CN107462522B - 一种可在线连续进行液体光声检测的光声池及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可在线连续进行液体光声检测的光声池及测量方法，包括池体、窗口、压板、密封圈、入液口、出液口、温度计、压电传感器、光电传感器，其中：池体为中空结构，内部用于注入被测溶液，池体的左、右两端分别安装有一个窗口、一个密封圈和一个压板；入液口和出液口分别设置在池体的侧壁上；温度计安置于池体的侧壁上，温度计的测端浸入被测溶液中；压电传感器安置于池体侧壁上，其测端浸入被测溶液中；光电传感器安装于光声池出光一端的压板内。通过对温度和光强进行补偿与修正，可以显著降低二者的影响，提高测量精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光声池，具体地，涉及一种可在线连续进行液体光声检测的光声池及测量方法。
背景技术
光声光谱是光谱学的一个重要分支，是一种综合了光、热、声、电等原理技术的光谱分析新方法。用一定频率调制的光源或脉冲光源照射物质，当物质受到光照射时，物质因吸收光能而受激发，然后通过非辐射消除激发的过程使吸收的光能(全部或部分)转变为热。周期的光照调制使这部分物质及其邻近媒质热胀冷缩而产生应力(或压力)的周期性变化，因而产生声信号，此种信号称光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。
目前，光声光谱法的主要应用领域为气体或粉末物质的探测与识别。典型的光声光谱测量系统主要由光源、斩波器、光声池、声敏元件(传声器)、放大器、信号处理和记录器等组成。其中，光声池既是被测物质的存放空间，又是产生光声信号的载体和转换环境。而压电传感器负责获取激光激励后产生的光声信号，对光声信号的特性具有直接的影响。因此，光声池与压电传感器是光声光谱检测系统中最为重要的核心器件，主要表现在如何提供一个优越的光声转换环境和增强光声信号的作用。
随着对激光和光声技术的深入研究发现，基于光声光谱法的液体检测灵敏度比常规的分光光度计高出2～3个数量级。因此，也愈来愈引起人们的关注。特别合适在各种流程工业，具有大量的流体在线监测需求。但是，对于液体进行光声光谱检测的难度远高于气体和固体的光声光谱检测，液体光声光谱检测对光声池及压电传感器有着不同的要求，因此相关方研究成果较少。至于能够满足在线条件下连续进行流动液体光声检测的系统与方法未见报道。
一些学者采用气体光声池的思路进行液体光声检测，例如可用于无创血糖检测的非共振双腔光声池及检测方法(2012100023752)、用于无创血糖检测的差动液体光声池组件(2012103243913)、用于无创血糖检测的单腔光声池及检测方法(2012100312150)等。但是这些方法依然是采用声音传感器检测气体的压力信号，而液体与气体之间的声耦合特性极差，液体光声效应产生的光声信号在气液两相交界面处衰减严重，导致测量灵敏度大幅度衰减。而且这种方法仅适合实验室条件下的单次测试，无法适用于各种流程工业的在线监测。
还有一些学者采用常规比色皿和外置压电传感器进行液体光声检测，例如激光光声光谱仪的配置及应用(王波，第四届废物地下处置学术研讨会论文集)。但是，被测溶液与比色皿、比色皿与压电传感器之间的耦合效率低，导致测量灵敏度有限。而且，这些方法也是仅适合实验室条件下静止液体的单次测试，无法适用于各种流程工业的在线连续监测。
另一方面，对于光声池系统而言，激励激光强度的波动与被测溶液温度的变化，都严重影响着产生的光声信号的强弱，进而影响最终的测量结果。而现有的液体光声池很少考虑这些影响因素。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可在线连续进行液体光声检测的光声池及测量方法，可以满足流程工业领域多种液体的在线监测要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，包括：池体、窗口、压板、入液口、出液口、温度计、压电传感器、光电传感器，其中：
所述池体为中空结构，内部用于注入被测溶液；
在所述池体的两端分别安装有一个窗口，所述窗口通过所述压板与所述池体连接固定，用于保证激励激光束的入射，激励激光束从所述池体一端的窗口射入所述池体内部，从所述池体另一端的窗口射出；在所述窗口与所述池体的连接处通过设置密封圈，以保证光声池的整体密封性；
在所述池体的侧壁上分别设置有入液口和出液口，用于被测溶液的流入与流出；
所述温度计安置于池体的侧壁上，所述温度计的测端浸入于所述池体内的被测溶液中，用于测量被测溶液的温度，以便进行温度补偿；
所述压电传感器安置于池体的侧壁上，所述压电传感器的测端浸入于所述池体内的被测溶液中，用于检测激光激励后产生的光声信号；
所述光电传感器安装于所述池体的激励激光束射出的一端的压板内，用于监测激励激光束的强度变化，以便进行光强补偿。
