CN108801927A - 一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置及方法，所述装置包括纳秒脉冲DFB激光器、准直镜、信号发生器、控制器、长光程吸收光声池、超声波探测器、温度传感器、压强传感器、锁相放大器、数据采集卡、计算机。基于上述装置能够实现乙炔气体浓度的快速、精确、高灵敏度、高分辨率的非接触式测量，有效避免因乙炔气体中毒而导致的死亡事故的发生。利用温度压强对浓度进行监测值修正可以有效降低环境因素对气体检测的影响，大大提高系统的测量精度。利用超声波成像对气体浓度进行检测，可以减少其他气体成分及环境噪音的干扰，检测速度更快，灵敏度更高。

Description

一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置及方法
技术领域
本发明属于微量气体检测技术领域，涉及一种快速准确检测乙炔气体浓度大小的装置和方法，具体涉及一种利用光致超声法对痕量乙炔气体进行检测的装置和方法。
背景技术
乙炔气体在金属切割和焊接方面有重要应用，同时，它还是一种重要的有机原料。然而，乙炔气体无色且易燃易爆，当空气中乙炔气体浓度达到2.3～72.3％时，极易引发爆炸事故。因此，准确、实时地检测出工业现场中乙炔气体的浓度对于保证生产和工人的安全具有重大意义，同时通过测量草莓、树莓挥发出的乙炔气体浓度可以判断水果的品质。
气体浓度的检测方法按照原理可分为非光谱法和光谱法。由于需要对待测气体进行采样，非光谱法检测响应时间长，无法实时监测，同时受外部环境影响较大，像温度、压强、震动等因素对测量结果较大，尤其当气体浓度分布不均匀时，测量结果误差很大，应对实际的工农业现场环境时，设备的制造和维护成本很高，性价比较低，且大部分气体无法实现浓度测量。光谱法是目前较常用的气体浓度检测方法，该方法无需对气体进行采样，可以实时快速测量，同时，具有灵敏度较高、测量的范围很广、可连续工作等优点，可以应用于复杂的工业现场环境当中。与普通声波相比，利用光致超声方法对气体浓度进行检测，可以减少其他气体成分的干扰，检测速度更快，灵敏度更高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置及方法。本发明采用纳秒脉冲激光照射乙炔气体，获得超声波信号，可以减少其他气体成分及环境噪音的干扰，检测速度更快，灵敏度更高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置，包括信号发生器、控制器、纳秒脉冲DFB激光器、准直镜、长光程吸收光声池、球面镜、压强传感器、温度传感器、声信号接收装置、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其中：
所述信号发生器产生调制信号和参考信号两路信号；
所述调制信号输入到控制器中，调制纳秒脉冲DFB激光器，使其输出光谱扫过乙炔气体1534.095nm处的吸收峰；
所述纳秒脉冲DFB激光器输出的激光经准直器准直后射入长光程吸收光声池的入射光口；
所述长光程吸收光声池内设置有两个球面镜，激光光束在两个球面镜之间经过多次反射后，使长光程吸收光声池内的乙炔气体被充分激发，产生声压信号；
所述温度传感器的探头安装在长光程吸收光声池内，用于修正温度对测量结果的影响；
所述压力传感器设置在长光程吸收光声池的气体出口处，用于修正压强对测量结果的影响；
所述声信号接收装置安装在长光程吸收光声池的侧壁上，输出端与锁相放大器连接，用于检测长光程吸收光声池中形成的声压信号的强度并将其转化为电信号；
所述锁相放大器对被测的电信号与参考信号进行相关运算，得到二次谐波信号，经数据采集卡将数据传送到计算机中。
本发明中，所述纳秒脉冲DFB激光器输出中心波长为1535nm的激光。
本发明中，所述声信号接收装置为超声波探测器。
一种利用上述装置检测乙炔气体浓度的方法，基于光致超声方法，用纳秒脉冲激光照射乙炔气体，获得超声波信号，具体实施步骤如下：
(1)信号发生器产生两路信号，一路信号为调制信号，一路信号为参考信号；
(2)调制信号输入到控制器中，调制纳秒脉冲DFB激光器，使其输出光谱扫过乙炔气体1534.095nm处的吸收峰；
(3)纳秒脉冲DFB激光器输出的激光光束经准直器准直后射入长光程吸收光声池内，光束在第一球面镜、第二球面镜之间经过反射，乙炔气体分子吸收电磁辐射后被激发，处于激发态的分子与其他分子发生碰撞，将吸收的光能部分转化成平动动能，使气体温度呈现出与调制频率相同的周期性变化，进而导致压强的周期性变化，产生声压信号；
