CN111122444A - 一种多重谐振式t型增强的多种痕量气体同时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，包括：若干激光器，用于产生输出光并利用若干锁相放大器进行调制，同时将输出光照射T型增强光声池中的痕量气体中，得到第一光声信号；多重谐振式T型增强光声池，用于通过多个谐振模式，对第一光声信号进行谐振，得到对应的若干第二光声信号；若干锁相放大器，用于对若干第二光声信号进行解调检测，得到对应的若干电压信号，并传输给数据存储装置；数据存储装置，用于接收若干电压信号并传输给接收装置；接收装置，用于对若干电压信号进行分析。本发明通过这种检测装置，利用多个T型谐振腔体，可完成多种痕量气体成分的同时高精度检测。
Description
技术领域
本发明属于痕量气体光学检测领域，具体涉及一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置。
背景技术
痕量气体是大气中浓度低于10的粒种。指总数为1,000,000个分子中只有一个待研究分子，如大气中的CO、N2O、SO2、O3、NO、NO2、CH4、NH3、H2S、卤化物、有机化物等等都属于痕量气体。大气中氮、氧、氩、二氧化碳占干空气的99.997％，其他气体只占0.003％，它们含量极少，多为痕量气体。如氮氧化合物、碳氢化合物、硫化物和氯化物。这些痕量气体参与大气化学循环，在大气中的滞留期为几天至几十年，甚至更长。它们中有一些是天然排放的，但有一部分是由于人类活动大量排放了各种痕量粒种，这些痕量粒种受到各种物理、化学、生物、地球过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气环境及生态造成了重大影响。
由于大气环境中存在多种痕量污染性气体，因此，亟待开发多气体成分同时检测分析的高精度气体传感器。目前可实现多气体成分同时分析的光学气体检测装置一般使用广谱黑体光源或波段可调谐激光器作为信号激励源。广谱黑体光源虽光谱覆盖范围广，但单波长光能量较低，限制了检测系统的信噪比和气体探测灵敏度的进一步提高；且气体仅吸收部分波长入射光，造成光能量浪费。而波段可调谐激光器价格昂贵，受可调谐范围影响可同时检测的气体种类有限，限制了该技术在多种污染气体检测行业的进一步推广。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，包括：若干激光器、多重谐振式T型增强光声池、若干锁相放大器、数据存储装置、接收装置；其中，
所述若干激光器，分别与所述多重谐振式T型增强光声池、所述若干锁相放大器连接，用于产生输出光并利用所述若干锁相放大器进行调制，同时将输出光照射所述多重谐振式T型增强光声池中的痕量气体中，得到第一光声信号；
所述多重谐振式T型增强光声池，用于通过多个谐振模式，对所述第一光声信号进行谐振，得到对应的若干第二光声信号；
所述若干锁相放大器，分别与所述多重谐振式T型增强光声池、所述数据存储装置连接，用于对所述若干第二光声信号进行解调检测，得到对应的若干电压信号，并将所述若干电压信号传输给数据存储装置；
所述数据存储装置，与所述接收装置连接，用于接收所述若干电压信号并将所述若干电压信号传输给所述接收装置；
所述接收装置，用于对所述若干电压信号进行分析，从而得到若干痕量气体的种类和性质。
在本发明的一个实施例中，所述多重谐振式T型增强光声池包括自下而上依次设置的谐振腔、微音器；其中，
所述谐振腔连接所述若干激光器，用于吸收所述若干激光器发出的输出光并将所述输出光转换成所述若干第二光声信号；
所述微音器连接所述若干锁相放大器，用于检测所述若干第二光声信号并将所述若干第二光声信号转换成所述若干电压信号。
在本发明的一个实施例中，所述谐振腔包括：吸收腔，共振腔、其中，
所述吸收腔，连接所述若干激光器，用于吸收所述若干激光器发出的输出光，形成所述第一光声信号，并将所述第一光声信号传递给所述共振腔；
所述共振腔，用于对所述第一光声信号进行谐振，从而形成所述若干第二光声信号。
在本发明的一个实施例中，每一所述锁相放大器的参考信号输出频率与所述多重谐振式T型增强光声池对应的所述共振腔的谐振点相同。
在本发明的一个实施例中，所述若干激光器均为固定波长的激光器。
在本发明的一个实施例中，所述若干激光器的输出波长值与对应的所述痕量气体成分的主吸收峰值相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明的这种检测装置可以实现对对多种痕量气体的同时检测，并且能够降低各个成分间相互干扰的可能，提高检测精度和信噪比；
