CN107560730A

CN107560730A - 双腔式光声光谱仪

Info

Publication number: CN107560730A
Application number: CN201710738852.4A
Authority: CN
Inventors: 孙建海; 赵佩月; 刘春秀; 薛宁
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明提供了一种双腔式光声光谱仪，包括：光源调制模块，用于产生红外原始光并进行调制，得到调制光；滤光盘，包括至少一片滤光片，各滤光片的中心波长不同，所述滤光片用于从所述调制光中过滤得到中心波长与待测物的各组分吸收的红外线光谱一致的单色光；以及声腔模块，包括隔声腔、光声腔和声音检测器，其中，所述光声腔内置于所述隔声腔中，用于放置待测物，以及接收所述单色光，所述待测物吸收所述单色光并产生声波；所述声音检测器与所述光声腔连接，用于将所述声波转换成电信号。本发明采用了双腔结构，将光声腔内置于隔声腔中，具有良好的声屏蔽，大大提高了光谱仪测试低浓度待测物的精度，尤其是低浓度待测物的精度。

Description

双腔式光声光谱仪

技术领域

本发明涉及光电领域，尤其涉及一种双腔式光声光谱仪。

背景技术

针对环境温室气体监测、石化炼化行业及钢铁行业有害气体监测、汽车尾气监测、智能电网故障监测等领域中，需要大量高灵敏度便携或在线检测系统，来实现对CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、SO₂、H₂S、SF₆等气体高精度快速监测(检测最低浓度≤0.1ppm)

光声光谱仪是一种高灵敏度的检测仪，但其有别于传统的红外技术。它将光信号有效的转换成声信号，并通过声音检测器对声音信号的检测计算得到气体的最终浓度，非常适合痕量气体的测量领域，以及在复杂环境下的无干扰测量。

影响光声光谱仪灵敏度的因素比较多，如光源、光声腔、声音检测器等，其中，光声腔是光声光谱仪器中最为核心组件之一。它是一个装有声音检测器、放置待测物的光声腔，其实质就是“光-热-声”的转换器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种双腔式光声光谱仪，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种双腔式光声光谱仪，包括：

光源调制模块，用于产生红外原始光并进行调制，得到调制光；

滤光盘，包括至少一片滤光片，各滤光片的中心波长不同，所述滤光片用于从所述调制光中过滤得到中心波长与待测物的各组分吸收的红外线光谱一致的单色光；以及

声腔模块，包括隔声腔、光声腔和声音检测器，其中，所述光声腔内置于所述隔声腔中，用于放置待测物，以及接收所述单色光，所述待测物吸收所述单色光并产生声波；所述声音检测器与所述光声腔连接，用于将所述声波转换成电信号。

在本发明的一些实施例中，该光源调制模块包括：

光源，用于产生红外原始光；

平行调整单元，用于将所述红外原始光调制为一束平行光；以及

电调制单元，用于对所述平行光进行脉冲调制，得到所述调制光。

在本发明的一些实施例中，还包括信号显示模块，所述信号显示模块包括：

放大电路，用于将所述电信号进行放大，得到放大电信号；

信号处理单元，用于根据所述放大电信号得到各组分的浓度；以及

显示单元，用于显示各组分及各组分的浓度。

在本发明的一些实施例中，所述隔音腔与光声腔之间填充有隔音棉。

在本发明的一些实施例中，还包括窗口，所述窗口位于所述光声腔接收单色光的表面上，用于透过所述单色光，所述窗口包括平面透镜或者平凸透镜；所述窗口的材料为硒化锌或蓝宝石。

在本发明的一些实施例中，所述光源选自以下的一种或两种以上：

非干涉黑体辐射源、黑体辐射红外光源、二氧化碳激光光源、氙灯、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、外腔式量子级联激光器和光学参量振荡器。

在本发明的一些实施例中，所述声音检测器为微音器、压电陶瓷传声器或者光纤声传感器。

在本发明的一些实施例中，所述光声腔为金属材料，该金属材料为不锈钢或铜，该光声腔的内表面覆盖有金或银。

在本发明的一些实施例中，所述光声腔为圆柱体结构，该圆柱体结构的长度与半径之比大于5∶1。

(三)有益效果

本发明相较于现有技术，至少具有以下优点：

(1)采用了双腔结构(光声腔内嵌在隔声腔内)，具有良好的声屏蔽，没有外界噪音的干扰，大大提高了光谱仪测试低浓度待测物的精度，尤其是低浓度待测物的精度。

(2)采用电调制的方式实现光源的脉冲，替代传统的机械切片的方式，降低了外界噪声并能方便调节，便于使得光声腔内的声波产生谐振，提高信噪比，使得光谱仪具有高灵敏度及高精度。

(3)光声腔的内表面光滑且镀金，待测物吸收光能效率高，无辐射跃迁产生的热就越多，光声腔内产生的声波也越强，提高了信噪比，从而提高了光谱仪的检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例的双腔式光声光谱仪的结构示意图。

