(4)之间、光学玻璃窗口(4)与壳体(1)的端口之间还设有密封圈(3)。

4.根据权利要求3所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述光声共振腔(7)长为50mm-120mm，直径为5mm-12mm。

5.根据权利要4所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述麦克风小孔(10)直径为1mm-2mm。

6.根据权利5所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述缓冲室(6)壁厚为5mm-15mm。

7.根据权利6所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述光学玻璃窗口(4)为透红外的氟化钙窗口、镀增透膜的K9玻璃或紫外以及可见光的石英窗口。

8.根据权利1-7任一项所述的一种低噪声差分结构的多用途光声池，其特征在于：所述驻极体电容麦克风(2)的灵敏度大于-32dB，小于-20dB。