CN108226050A - 一种用于气体光声光谱检测的谐振式光声池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于气体光声光谱检测的谐振式光声池。谐振式光声池包括：进气口以及出气口；两组光声池组件，其相互连通，且对称地设置在谐振式光声池的中心轴线的两侧，每组光声池组件包括：缓冲室，设置在该组光声池组件的端部，并与进气口相连通；谐振腔，设置在缓冲室内，并与缓冲室相连通；第一窗口，设置在其中一组光声池组件的端部的外侧，以使入射光从第一窗口进入该组声光池组件内；两个声音传感器，用于分别检测待测气体在两组光声池组件的两个谐振腔产生的声音信号；差分放大器，其输入端与两个声音传感器的输出端均相连，用于将两个声音传感器检测到的声音信号相减。本发明的方案提高了气体的检测灵敏度，非常适合痕量气体的检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，特别是涉及一种用于气体光声光谱检测的谐振式光声池。
背景技术
在有害气体监测、汽车尾气监测和智能电网故障监测等领域中，对高灵敏度检测的在线检测系统的需求越来越大，以实现对CO、CO2、CH4、C2H2、SO2、H2S和SF6等气体的高精度快速监测。光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，它是将光信号有效地转换成声信号，通过微音器对声音信号进行检测并计算得到气体的最终浓度，非常适合痕量气体测量以及在复杂背景(多组分多种类气体)下的无干扰测量领域。
光声池作为光声信号的产生源，是光声光谱测量系统的核心部分，其性能直接影响到光声光谱测量系统的灵敏性与稳定性。气体光声池分为谐振式和非谐振式两种。谐振式光声池在噪音和相干信号方面有自己的优势，高的调制频率使得与频率成反比的那部分电子噪音减小，此外，自身结构能使周围的声噪音达到最小。与非谐振式光声池相比，其更适用于环境痕量气体的检测。
现有的谐振式光声池形状有圆柱形、球形及方形。根据驻波分布方式的不同，圆柱形光声池的共振模式可分为径向、角向、纵向。径向共振模式的粘滞损耗最小，品质因素最高，但腔体体积和共振频率最大。角向共振模式的品质因素相对较低，一般在100左右，其共振频率比同半径腔体的径向共振模式也几乎小一倍。纵向共振模式的品质因素最低，在10-80之间，腔体体积和共振频率最小。这些谐振式光声池均存在抗干扰能力差和信噪比低等缺点。
发明内容
本发明的一个目的是要解决现有技术中的谐振式光声池存在抗干扰能力差和信噪比低等缺点的技术问题。
特别地，本发明提供了一种用于气体光声光谱检测的谐振式光声池，包括：
用于通入待测气体的进气口以及用于排出所述待测气体的出气口；
两组光声池组件，其相互连通，且对称地设置在所述谐振式光声池的中心轴线的两侧，每组光声池组件包括：
缓冲室，设置在该组光声池组件的端部，并与所述进气口相连通；
谐振腔，设置在所述缓冲室内，并与所述缓冲室相连通；
第一窗口，设置在其中一组光声池组件的端部的外侧，以使入射光从所述第一窗口进入该组声光池组件内，从而使得该组光声池组件内的待测气体发生膨胀并压缩另一组光声池组件内的待测气体；
两个声音传感器，用于分别检测所述待测气体在所述两组光声池组件的两个所述谐振腔产生的声音信号；
差分放大器，其输入端与所述两个声音传感器的输出端均相连，用于将所述两个声音传感器检测到的声音信号相减，以获得双倍的声音信号。
可选地，所述缓冲室与所述谐振腔的横截面积的比值为大于或等于5:1。
可选地，所述谐振腔的形状为圆柱形、方形或球形。
可选地，所述谐振腔的形状为圆柱形，所述谐振腔的长度与其截面直径的比值为大于或等于10:1。
可选地，所述谐振式光声池还包括：
第二窗口，与所述第一窗口设置在同一组光声池组件上，并设置在与所述第一窗口位置相对的该组光声池组件另一端部的外侧。
可选地，所述谐振式光声池还包括管道，用于连通所述两组光声池组件；
所述进气口和所述出气口均设置在所述管道的中间位置处。
可选地，所述光声池内表面镀有金或银。
可选地，所述声音传感器安装在所述谐振腔的中间位置处。
可选地，所述声音传感器的开口设置成与所述谐振腔的管壁齐平。
可选地，所述声音传感器为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。