优选地，所述池体采用热扩散率大的材料制成，比如热扩散率不小于0.3cm2/s的材料，以减少可能产生的干扰信号。
优选地，所述池体内表面光滑，避免声信号在传输到传感器前过度衰减，并减少杂波的产生。
优选地，所述池体有足够厚重的壳体，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。
优选地，所述池体内腔的内部空间尺寸尽可能小，以便提高光声信号的灵敏度，但需要保证温度计和压电传感器的浸入深度。
优选地，所述窗口采用光学玻璃材料制作，一方面提高透射率，另一方面减小与被测溶液的化学反应，提高耐腐蚀能力。
更优选地，所述窗口厚度须保证光声池具有良好的声密闭和隔声效果，窗口的厚度不小于池体厚度的一半。
优选地，所述密封圈采用耐腐蚀的弹性材料制作，一方面保证足够的密封效果，另一方面减小与被测溶液的化学反应，提高耐腐蚀能力和工作寿命。
优选地，所述出液口、入液口分别置于池体的上、下两个方位，入液口在下、出液口在上，并且横向错开布置，由此保证被测溶液充满光声池内腔，减少空气或者气泡对测量的影响。
优选地，所述温度计的测端完全浸入于被测溶液中，但不能遮挡激励激光束，以免产生误差。
更优选地，所述温度计采用液介式温度传感器，所述温度传感器的测温精度不低于±0.1℃，以保证温度补偿的效果。
优选地，所述压电传感器采用高灵敏度的压电陶瓷传感器，其截止频率下限低于光声信号主频率的一半，以保证获取微弱的光声信号。
优选地，所述光电传感器采用高频响光电传感器，以便检测脉冲激光束的强度变化。
更优选地，所述光电传感器的感光面大于激励激光束直径的2倍以上。
本发明所述光声池的工作过程如下：
被测溶液从入液口注入到光声池的池体内部，并从出液口流出，以保障被测溶液充满光声池的内部；激励激光束从池体一端的窗口射入池体内部，从池体另一端的窗口射出，并投射到光电传感器上，利用得到的激光强度信号对激励激光束的强度波动进行补偿；激励激光束激发池体内的被测溶液后，产生的光声信号由压电传感器接收和采集；温度计负责测量被测溶液的温度，并对温度的影响进行补偿和修正。
根据本发明的另一个方面，提供一种可在线连续进行液体光声检测的光声池的测量方法，包括如下步骤：
(1)将被测溶液从入液口注入，直至有液体从出液口流出，以保证被测溶液充满光声池内腔；
(2)读取温度计的读数，并记录此时被测溶液的温度值；
(3)打开激励激光，使激励激光束从光声池一侧的窗口射入到光声池内部；
(4)利用压电传感器和光电传感器分别连续采集光声信号和光强信号，分别得到完整的光声信号波形和激励激光波形；
(5)对光声信号进行处理，得到光声信号波形的峰峰值，作为此次激光激励产生的光声信号的绝对值；
(6)对光强信号进行处理，得到光强信号波形的峰值，作为此次激光激励的激光强度峰值；
(7)对上述数据进行归一化处理，将光声信号的绝对值除以激光强度峰值和被测溶液温度值的乘积，最终得到单位光强与温度下的光声信号相对值，从而有效排除光强与温度波动对测量结果的影响。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的光声池采用空腔结构，并合理布置了窗口与入液口及出液口的位置，实现了连续的液体光声检测。
本发明采用了温度计、压电传感器和光电传感器三种传感器，配以相应的补偿算法，可以有效减小温度以及光强波动对测量结果的影响。
本发明具有可靠性高、适应性广、温度可靠的特点，适用于多种液体连续监测场合。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的光声池的结构组成示意图；
图2为本发明一实施例的光声信号波形示意图；
图3为本发明一实施例的激光强度信号波形示意图；
图中：1为池体，2-1、2-2为窗口，3-1、3-2为压板，4-1、4-2为密封圈，5为入液口，6为出液口，7为温度计，8为压电传感器，9为光电传感器，10为激光束，11为被测溶液。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，由池体1、窗口2-1和2-2、压板3-1和3-2、密封圈4-1和4-2、入液口5、出液口6、温度计7、压电传感器8、光电传感器9组成，其中：
所述池体1为中空结构，池体1的左、右两端分别安装有窗口2-1与窗口2-2、密封圈3-1与密封圈3-2、压板4-1与压板4-2，既可保证激光束10的入射，又可保证所述光声池的整体密封性；所述入液口5和出液口6分别设置在所述池体1的侧壁上，用于保障被测溶液11的流入与流出；所述温度计7安置于所述池体1的侧壁之上，温度计7的测端浸入被测溶液11中，用于测量被测溶液11的温度，以便进行温度补偿；所述压电传感器8安置于所述池体1的侧壁上，其测端浸入被测溶液11中，用于检测激光激励后产生的光声信号；所述光电传感器9安装于光声池出光一端的压板3-2内，用于监测激励激光束10的强度变化，以便进行光强补偿。