(4)超声信号由声信号接收装置进行探测，将声压信号转化为电信号；
(5)被测的电信号与参考信号共同传送到锁相放大器中，通过整形、移相、低通滤波等相关运算，把与参考信号同频同相的分量转化为直流取出，得到二次谐波信号；
(6)将得到的二次谐波信号送入数据卡中，最后接入计算机中，进行数据处理和显示，计算机根据声压信号幅度与入射光强、气体分子吸收系数和含量的关系，从而确定长光程吸收光声池内受激发气体的含量，最终得到待测气体浓度；
(7)利用温度传感器采集当前气体温度，利用压力传感器采集当前的气体压强，代入式中，得到修正温度和压强后的乙烯气体的浓度信息。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的检测装置主要用于乙炔气体的实时自动监测，可以有效避免由气体引起的人员中毒死亡事故的发生。
2、本发明的检测装置结构简单，成本低，稳定性高，可实现痕量气体的高灵敏度、高精度检测。
3、本发明基于光致超声方法和朗伯比尔定律，通过纳秒脉冲激光器产生超声波来对气体浓度进行检测，可以减少其他气体成分及环境噪音的干扰，检测速度更快，灵敏度更高。
4、本发明中采用纳秒脉冲DFB激光器，无需使用斩波器，减弱了噪声影响，使测量结果更精确。
附图说明
图1为本发明光声池结构与光致超声法检测乙炔气体浓度装置的结构原理图，图中：1-信号发生器，2-控制器，3-纳秒脉冲DFB激光器，4-准直器，5-长光程吸收光声池，6-球面镜，7-球面镜，8-压力传感器，9-温度传感器，10-超声波探测器，11-锁相放大器，12-数据采集卡，13-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，本发明提供的利用光致超声法检测乙炔气体的检测装置由信号发生器1、控制器2、纳秒脉冲DFB激光器3、准直器4、长光程吸收光声池5、第一球面镜6、第二球面镜7、压力传感器8、温度传感器9、超声波探测器10、锁相放大器11、数据采集卡12和计算机13构成，其中：
信号发生器1产生两路信号，一路信号为调制信号，一路信号为参考信号；调制信号输入到控制器2中，调制纳秒脉冲DFB激光器3，使其输出光谱扫过乙炔气体1534.095nm处的吸收峰。该波长附近，水汽和二氧化碳等气体的吸收谱线强度相对较弱，对乙炔检测结果的影响较小。
纳秒脉冲DFB激光器3输出的激光经准直器4准直后射入长光程吸收光声池5内，光程越长，吸收效果越好。长光程吸收光声池5内采用两个弧度较小的球面镜，使光束在第一球面镜6、第二球面镜7之间经过多次反射，使乙炔气体被充分激发。
乙炔气体分子经激光照射后被激发，处于激发态的气体分子与其他气体分子发生激烈碰撞，将吸收的光能转化成动能，使气体温度发生周期性变化，其变化频率与激光调制频率相同，进而导致压强的周期性变化，从而产生了超声信号。
吸收关系服从朗伯比尔定律，其表达式为：
It(v)＝I0(v)exp[-α(v)CL]＝I0(v)exp[-σ(v)NL] (1)；
(7)利用温度传感器采集当前气体温度，利用压力传感器采集当前的气体压强，代入式中，得到修正温度和压强后的乙烯气体的浓度信息
式中：It(v)—气体吸收后的光强(cd)，I0(v)—入射光的光强(cd)，v—激光频率(cm-1)，α(v)—气体的吸收系数(m-1ppm-1)，C—气体浓度(ppm)，L—光声池内的总光程长度(m)，σ(v)—气体分子的吸收截面面积(molecule-1cm2)，N—气体分子数密度(molecule/m3)。
α(v)和σ(v)的关系如下：
式中：n—气体的摩尔数(mol)，NA—阿伏伽德罗常数，其值大小为6.0221415×1023molecule·mol-1，V—气体的体积(m3)。
上式中的n的表达式为：
式中：P—气体的压强(Pa)，V—气体的体积(m3)，R—摩尔气体常数，其值大小为8.314472J·mole-1·K-1，T—气体的温度(℃)。
将公式(3)代入(2)中，可得下式：
超声信号由敏感度小于1dB的超声波探测器10探测，超声信号强度可表示为下式：
SPA＝Ccellα(v)P0CSm (5)
式中：Ccell为光声池常数，P0为入射激光的功率，C为待测气体浓度，Sm为超声探测器灵敏度。