根据本发明技术方案，通过设计两组光声池组件，且仅对其中一组光声池组件进行光照，使该光声池组件内的待测气体发生膨胀，另一组光声池组件内的待测气体被压缩，从而使得两组光声池组件的两个谐振腔内的气体产生相位相反的声音信号，并通过差分放大器相减后获得双倍声音信号，由此提高了气体的检测灵敏度，非常适合痕量气体的检测。此外，本发明的两个谐振腔均采用纵向谐振模式，品质因素大，检测灵敏度高。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的用于气体光声光谱检测的谐振式光声池的示意性结构图。
附图标号：1-进气口，2-出气口，3-第一光声池组件，31-第一缓冲室，32-第一谐振腔，4-第二光声池组件，41-第二缓冲室，42-第二谐振腔，5-第一窗口，6-第一声音传感器，7-第二声音传感器，8-差分放大器，9-第二窗口。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的用于气体光声光谱检测的谐振式光声池的示意性结构图。该谐振式光声池的共振模式为纵向共振模式。如图1所示，该谐振式光声池包括进气口1、出气口2、两组光声池组件、第一窗口5、两个声音传感器和差分放大器8。
在一个实施例中，该谐振式光声池的截面形状为“工”字型。两组光声池组件包括相互连通的第一光声池组件3和第二光声池组件4。第一光声池组件3和第二光声池组件4对称地设置在所述谐振式光声池的中心轴线的两侧。第一光声池组件3包括第一缓冲室31和第一谐振腔32。第一缓冲室31设置在第一光声池组件3的端部，并与进气口1相连通。第一谐振腔32设置在第一缓冲室31内，并与第一缓冲室31相连通。第二光声池组件4包括第二缓冲室41和第二谐振腔42。第二缓冲室41设置在第二光声池组件4的端部，并与进气口1相连通。第二谐振腔42设置在第二缓冲室41内，并与第二缓冲室41相连通。在一个实施例中，第一缓冲室31和第二缓冲室41之间通过一管道相连通，并同时连通进气口1。
其中，进气口1和出气口2可以设置在声驻波的压力节点上，例如可以设置在上述管道的中间位置处。在这个位置处，声场最弱，可以避免光声池中气体流动而引起噪音。
第一窗口5设置在第一光声池组件3的第一端部的外侧，具体可以设置在第一缓冲室31的外侧，用于使入射光从第一窗口5进入第一声光池组件内。两个声音传感器分别包括第一声音传感器6和第二声音传感器7。第一声音传感器6用于检测待测气体在第一谐振腔32内产生的声音信号。第二声音传感器7用于检测待测气体在第二谐振腔42内产生的声音信号。第一声音传感器6和第二声音传感器7例如可以为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。第一声音传感器6和第二声音传感器7的输出端均与差分放大器8的输入端相连。
在一个实施例中，该谐振式光声池还包括第二窗口9。第二窗口9设置在第一光声池组件3的第二端部外侧，光声池组件的第二端部与其第一端部位于相对的位置上。
红外光源从第一窗口5进入光声池内，第一光声池组件3内的待测气体吸收红外光源后，受到光的激发而产生热量，从而发生膨胀，第二光声池组件4内的待测气体由于未被光照，因此在瞬间没有发生气体膨胀。因此，第一光声池组件3内的气体膨胀后压缩第二光声池组件4内的气体，从而使得第一谐振腔32和第二谐振腔42内产生的声音信号的相位是相反的，然后将第一声音传感器6和第二声音传感器7检测到的声音信号传输给差分放大器8，差分放大器8将两个声音信号相减，从而获得双倍声音信号。
根据本发明的方案，通过设计两组光声池组件，且仅对其中一组光声池组件进行光照，使该光声池组件内的待测气体发生膨胀，另一组光声池组件内的待测气体被压缩，从而使得两组光声池组件的两个谐振腔内的气体产生相位相反的声音信号，并通过差分放大器8相减后获得双倍声音信号，由此提高了气体的检测灵敏度，非常适合痕量气体的检测。此外，本发明的两个谐振腔均采用纵向谐振模式，品质因素大，检测灵敏度高。
在一个实施例中，第一缓冲室31与第一谐振腔32的横截面积之比例如可以是5:1、6:1、7:1、8:1或9:1，也可以是大于5:1的任一其它比值。由于待测气体的光声信号会受到第一窗口5对光吸收而产生的噪音等相干噪音的影响，并且光声信号的响度衰减是与谐振腔的横截面积成反比的。发明人通过合理设计两组光声池组件的结构形式，并经过大量实验验证，第一缓冲室31与第一谐振腔32的横截面积之比大于或等于5:1时，第一缓冲室31对相干噪音的隔离效果较好。在第一缓冲室31与第一谐振腔32的横截面积之比小于5:1时，第一缓冲室31对相干噪音的隔离效果较差。第二缓冲室41与第二谐振腔42的横截面积之比也是大于或等于5:1的任一比值，原因可以参考第一缓冲室31与第一谐振腔32的横截面积之比选取的原因，此处不再赘述。