所述的光声池的工作过程如下：
将被测溶液11从入液口5注入到光声池的池体1内部，并从出液口6流出，以保障被测溶液11充满光声池的内部；用于激励的一束脉冲激光束10从光声池一侧的窗口2-1射入池体1内部，从另一端的窗口2-2射出，并投射到光电传感器9上，光电传感器9用于对激光束10的强度波动进行监测，以便进行补偿处理；激光束10激发池体1内的被测溶液11后，产生的光声信号由压电传感器8接收和采集；温度计7用于负责测量被测溶液11的温度，并对温度的影响进行补偿和修正。
在部分优选实施例里，所述的池体1采用热扩散率比较大的材料制成，以减少可能产生的干扰信号。优先采用铝合金材料制作池体，其次采用黄铜、不锈钢材料制作池体，其他材料的热扩散率应不小于0.3cm2/s。在本实施例里，池体1采样铝合金材料制作。
在部分优选实施例里，所述的池体1的内表面光滑，以避免声信号在传输到传感器前过度衰减，并减少杂波的产生；池体1的内表面采用常规的抛光或镀膜工艺方法处理来实现。在本实施例里，通过抛光工艺方法实现池体1内表面的光滑处理。
在部分优选实施例里，所述的池体1有足够厚重的壳体，以形成良好的声屏蔽和隔声效果。为了避免光声池发生吻合效应，池体1的壁厚保证其吻合临界频率大于脉冲激光束10的调制频率的10倍以上。在本实施例中，激光束10的调制频率为10Hz，池体1的厚度为10mm。
在部分优选实施例里，所述的池体1的内腔形状采用各种可行的规则形状，以有利于加工和达到理想的要求。在本实施例中，池体1采样圆柱形，通过车削工艺加工而成，以便于抛光处理。
在部分优选实施例里，所述的池体1的内部空间尺寸尽可能小，以便提高光声信号的灵敏度。本实施例中，温度计7和压电传感器8的测端浸入被测溶液11之中的长度保证大于2mm，激光束10的直径为1mm，温度计7和压电传感器8的测端距离激光束10的距离取3mm，池体1的内腔直径取
在部分优选实施例里，所述的窗口2采用光学适应玻璃材料制作，一方面提高透射率，另一方面减小与被测溶液的化学反应，提高耐腐蚀能力。
在部分优选实施例里，所述的窗口2的厚度不小于池体1厚度的一半，以保证光声池具有良好的声密闭和隔声效果。本实施例中，窗口2的厚度为6mm。
在部分优选实施例里，所述的密封圈3采用耐腐蚀材的弹性料制作，一方面保证足够的密封效果，另一方面减小与被测溶液11的化学反应，提高耐腐蚀能力和工作寿命。本实施例中，密封圈3采用丁腈胶O型圈。
在部分优选实施例里，所述的入液口5与出液口6分别置于光声池池体1的下、上两个方位，并且错开布置；入液口5在下、出液口6在上，由此保证被测溶液11充满光声池的内腔，减少空气或者气泡对测量的影响。在本实施例中，入液口5位于池体1的左下部，出液口6位于池体的右上部，两者错开布局。
在部分优选实施例里，所述的入液口5与出液口6均采用常规的管路接头实现，安装方便、性能优越、使用寿命长。在本实施例中，入液口5与出液口6均采用铜外丝直通宝塔软管胶管接头。
在部分优选实施例里，所述的温度计7采用液介式温度传感器，并且保证测端完全浸入被测溶液11中，但是不能遮挡激光束，以免产生误差。温度计7的测温精度应不低于±0.1℃，以保证温度补偿的效果。本实施例中，温度计7的分辨力为0.01℃、测温精度±0.1℃。
在部分优选实施例里，所述的压电传感器8采用高灵敏度的压电陶瓷传感器，其截止频率下限以低于光声信号主频率的一半为宜，从而保证获取微弱的光声信号。本实施例中，压电传感器8采用的压电陶瓷材料为PZT-5A，其灵敏度系数为d33＝370pC/N、截止频率150kHz。
在部分优选实施例里，所述的光电传感器9采用高频响光电传感器，以便检测脉冲激光束10的强度变化；光电传感器9的感光面以大于激光束10直径的2倍以上为宜。本实施例中，激光束10的脉宽为10ns、直径为1mm，光电传感器9采用PIN光电二极管，其响应频率达10GHz、感光面尺寸为2.6×2.6mm。
上述的优选特征，可以选择其中一种使用，也可以任何组合使用，这对本发明没有实质性的影响。
基于上述的光声池结构，一种用于上述光声池的测量方法，具体如下：
(1)将被测溶液11从入液口5注入池体1内，直至有被测液体11从出液口6流出，以保证被测溶液11充满光声池的内腔；
(2)读取温度计7的读数，并记录此时被测溶液11的温度值T；
(3)打开激励激光，让激励激光束10从光声池一侧的窗口2-1射入到光声池的内部；
(4)利用压电传感器8和光电传感器9分别连续采集光声信号和光强信号，分别得到完整的光声信号波形V(如图2所示)和激光强度信号波形I(如图3所示)；
(5)对(4)得到的光声信号V进行处理，得到光声信号V波形的峰峰值VP-P，作为此次激光激励产生的光声信号的绝对值；
(6)对(4)得到的光强信号I进行处理，得到光强信号I波形的峰值IP，作为此次激光激励的激光强度峰值；