2.本发明设计的多谐振式T型增强光声池包含多个T型谐振腔体，可完成多种痕量气体成分的同时高精度检测；每个T型谐振腔体的共振频率彼此相互独立，采用同一声学探测器检测，结构简单，使光声检测单元更加小型化和轻便化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的T型增强光声池的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的T型谐振腔的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的结构示意图。
该检测装置包括若干激光器1、多重谐振式T型增强光声池2、若干锁相放大器3、数据存储装置4、接收装置5；其中，
若干激光器1，分别与多重谐振式T型增强光声池2、若干锁相放大器3连接，用于产生输出光并利用若干锁相放大器3进行调制，同时将输出光照射多重谐振式T型增强光声池2的痕量气体中，得到第一光声信号；
痕量气体吸收对应的若干激光器1发出的吸收光后，发生光声效应，从而激发得到第一光声信号，第一光声信号包含多种气体成分吸收信息。
进一步地，若干激光器1均为固定波长的激光器。固定波长的激光器相对于波段可调谐的激光器来说，价格相对低廉，在一定程度上减少了检测装置的成本。
进一步地，若干激光器1的输入调制由对应的若干锁相放大器3的频率输出模式进行控制的。
本发明实施例选用多个无关联的波长固定激光器作为激励源，完全解决了在小范围内气体光吸收特征区域相互重叠影响而造成的气体检测困难的问题，并且降低了检测的成本。
进一步地，若干激光器1的输出波长值与对应的痕量气体成分的主吸收峰值相同。气体主吸收峰处的光吸收系数一般远大于其他吸收峰，从而可大幅度地提高气体的检测灵敏度。
进一步地，多重谐振式T型增强光声池2，用于通过多个谐振模式，对第一光声信号进行谐振，得到若干第二光声信号；
第二光声信号为第一光声信号进行谐振后，得到的增大的光声信号。
进一步地，若干锁相放大器3，分别与多重谐振T型增强光声池2、数据存储装置4连接，用于对若干第二光声信号进行解调检测，得到对应的若干电压信号，并将若干电压信号传输给数据存储装置4。
进一步地，数据存储装置4，与接收装置5连接，用于接收若干电压信号并将若干电压信号传输给接收装置5；
接收装置5，用于对若干电压信号进行分析，从而得到多种痕量气体的具体种类和性质。
接收装置5对若干电压信号进行分析存储后，最终得到的信号可反映各个痕量气体的种类的性质。
请同时参见图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的多重谐振式T型增强光声池的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置的T型谐振腔的结构示意图。多重谐振式T型增强光声池2包括自上而下依次设置的谐振腔21、微音器21；其中，
谐振腔21连接若干激光器1，用于吸收若干激光器1发出的输出光并将输出光转换成若干第二光声信号；
微音器22连接若干锁相放大器3，用于检测若干第二光声信号并将第二光声信号转换成电压信号。
进一步地，谐振腔21包括：吸收腔211、共振腔212；其中，
吸收腔211连接若干激光器1，用于吸收若干激光器1发出的输出光形成第一光声信号，并将第一光声信号传递给共振腔212；
共振腔212，用于对第一光声信号进行谐振，从而形成若干第二光声信号。共振腔212用于满足痕量气体所产生的微小信号提取和识别的需求。
简单来说，谐振腔21的共振频率由共振腔212来决定的。
需要说明的是，吸收腔211主要负责对照射至谐振腔21的入射光进行吸收，其截面大小可根据入射光光斑大小等特性改变。该谐振腔的共振频率主要由共振腔212决定，入射光在共振腔212处产生的声波将在共振腔212的开口处附近被反射而形成声驻波。共振腔212与入射光路垂直，其长度不受水平面的狭窄空间的影响，故可在有限的空间中实现低频率共振。
本发明的这种检测装置，可以达到以下有益效果：
1.本发明的这种检测装置可以实现对对多种痕量气体的同时检测，并且能够降低各个成分间相互干扰的可能，提高检测精度和信噪比；
2.本发明设计的多谐振模式T型增强光声池包含至少三个T型谐振腔体，可完成多种痕量气体成分的同时高精度检测；每个T型谐振腔体的共振频率彼此相互独立，采用同一声学探测器检测，结构简单，使光声检测单元更加小型化和轻便化。
实施例二
本发明实施例在上述实施例的基础上，对一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法进行了详细说明。
一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，包括以下步骤：
步骤1：利用经频率调制的输出光照射至多重谐振式T型增强光声池，得到对应痕量气体成分的第一光声信号。
收集包含多种痕量污染气体的空气，并充入多谐振模式T型增强光声池中。
进一步地，步骤1包括以下步骤：
步骤10：通过经频率调制的输出光照射所述多重谐振式T型增强光声池中的多种痕量气体，得到对应的第二光声信号。