将式(4)代入(5)中，得到超声信号强度的表达式如下：
被测的电信号与参考信号经锁相放大器11进行相关运算，通过整形、移相、低通滤波，把与参考信号同频同相的分量转化为直流取出。
将得到的二次谐波信号送入数据卡12中，最后接入计算机13中，进行数据处理和显示。根据声压信号幅度与入射光强、气体分子吸收系数和含量的关系，从而确定光声气室内受激发气体的含量，最终得到待测气体浓度。
温度传感器9的探头安装在长光程吸收光声池5内，压力传感器8设置在吸收池的气体出口处，采用理论分析的方法对乙烯气体的浓度公式进行推导，将温度传感器9和压力传感器8测得的数据代入修正公式中，从而获得修正后的乙烯气体浓度值。
基于上述利用光致超声法检测乙炔气体的检测装置能够实现乙炔气体浓度的快速、精确、高灵敏度、高分辨率的非接触式测量，有效避免因乙炔气体中毒而导致的死亡事故的发生。利用温度压强对浓度进行监测值修正可以有效降低环境因素对气体检测的影响，大大提高系统的测量精度。利用超声波成像对气体浓度进行检测，可以减少其他气体成分及环境噪音的干扰，检测速度更快，灵敏度更高。

Claims (4)

1.一种利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置，其特征在于所述装置包括信号发生器、控制器、纳秒脉冲DFB激光器、准直镜、长光程吸收光声池、球面镜、压强传感器、温度传感器、声信号接收装置、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其中：
所述信号发生器产生调制信号和参考信号两路信号；
所述调制信号输入到控制器中，调制纳秒脉冲DFB激光器，使其输出光谱扫过乙炔气体1534.095nm处的吸收峰；
所述纳秒脉冲DFB激光器输出的激光经准直器准直后射入长光程吸收光声池的入射光口；
所述长光程吸收光声池内设置有两个球面镜，激光光束在两个球面镜之间经过多次反射后，使长光程吸收光声池内的乙炔气体被充分激发，产生声压信号；
所述温度传感器的探头安装在长光程吸收光声池内；
所述压力传感器设置在长光程吸收光声池的气体出口处；
所述声信号接收装置安装在长光程吸收光声池的侧壁上，输出端与锁相放大器连接，用于检测长光程吸收光声池中形成的声压信号的强度并将其转化为电信号；
所述锁相放大器对被测的电信号与参考信号进行相关运算，得到二次谐波信号，经数据采集卡将数据传送到计算机中。
2.根据权利要求1所述的利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置，其特征在于所述纳秒脉冲DFB激光器输出中心波长为1535nm的激光。
3.根据权利要求1所述的利用光致超声法检测乙炔气体浓度的装置，其特征在于所述声信号接收装置为超声波探测器。
4.一种利用权利要求1-3任一权利要求所述的装置利用光致超声法检测乙炔气体浓度的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
(1)信号发生器产生两路信号，一路信号为调制信号，一路信号为参考信号；
(2)调制信号输入到控制器中，调制纳秒脉冲DFB激光器，使其输出光谱扫过乙炔气体1534.095nm处的吸收峰；
(3)纳秒脉冲DFB激光器输出的激光光束经准直器准直后射入长光程吸收光声池内，光束在第一球面镜、第二球面镜之间经过反射，乙炔气体分子吸收电磁辐射后被激发，处于激发态的分子与其他分子发生碰撞，将吸收的光能部分转化成平动动能，使气体温度呈现出与调制频率相同的周期性变化，进而导致压强的周期性变化，产生声压信号；
(4)声压信号由声信号接收装置进行探测，将声压信号转化为电信号；
(5)被测的电信号与参考信号共同传送到锁相放大器中，通过相关运算，把与参考信号同频同相的分量转化为直流取出，得到二次谐波信号；
(6)将得到的二次谐波信号送入数据卡中，最后接入计算机中，进行数据处理和显示，计算机根据声压信号幅度与入射光强、气体分子吸收系数和含量的关系，从而确定长光程吸收光声池内受激发气体的含量，最终得到待测气体浓度；
(7)利用温度传感器采集当前气体温度，利用压力传感器采集当前的气体压强，代入式中，得到修正温度和压强后的乙烯气体的浓度信息，式中：α(v)—气体的吸收系数，σ(v)—气体分子的吸收截面面积，P—气体的压强，T—气体的温度。
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