CN109374529A - 一种半开腔共振式光声池 - Google Patents

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Abstract

本发明属于痕量气体检测技术领域，提供一种半开腔共振式光声池，包括壳体、谐振腔、缓冲室、光学玻璃窗片、声波传感器、进气口和出气口。该结构将传统的一阶纵向共振式光声池谐振腔一侧的缓冲室去除，将声波传感器置于此位置，另一侧的缓冲室保留，形成半开半闭式的光声池结构。声波传感器将产生的光声信号采集，通过分析处理获得待测气体的浓度信息。在缓冲室的端面安装有光学玻璃窗片，让激励光顺利通过，在靠近声波传感器的谐振腔位置设有进气孔，在缓冲室的侧壁设有出气孔。本发明的光声池提高了光声信号强度，气体的检测极限灵敏度更高；同时减小光声池的加工难度、气体的平衡时间和气样体积，为高灵敏度痕量气体的检测提供了新的解决方案。

Description

一种半开腔共振式光声池
技术领域
本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及到一种半开腔共振式光声池。
背景技术
痕量气体检测在大气环境检测、工业过程控制以及生命科学领域有着广泛的应用需求。随着激光技术的发展，光谱技术已经成为一种具有高灵敏度、响应时间快和选择性强等优势的气体检测方法。光声光谱是通过直接测量气体因吸收光能而产生热量的光谱量热技术，是一种无背景吸收光谱技术。气体光声光谱技术的基本原理为：待测气体吸收特殊波段的光能量后，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。当光以一定频率调制后，其始终局部温度就会周期性的升高降低，从而产生与激光调制频率一致的声波信号。利用声波探测器对产生的声波信号进行采集，通过分析处理就可以获得待测气体的浓度信息。
基于光声光谱检测技术的探测系统中，一般采用光声池作为声波产生单元。光声池分为共振式光声池和非共振式光声池两种结构。共振式光声池是以声波在光声池中传播的某个本征频率来调制光源，声波在光声池中形成驻波，光声信号从而实现共振放大，因此共振式光声池对于气体的检测灵敏度更高。光声信号大小和光声池常数成正比关系，因此可以通过提高池常数来提高光声信号。对于传统共振式光声池，要想提高池常数的大小，可以通过减小谐振腔的半径，但是过小的半径会增加激光器准直的难度，一旦光束照射到池壁上，会引起池壁吸收，增加系统的噪声，因此在不改变传统光声池结构的前提下，池常数的提高空间有限。同时传统的共振式光声池的谐振腔两侧各有一个缓冲室的结构，系统内部的气路体积较大，在进行微量气体检测时所需的气样量明显增加。因此设计一种高性能共振式光声池结构对于微量气体检测领域具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提出一种半开腔式共振光声池结构。在谐振腔尺寸不变的前提下，该方法不仅可以提高光声信号的强度，提高气体的检测灵敏度，同时减小了光声池的加工难度，减小了气体的平衡时间和所需气样体积，为光声光谱检测技术在微量气体检测领域的应用中拓展了更大的空间。
本发明的技术方案：
一种半开腔共振式光声池，包括壳体1、谐振腔2、缓冲室3、光学玻璃窗片4、声波传感器5、进气口6和出气口7；将传统的共振式光声池谐振腔2一侧的缓冲室3去除，将声波传感器5置于此位置，另一侧的缓冲室3保留，形成半开半闭式的光声池结构；声波传感器5将产生的光声信号采集，通过分析处理获得待测气体的浓度信息；在缓冲室3的端面安装有光学玻璃窗片4，让激励光顺利通过，在靠近声波传感器5的谐振腔2位置设有进气孔6，在缓冲室3的侧壁设有出气孔7。