图2为本发明实施例的双腔式光声光谱仪一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

传统的光声腔没有隔音保护，容易受外界声波的影响，造成基线噪声大及误报，在本发明中，将采用双腔式结构，即光声腔内置于隔声腔内，隔声腔具有良好的隔音效果，能阻止外界声波进入光声腔造成假信号而产生误报。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

图1为本发明实施例的双腔式光声光谱仪的结构示意图，如图1所示，该双腔式光声光谱仪包括：光源调制模块1、滤光盘2和声腔模块3。

光源调制模块1包括光源，将光源产生的红外原始光进行调制，得到调制光；滤光盘2，包括至少一片滤光片，且各滤光片的中心波长不同，滤波片用于从所述调制光中过滤得到中心波长与待测物的各组分吸收的红外线光谱一致的单色光；声腔模块3，包括隔声腔、光声腔和声音检测器，其中，所述光声腔内置于所述隔声腔中，用于放置待测物，以及接收所述单色光，所述待测物吸收所述单色光并产生声波；声音检测器，与所述光声腔连接，用于将所述声波转换成电信号。现有技术的光谱仪一般都是单腔式结构，本发明中将光声腔内置于隔声腔中，且隔声腔具有良好的隔音效果，能阻止外界声波进入光声腔造成假信号而产生误报，从而使得该光谱仪的测量更准确。

图2为本发明实施例的双腔式光声光谱仪一具体实施例的结构示意图，如图2所示，该双腔式光声光谱仪包括：光源调制模块、滤光盘2、声腔模块、窗口5、净化干燥器7、待测物入口6、进样泵8、待测物出口9和信号显示模块4。接下来，对该双腔式光声光谱仪的各部分进行详细阐述。

光源调制模块包括：光源11，用于产生红外原始光，因为滤光片用于得到中心波长与各组分吸收的红外线光谱一致的单色光，因此光源11产生的光应为红外光。举例来说，该红外原始光是一束波长连续光，其波长范围在1μm～40μm。光源11可以为非干涉黑体辐射源、黑体辐射红外光源、二氧化碳激光光源、氙灯、可调谐半导体激光器、量子级联激光器、外腔式量子级联激光器或者光学参量振荡器，根据实际需求进行选择。

更进一步地，现有技术一般采用机械切片的方式来实现光强脉冲的调制，其频率受制于驱动切片的电机频率，难以灵活调节，而且，切片转动也会产生声音，从而增大了光谱仪的背景噪音，降低了光谱仪测试微弱声音信号的测试灵敏度及精度。为了避免以上问题，本实施例选择采用电调制的方式来代替机械切片的方式，通过调节电调制中驱动方波(或其他波形)的频率及占空比，来实现光强脉冲调制，易于使光声腔内声波产生谐振，提高信噪比，从而提高光谱仪的测试精度。

在本实施例中，该光源调制模块可以包括平行调整单元12和电调制单元13。光源11产生的光一般是发散的，可以通过使用一个抛物镜(光源11至于抛物镜的焦点上)作为平行调整单元12(在不同的实施例中还可以使用其他器件完成红外原始光的平行调整)，用于将所述红外原始光调制为一束平行光；电调制单元13，用于对所述平行光进行脉冲调制，得到所述调制光。此时，经过光源调制模块调制后，该调制光的频率范围为2～20KHz，调制脉冲占空比范围：1∶1～1∶5。

滤光盘2，包括至少一片中心波长不一致的滤光片，用于从所述调制光中，得到中心波长与待测物的各组分吸收的红外线光谱一致的单色光。一般来说，光束经过某一波长的滤光片后得到带宽较窄的单色光(其中心波长与待测物中的组分的吸收红外线光谱一致，如CO吸收红外线光谱的吸收峰在4.65μm，CO₂吸收红外线光谱的吸收峰在：2.7μm和4.26μm，CH₄吸收红外线光谱的吸收峰在2.4μm、3.3μm和7.65μm，SO₂吸收红外线光谱的吸收峰在4μm、7.45μm和8.7μm)。不同的待测物具有不同的组分，需要选择中心波长不一致的滤光片。在实际操作中，可以根据应用领域，提前预判气体的类型，选择对应的滤光片，转动滤光盘2，可以逐一让红外原始光经过不同滤光片，

为了增强单色光的透过率，提高光谱仪的精确度，还可以在位于所述光声腔32靠近滤光盘2(接收单色光)的表面上设置窗口5。窗口5可以为平面透镜，亦可为平凸透镜(对光具有会聚功能)，优选平凸透镜，其作用是将光源发出的光聚焦到光声腔内，减少光的发散损失，从而提高进入光声腔内光的强度。该窗口的材料可以为硒化锌(ZnSe)、蓝宝石或者其他材料。窗口5材料的选取主要考虑对光的衰减，尽可能选择对光透过率高的材料，使其吸收光的热量小，产生的热噪音也小，提高了信噪比。因此，可以选取ZnSe材料作为窗口5材料，此外，透过率高的其他材料亦可作为本发明的窗口5材料，如蓝宝石。

