CN109444049A - 一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置，包括：光源、机械斩光器、斩光器控制模块、滤光片盘、光声池、传声器、锁相放大器、噪声信号探测器、最优斩光频率控制器及嵌入式主机。所述光声光谱检测装置配置有噪声信号探测器和最优斩光频率控制器；噪声信号探测器安装在光声池侧壁，且与传声器安装方向相反，所述的机械斩光器由斩光控制器控制，所述斩光器控制模块的斩光频率由最优斩光频率控制器通过对噪声信号探测器获得信号处理生成，并通过嵌入式主机传输至斩光器控制模块。

Description

一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力系统中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。

如在电力行业中，用于检测电气设备故障，如电力变压器，SF6、氟碳混合气体等气体绝缘电气设备的故障分解气体；

对于充油式电力变压器，需要检测的特征气体有H2，CO，CO2，CH4，C2H6，C2H4，C2H2等。目前对该类气体的检测方法较多；如专利200910046340.7提到一种采用光声光谱技术的在线监测电力变压器的系统，该光声光谱检测仪器采用可调谐级联二极管激光器作为光源。

对于SF6分解气体的检测，也有很多专利，如专利CN10151496A“基于光声光谱技术的SF₆检测系统”，专利CN101982759A“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”，专利CN102661918A“非共振光声光谱检测分析装置”，专利201410455933.X“一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置”，专利201410455935.9“一种采用径向结构的光声光谱检测装置”，专利201410456864.4“一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置”、专利201410705455.3“一种双管并排式石英音叉增强型光声光谱检测装置”。这些专利提出了采用光声光谱检测技术检测气体浓度，但重点在于增加检测气体种类，并未提及如何降低外界噪声干扰。

如专利201410455933.X“一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置”提出一种可更换滤光片盘的光声光谱检测装置结构；专利201410455935.9“一种采用径向结构的光声光谱检测装置”提出多光声池、径向多层滤光片结构的光声光谱装置；专利201410456864.4“一种采用轴向多层滤光片盘结构的光声光谱检测装置”提出轴向多层的滤光片盘结构。

然而由于检测的是声波信号，光声光谱检测装置在应用中存在的一个重要问题是易受外界噪声干扰，为此研究者提出隔振、锁相放大、小波去噪等办法，极大的提高了光声光谱检测装置抗噪声干扰的能力。但由于应用现场环境复杂，如变电站，化工厂等，干扰源类型多，现有的光声光谱检测装置抗噪声干扰方面仍存在一些不足。采用单纯的隔振措施只能一定程度上降低噪声干扰，采用锁相放大技术锁定光声光谱仪调制频率，可只检测调制频率对应的信号，但如果噪声信号中也存在调制频率分量，则采用锁相放大原理无能为力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置。本发明原理简单，效果显著，可从根本上降低外界噪声对光声光谱检测装置的干扰。

光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

本发明的具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置，主要包括：光源、机械斩光器、斩光器控制模块、滤光片盘、光声池、传声器、噪声信号探测器、最优斩光频率控制器、锁相放大器，以及嵌入式主机。

所述光源可为红外热辐射光源等。所述机械斩光器放置在光源的出口端。滤光片盘放置在机械斩光器后，光声池位于滤光片盘之后。所述光声池中心开有光声腔，所述光声腔为圆柱形结构，所述光源的中心线与滤光片盘上滤光片的中心线、光声池光声腔中心线重合。

所述的光声池的制作材料为铝合金、铝、黄铜或不锈钢。所述光声池上开有进气口、出气口、传声器安装口和探测器安装口。光声腔的直径Φ为0.1～100mm、长度L为0.1～500mm，且满足直径Φ小于长度L。垂直于光声腔轴向的侧壁上开有进气口和出气口，所述光声腔内壁可镀金或者涂敷高反射率的材料。所述进气口和出气口位于光声腔径向同一侧，且沿光声腔轴线方向分布。同时在光声池侧壁另一侧的中部与光声腔轴线垂直的位置处开有传声器安装口、噪声信号探测器安装口，传声器安装在所述传声器安装口，噪声信号探测器安装在噪声信号探测器安装口，且传声器与噪声信号探测器安装方向相同、传声器和噪声信号探测器的前端与光声腔中心线距离相同，且与光声腔联通。