将传统的共振式光声池谐振腔一侧的缓冲室去除，将声波传感器置于此位置，另一侧的缓冲室保留，形成半开半闭式的光声池结构。当谐振腔中产生光声信号时，声波敏感膜片发生振动，使得声波传感器的膜片发生周期性的振动，通过解调膜片振动幅度的大小得到光声信号的实际值。半开腔式纵向共振光声池的整体设计结构更加简化，同时减少了一个缓冲室，可以使气体平衡时间缩短，减小了系统的响应时间；同时该半开腔式光声池结构与声波传感器的匹配更加方便，使得谐振腔中间位置不需要开孔配合声波传感器的使用，光声池的结构易于加工；另外，该种结构的设计将驻波的波腹位置从谐振腔的正中央变化到谐振腔的边缘位置，在谐振腔尺寸不变的前提下减小了谐振腔的一阶共振频率，增加了光声信号的大小，提高了气体的检测极限灵敏度。
本发明的设计理论依据如下：光声池中的光声信号幅度正比于入射光功率、光声池常数、气体的体积浓度、声波传感器的灵敏度和气体的吸收系数。当气体的种类和浓度、入射光功率、声波传感器的灵敏度不变的前提下，增大光声池常数有利于光声信号的提高。传统的共振式光声池在谐振腔两端设置有缓冲室的结构，谐振腔中央为声波的波腹位置，谐振腔两个边缘位置为声波的波节位置，声波传感器置于谐振腔的正中央。传统光声池的一阶纵向模式的共振频率f可以近似表示为:f＝v/2L，其中v为声速，L为谐振腔的长度。当谐振腔长度和半径一定的前提下，光声池常数与光声池的一阶纵向共振频率的1/2次幂f1/2成反比关系。而对于本发明中所提出的半开腔式一阶纵向共振光声池来说，谐振腔的封闭侧为声波的波腹位置，声波敏感膜片所在的位置声波处于极大值，在谐振腔与缓冲室相接的位置是声波的波节位置，此种结构的光声池的一阶纵向模式的共振频率f1可以表示为：f1＝v/4L。在谐振腔尺寸不变的前提下，半开腔式光声池的一阶纵向共振频率是传统共振式光声池一阶纵向共振频率的一半。根据上文可知，共振频率f1越小，光声池常数越大，光声信号幅度越强。因此本发明中设计的光声池结构有效的增加了光声信号的强度，提高了气体的检测极限。
本发明的效果和益处：在传统的共振式光声池的基础上，提高了光声信号强度，气体的检测极限灵敏度更高；同时减小了光声池的加工难度、气体的平衡时间和气样体积，为高灵敏度痕量气体的检测提供了新的解决方案。
附图说明
图1是半开腔式光声池的示意图。
图2是传统一阶纵向共振式光声池谐振腔内部的声场分布示意图。
图3是半开腔式一阶纵向共振光声池谐振腔内部的声场分布示意图。
图中：1壳体；2谐振腔；3缓冲室；4光学玻璃窗片；5声波传感器；6进气口；7出气口；8声波波腹位置；9声波波节位置。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了如图1所示的半开腔式共振光声池，包括壳体1、谐振腔2、缓冲室3、光学玻璃窗片4、声波传感器5、进气口6和出气口7。声波传感器5将产生的光声信号采集，通过分析处理可以获得待测气体的浓度信息。在缓冲室3的端面安装有光学玻璃窗片4，可以让激励光顺利通过，在靠近声波传感器5的谐振腔2位置设有进气孔6，在缓冲室3的侧壁设有出气孔7。
图2表示的传统的共振式光声池谐振腔内部声波的分布情况，可以看出谐振腔中间位置为声波的波腹位置8，谐振腔两端为声波的波节位置9，声波传感器5置于谐振腔的正中央。
图3表示的是本发明提出的半开腔式共振光声池谐振腔内部声波的分布情况，谐振腔的左侧闭合处是声波的波腹位置8，谐振腔右侧的开放处是声波的波节位置9。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种半开腔共振式光声池，其特征在于，所述的半开腔共振式光声池包括壳体(1)、谐振腔(2)、缓冲室(3)、光学玻璃窗片(4)、声波传感器(5)、进气口(6)和出气口(7)；将传统的共振式光声池谐振腔(2)一侧的缓冲室(3)去除，将声波传感器(5)置于此位置，另一侧的缓冲室(3)保留，形成半开半闭式的光声池结构；声波传感器(5)将产生的光声信号采集，通过分析处理获得待测气体的浓度信息；在缓冲室(3)的端面安装有光学玻璃窗片(4)，让激励光顺利通过，在靠近声波传感器(5)的谐振腔(2)位置设有进气孔(6)，在缓冲室(3)的侧壁设有出气孔(7)。
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