(7)对上述数据进行归一化处理，将(5)得到的光声信号的绝对值VP-P除以(6)得到的激光强度峰值IP和(2)测得的被测溶液温度值T的乘积，最终得到单位光强与温度下的光声信号相对值VR，可以有效排除光强与温度波动对测量结果的影响；即：
VR＝VP-P/(IP·T)。
本发明所述的光声池采用空腔结构，合理布置了窗口与入液口及出液口的位置，实现了连续的液体光声检测。采用了温度计、压电传感器和光电传感器三种传感器，配以相应的补偿算法，可以有效减小温度以及光强波动对测量结果的影响。该光声池具有可靠性高、适应性广、温度可靠的特点，可以适用于多种液体连续监测场合。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，包括：池体、窗口、压板、入液口、出液口、温度计、压电传感器、光电传感器，其中：
所述池体为中空结构，内部用于注入被测溶液；
在所述池体的两端分别安装有一个窗口，所述窗口通过所述压板与所述池体连接固定，用于保证激励激光束的入射，激励激光束从所述池体一端的窗口射入所述池体内部，从所述池体另一端的窗口射出；在所述窗口与所述池体的连接处通过设置密封圈，以保证光声池的整体密封性；
在所述池体的侧壁上分别设置有入液口和出液口，用于被测溶液的流入与流出；
所述温度计安置于池体的侧壁上，所述温度计的测端浸入于所述池体内的被测溶液中，用于测量被测溶液的温度，以便进行温度补偿；
所述压电传感器安置于池体的侧壁上，所述压电传感器的测端浸入于所述池体内的被测溶液中，用于检测激光激励后产生的光声信号；
所述光电传感器安装于所述池体的激励激光束射出的一端的压板内，用于监测激励激光束的强度变化，以便进行光强补偿。
2.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述池体的内表面光滑，所述池体的内腔的内部空间保证所述温度计和所述压电传感器的浸入深度。
3.根据权利要求2所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述池体采用热扩散率不小于0.3cm2/s的材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述窗口采用光学玻璃材料制作，所述窗口的厚度不小于池体厚度的一半，以保证光声池具有良好的声密闭和隔声效果。
5.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述密封圈采用耐腐蚀的弹性材料制作。
6.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述出液口、入液口分别置于所述池体的上、下两个方位，所述入液口在下，所述出液口在上，并且横向错开布置，由此保证被测溶液充满光声池内腔，减少空气或者气泡对测量的影响。
7.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述温度计的测端完全浸入于被测溶液中，但不能遮挡激励激光束，以免产生误差；
所述温度计采用液介式温度传感器，温度传感器的测温精度不低于±0.1℃，以保证温度补偿的效果。
8.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述压电传感器采用高灵敏度的压电陶瓷传感器，其截止频率下限低于光声信号主频率的一半，以保证获取微弱的光声信号。
9.根据权利要求1所述的一种可在线连续进行液体光声检测的光声池，其特征在于，所述光电传感器采用高频响光电传感器，光电传感器的感光面大于激励激光束直径的2倍以上。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述光声池进行液体光声检测的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将被测溶液从入液口注入，直至有液体从出液口流出，以保证被测溶液充满光声池内腔；
(2)读取温度计的读数，并记录此时被测溶液的温度值；
(3)打开激励激光，使激励激光束从光声池一侧的窗口射入到光声池内部；
(4)利用压电传感器和光电传感器分别连续采集光声信号和光强信号，分别得到完整的光声信号波形和激励激光波形；
(5)对光声信号进行处理，得到光声信号波形的峰峰值，作为此次激光激励产生的光声信号的绝对值；
(6)对光强信号进行处理，得到光强信号波形的峰值，作为此次激光激励的激光强度峰值；
(7)对上述数据进行归一化处理，将光声信号的绝对值除以激光强度峰值和被测溶液温度值的乘积，最终得到单位光强与温度下的光声信号相对值，从而有效排除光强与温度波动对测量结果的影响。
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