所述光声池的进气口和出气口分别与外部管路相连，实现样品气体的进入和流出。

所述的滤光片盘安装在机械斩波器与光声池之间，滤光片盘与机械斩光器平行，保证机械斩光器可实现对通过滤光片光束的通断控制，滤光片盘上围绕中心开有滤光片安装孔，每个滤光片盘上的滤光片安装孔以1～100个为宜。当滤光片数量较多时，可沿辐向分层布置，滤光片安装孔上安装有窄带滤光片。

所述机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制模块连接，机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制模块控制，并通过信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器，同时斩光器控制模块通过信号线与嵌入式主机相连，可通过嵌入式主机设置斩光器控制模块调制频率。滤光片盘放置在机械斩光器后，对调制过的红外光进行滤波，透射过滤光片的红外光射入光声池的光声腔。在光声腔内产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的传声器接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器处理，处理后再经过RS232电缆传输至嵌入式主机。

所述传声器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为1mHz～102.4kHz，灵敏度为2nV～1V，增益精确度为±1％，动态存储>100dB，具有通用接口总线和RS232两种接口。斩光器控制模块的输出端口与所述的锁相放大器通过信号线相连，斩光器的调制频率作为参考频率由斩光器控制模块的输出端口传送到锁相放大器，锁相放大器的输出信号经RS232传输到嵌入式主机处理得到分解气体种类、浓度等信息。

所述噪声信号探测器安装在光声池侧壁噪声信号探测器安装口上，安装方向与传声器相同，噪声信号探测器获得的信号经信号线传输至所述最优斩光频率控制器，通过最优斩光频率控制器进行信号放大、判断后，通过信号线将最优斩光频率传输到嵌入式主机，嵌入式主机按该值设定斩光器控制模块的调制频率。

所述最优斩光频率控制器工作原理如下：

1)对从噪声信号探测器上获得信号进行放大处理；

2)根据斩光器控制模块的工作频率限制，将获得的噪声信号进行时域频域转换，获得噪声信号频域信号；

3)为避开背景噪音干扰，筛选出背景噪音信号最小的频率，确定此频率为最优斩光频率。

4)将对应频率传输给嵌入式主机。

所述具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置工作过程如下：

1)仪器开机上电，系统预热；

2)嵌入式主机，根据上次最优斩光频率设置斩光器控制模块调制频率，机械斩光器按设定频率工作；

3)光声池充入背景气体，噪声信号探测器开始工作，最优斩光频率控制器工作，嵌入式主机根据最新斩光频率设置斩光器控制模块调制频率，机械斩光器根据新斩光频率工作；

4)光声池充入被测气体，传声器开始工作，锁相放大器处理传声器信号，并将处理结果传输至嵌入式主机；

5)嵌入式主机处理得到分解气体种类、浓度等信息。

采用自调频降噪功能后，机械斩光器、锁相放大器工作在噪声干扰信号能量最弱的频率，从原理上降低外部噪声干扰，在其他抗噪声干扰措施不变的基础上，提升装置的抗干扰水平。

附图说明

图1为本发明具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置示意图；

图2为本发明中一种光声池结构示意图；

图3为本发明中最优斩波频率控制器工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置结构示意图。如图1所示，本发明装置主要包括光源1、噪声信号探测器2、机械斩光器3、斩光器控制模块4、滤光片盘5、光声池7、传声器9、锁相放大器12、嵌入式主机14、最优斩光频率控制器15。

被测气体从图1所示的进气口进入光声池7，从出气口流出。

所述滤光片盘5上安装有滤光片。

如图1所示，用于斩光调制的机械斩光器3放置在光源1的出口端。滤光片盘5放置在机械斩光器3后，光声池7位于滤光片盘5之后，且所述光声池7的中心开孔与滤光片盘5上滤光片安装孔对应，使得透过滤光片的光束的中心线，正好与光声池7的中心线对应。传声器9、噪声信号探测器2安装在光声池7的侧壁，中心线与光声池中心线垂直，用于测量光声池内部的声压波动信号，传声器9和噪声信号探测器2的前端与光声池7内部联通。

所述机械斩光器3与斩光器控制模块4通过信号线相连，受斩光器控制模块4控制；斩光器控制模块4还分别通过信号线与锁相放大器12、嵌入式主机14相连；嵌入式主机14设置斩光器控制模块4的斩光频率，斩光器控制模块4将斩光频率传输至锁相放大器12，作为参考频率；所述锁相放大器12还分别与传声器9、嵌入式主机14相连，处理传声器9获得的电信号，并将处理结果传输至嵌入式主机14；所述最优斩光频率控制器15分别通过信号线与噪声信号探测器2、嵌入式主机14相连，处理噪声信号探测器2获得的信号，并将结果传输至嵌入式主机14。