此外，第一谐振腔32和第二谐振腔42可以制作成圆柱形、方形或球形，优选为圆柱形。在第一谐振腔32为圆柱形时，第一谐振腔32的长度与其截面直径的比值可以为大于或等于10:1任一比值，例如10:1、11:1、12:1、13:1或15:1。在谐振腔中，造成光声波衰减的主要原因之一是谐振腔内表面上的粘滞和热传导。发明人通过合理设置谐振腔的结构，并根据结构设置合理的长度与截面直径的比值来增加谐振腔内光声信号的强度。第二谐振腔42的结构、长度与截面直径的比值均与第一谐振腔32保持一致。
该谐振式光声池的内表面需要抛光，其蒸镀有金或银。这可以降低光声池内壁对入射光的吸收及固体光声效应的产生，同时减少池壁粘滞引起的损耗，且可以使得光声池对气体的吸附和解吸很小。
第一声音传感器6设置第一谐振腔32的中间位置，并且第一声音传感器6的开口设置成与第一谐振腔32的内壁齐平，用来获取第一谐振腔32内待测气体产生的声音信号。第二声音传感器7设置第二谐振腔42的中间位置，并且第二声音传感器7的开口设置成与第二谐振腔42的内壁齐平，用来获取第二谐振腔42内待测气体产生的声音信号。将第一声音传感器6设置第一谐振腔32的中间位置，将第二声音传感器7设置第二谐振腔42的中间位置，这样可以更加高效地获取到光声信号。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种用于气体光声光谱检测的谐振式光声池，其特征在于，包括：
用于通入待测气体的进气口以及用于排出所述待测气体的出气口；
两组光声池组件，其相互连通，且对称地设置在所述谐振式光声池的中心轴线的两侧，每组光声池组件包括：
缓冲室，设置在该组光声池组件的端部，并与所述进气口相连通；
谐振腔，设置在所述缓冲室内，并与所述缓冲室相连通；
第一窗口，设置在其中一组光声池组件的端部的外侧，以使入射光从所述第一窗口进入该组声光池组件内，从而使得该组光声池组件内的待测气体发生膨胀并压缩另一组光声池组件内的待测气体；
两个声音传感器，用于分别检测所述待测气体在所述两组光声池组件的两个所述谐振腔产生的声音信号；
差分放大器，其输入端与所述两个声音传感器的输出端均相连，用于将所述两个声音传感器检测到的声音信号相减，以获得双倍的声音信号。
2.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，所述缓冲室与所述谐振腔的横截面积的比值为大于或等于5:1。
3.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，所述谐振腔的形状为圆柱形、方形或球形。
4.根据权利要求3所述的谐振式光声池，其特征在于，所述谐振腔的形状为圆柱形，所述谐振腔的长度与其截面直径的比值为大于或等于10:1。
5.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，还包括：
第二窗口，与所述第一窗口设置在同一组光声池组件上，并设置在与所述第一窗口位置相对的该组光声池组件另一端部的外侧。
6.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，还包括管道，用于连通所述两组光声池组件；
所述进气口和所述出气口均设置在所述管道的中间位置处。
7.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，所述光声池内表面镀有金或银。
8.根据权利要求1所述的谐振式光声池，其特征在于，所述声音传感器安装在所述谐振腔的中间位置处。
9.根据权利要求8所述的谐振式光声池，其特征在于，所述声音传感器的开口设置成与所述谐振腔的管壁齐平。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的谐振式光声池，其特征在于，所述声音传感器为微音器、压电陶瓷传声器或光纤声传感器。
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