为了获得更纯的待测物，保证光谱仪的测试精度，待测物先从待测物入口6进入，再经过净化干燥器7，被采样泵输入到光声腔内，吸收从窗口5射入单色光的能量。因为待测物吸收的光强呈周期性变化，光声腔内压力涨落也呈周期性，由于调制光的频率一般位于声频范围内，所以这种压力涨落就成为声波。

声腔模块，包括隔声腔31、光声腔32和声音检测器33，其中，所述光声腔32内置于所述隔声腔31中，用于放置待测物，以及接收所述单色光，所述待测物吸收所述单色光的能量，推动周围的介质振动从而产生声波。

为了增大光声腔内表面的反射率，减少其对光的吸收，提高光转化为气体热的效率，提高信噪比，达到提高光声光谱仪的检测灵敏度及精度，该光声腔采用金属材料加工，如不锈钢或铜，内表面光滑，并采用电镀技术在其表面电镀上一层Au(金)或银。此外，光声腔可以为圆柱体结构，其长度与半径之比大于5∶1，且优选为10∶1，使光声腔内产生的声波按纵向方式传播(即声波只沿腔体长度方向传播)，减小腔体内壁对声音的衰减。

在一些实施例中，隔声腔31采用高致密度的隔音材料(如金属材料)加工制备，以屏蔽外界噪音进入光声腔，造成虚假信号而发生误报。还可以在隔音腔与光声腔之间填充隔音棉，以更好隔离外界声波对光声腔的影响干扰，提高光声光谱仪检测低浓度待测物的能力及检测精度。

声音检测器33，与所述光声腔32连接，因为光声腔壁具有一定厚度，声音检测器33可以嵌入光声腔中，此时，声音检测器33的顶端面与光声腔的内表面平齐或略低于光声腔的内表面。该声音检测器33用于将感知到的声波转换成电信号。声音检测器33可以为微音器、压电陶瓷传声器或者光纤声传感器，根据实际需求进行选择。不同的组分对应的电信号不同，且该电信号与待测物浓度呈一定的对应关系。通过对组分进行浓度的标定，即可确定该组分相应的浓度。举例来说，采用具有不同组分的混合气体，将其稀释到不同浓度(如0.05ppm，0.5ppm，5ppm，50ppm)，如标定CO时，将滤光盘中的中心波长与CO吸收波长一致的滤光片对准窗口，然后光声腔通入不同浓度的样品，每个样品对应一个输出，多个样品得到多个输出，然后通过作图得到标准曲线，并保存在系统中，当未知浓度的CO气体测试时，通过其输出信号幅度，就可确定其浓度值。其他组分的标定步骤与CO的标定类似，此处不再赘述)，如此便实现了对待测物不同组分的浓度检测。之后，被检测后的待测物再由待测物出口9排除。

为了方便用户简单直观地读取数据，还可以增加信号显示模块4，所述信号显示模块4包括：放大电路、信号处理单元和显示单元。

因为低浓度气体产生的声波比较弱，其产生的电信号也很弱，为了能够更精准地测量，设置了一个放大电路，用于将所述电信号进行放大，得到放大电信号；

信号处理单元，根据所述放大电信号，确定组分的类型并得到各组分的浓度。

显示单元，可以为移动终端和LED屏等，用于显示各组分及各组分的浓度。

由此可见，本发明提供的双腔式光声光谱仪，可以检测浓度≤0.1ppm的组分，还能精确地测出其浓度。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双腔式光声光谱仪，包括：

2.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，该光源调制模块包括：

光源，用于产生红外原始光；

3.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，还包括信号显示模块，所述信号显示模块包括：

放大电路，用于将所述电信号进行放大，得到放大电信号；

显示单元，用于显示各组分及各组分的浓度。

4.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，所述隔音腔与光声腔之间填充有隔音棉。

5.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，还包括窗口，所述窗口位于所述光声腔接收单色光的表面上，用于透过所述单色光，所述窗口包括平面透镜或者平凸透镜；所述窗口的材料为硒化锌或蓝宝石。

6.根据权利要求2所述的双腔式光声光谱仪，其中，所述光源选自以下的一种或两种以上：

7.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，所述声音检测器为微音器、压电陶瓷传声器或者光纤声传感器。

8.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，所述光声腔为金属材料，该金属材料为不锈钢或铜，该光声腔的内表面覆盖有金或银。

9.根据权利要求1所述的双腔式光声光谱仪，其中，所述光声腔为圆柱体结构，该圆柱体结构的长度与半径之比大于5∶1。