工作时，光源1发出的光经过机械斩光器3斩光后，连续的平行红外光被调制为具有特定调制频率的平行红外光。之后，宽谱平行红外光经过滤光片盘5中的窄带滤光片滤波后，原有的宽谱平行红外光变为具有特定波长范围的窄带平行红外光。机械斩光器3执行的斩光调制频率由斩光器控制模块4发出，通过信号线缆传输给机械斩光器3，并通过信号线传输给锁相放大器12作为锁相放大器的参考频率。

上述斩光调制频率由最优斩光频率控制器15获得；被测气体充入光声池7之前，通过噪声信号探测器2获得斩光器控制模块工作频率范围内的噪声信号，并通过最优斩光频率控制器15处理获得，并传输至嵌入式主机14，再通过嵌入式主机14传输至斩光器控制模块4。

透过滤光片盘5的窄带平行红外光通入光声池7，进入的红外光被分解气体吸收产生光声效应，产生的光声信号由安装在光声池7侧壁上的传声器9接收转化为电信号，经过抗干扰信号线进入锁相放大器12，进一步通过RS232电缆传输至嵌入式主机14，最终得到被检测的绝缘气体分解气体的组分信息，包括种类、含量等。

图2为本发明光声池结构示意图。如图2所示，光声池7开有圆柱形光声腔70，侧壁开有进气口71，出气口72；光声池7侧壁的另一侧开有传声器安装口73，噪声信号探测器安装口74。传声器安装口73，噪声信号探测器安装口74并排布置且与光声腔70联通。

图3为本发明中最优斩光频率控制器工作原理图。如图3所示，虚线框内部分为所述最优斩波频率控制器15，及其工作原理，所述噪声信号探测器2的检测信号输入最优斩光频率控制器15，经过带通滤波，信号时域/频域变化，频域信号强度比较等流程获得最优斩光频率，输出最优斩光频率至嵌入式主机14。

Claims (3)

1.一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括光源(1)、噪声信号探测器(2)、机械斩光器(3)、斩光器控制模块(4)、滤光片盘(5)、光声池(7)、传声器(9)、锁相放大器(12)、嵌入式主机(14)，以及最优斩光频率控制器(15)；所述机械斩光器(3)放置在光源(1)的出口端，滤光片盘(5)放置在机械斩光器(3)之后且两者共轴；光声池(7)位于滤光片盘(5)之后，且工作时光声腔(70)的中心线与滤光片盘(5)上的滤光片的中心线重合，同时与光源(1)的中心线重合；所述光声腔(70)为圆柱形；所述光声池(7)上开有进气口、出气口、传声器安装口，以及噪声信号探测器安装口；所述的进气口(71)和出气口(72)位于垂直于光声腔(70)轴向的光声池侧壁，且靠近光声腔(70)轴向外侧的位置；所述传声器安装口(73)、噪声信号探测器安装口(74)开在光声池(7)侧壁；所述传声器(9)安装在所述传声器安装口(73)上；噪声信号探测器(2)安装在所述噪声信号探测器安装口(74)上；所述机械斩光器(3)经由信号线缆与斩光器控制模块(4)连接，机械斩光器(3)的斩光调制频率由斩光器控制模块(4)控制，并通过信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器(12)；在光声池(7)中产生的光声信号由安装在光声池(7)侧壁上的传声器(9)接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器(12)处理，处理后再经过RS232电缆传输至嵌入式主机(14)。所述噪声信号探测器(2)检测光声池(7)内噪声信号，并通过信号线传输至最优斩光频率控制器(15)，最优斩光频率控制器(15)根据噪声信号计算出最优斩光频率，并传输给嵌入式主机(14)，嵌入式主机(14)将最优斩光频率传输给斩光器控制模块(4)。

2.按照权利要求1所述的一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的传声器(9)与噪声信号探测器(2)并排布置，方向相同，传声器(9)和噪声信号探测器(2)的前端与光声腔(70)轴线距离相同，且与光声腔(70)联通。

3.按照权利要求1所述的一种具有自调频降噪功能的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的最优斩光频率控制器(15)对从噪声信号探测器(2)上获得信号进行放大处理，并根据斩光器控制模块(4)的工作频率限制，将获得的噪声信号进行时域频域转换，获得噪声信号频域信号；为避开背景噪音干扰，最优斩光频率控制器(15)筛选出背景噪音信号最小的频率，确定为最优斩光频率，然后将确定的最优斩光频率传输给嵌入式主机(14)。