进一步地，步骤10可以包括以下步骤：
步骤101：通过锁相放大器的参考信号输出频率调制多个激光器的输出光至多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中。
进一步地，步骤101：可以包括以下步骤：
步骤1011：激发激光器，使其发出输出光。
通过电信号激发激光器，使其发出输出光。
步骤1012：利用锁相放大器的参考信号输出频率调制输出光至多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中。
激光器发出的输出光由锁相放大器的参考信号输出频率来幅值调制，且各个锁相放大器的输出参考信号输出频率与多重谐振式T型增强光声池对应的谐振腔的谐振点相同。
需要说明的是，锁相放大器及激光器的个数分别与痕量气体的种类一一对应。
步骤102：所述多种痕量气体吸收输出光，激发得到第一光声信号。
所述多种痕量气体吸收输出光后，发生光声效应，从而激发得到第一光声信号。
步骤20：通过所述多重谐振式T型增强光声池对所述第一光声信号进行谐振，得到对应痕量气体成分的第二光声信号。
步骤2：对第二光声信号进行解调检测，得到对应的电压信号。
进一步地，利用锁相放大器对第二光声信号进行解调检测，得到对应的电压信号，一个光声信号对应一个电压信号。
步骤3：对电压信号进行存储并传输给接收装置。
进一步地，利用数据采集装置对电压信号进行存储并发送给接收装置。
由于多种痕量气体最后会得到不同的电压信号，因此通过数据采集装置可以将若干电压信号进行收集，然后发送给接收装置。
步骤5：通过接收装置对电压信号进行分析，以完成多种痕量气体的同时检测。
接收装置用于对得到的电压信号进行分析，从而检测出各个痕量气体的成分和性质。
本发明通过这种方法，可以得到以下有益效果：
1.本发明提出了一种多种谐振模式T型增强的多种痕量气体检测方法，该方法通过多波长激励、多模式共振的工作方式，其核心部件光声池具有多个光吸收腔体，从原理上克服了气体混合物中各个成分吸收特性间的相互干扰问题，提高了多种气体同时检测的可能性；
2.本发明提出了一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，采用多个价格相对低廉的固定波长激光器，每个激光器的输出波长均位于各个气体成分的主吸收峰处，可实现多种痕量气体成分的高精度检测；
3.本发明的这种方法在入射光能量相同的条件下，提高了光能利用率和气体成分检测精度，相对于波段可调谐光源检测系统，大幅度地降低了系统成本并实现了多种气体同时检测。
实施例三
本发明实施例在上述实施例的基础上，对使用多重谐振式T型增强的多痕量气体同时检测装置对三种痕量气体的同时检测过程进行了详细说明。
步骤S1：收集包含三种痕量气体的空气，充入多重谐振式T型增强光声池中的三个吸收腔内。
步骤S2：选取三个输出波长对应于三种痕量气体主吸收峰处的激光器作为激励源，经三个对应的锁相放大器激发后，三个激光器产生三种不同的入射光，照射进三个吸收腔内，产生三个不同的第一光声信号。
步骤S3：三个不同的第一光声信号进入多重谐振式T型增强光声池中的三个共振腔内进行共振放大，产生三个不同的第二光声信号，由T型增强光声池中的微音器接收并根据不同的共振频率，由对应的锁相放大器接收并解调，得到三个不同的电压信号。
步骤S4：数据存储装置将三个不同的电压信号进行收集存储并发送给接收装置，接收装置对三个不同的电压信号进行分析，从而得到三种痕量气体的具体种类和性质。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，包括：若干激光器(1)、多重谐振式T型增强光声池(2)、若干锁相放大器(3)、数据存储装置(4)、接收装置(5)；其中，
所述若干激光器(1)，分别与所述多重谐振式T型增强光声池(2)、所述若干锁相放大器(3)连接，用于产生输出光并利用所述若干锁相放大器(3)进行调制，同时将输出光照射所述多重谐振式T型增强光声池(2)中的痕量气体，得到第一光声信号；
所述多重谐振式T型增强光声池(2)，用于通过多个谐振模式，对所述若干第一光声信号进行谐振，得到若干第二光声信号；
所述若干锁相放大器(3)，分别与所述多重谐振式T型增强光声池(2)、所述数据存储装置(4)连接，用于对所述若干第二光声信号进行解调检测，得到对应的若干电压信号，并将所述若干电压信号传输给数据存储装置(4)；
所述数据存储装置(4)，与所述接收装置(5)连接，用于接收所述若干电压信号并将所述若干电压信号传输给所述接收装置(5)；
所述接收装置(5)，用于对所述若干电压信号进行分析，从而得到若干痕量气体的种类和性质。
2.根据权利要求1所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，所述多重谐振式T型增强光声池(2)包括自下而上依次设置的谐振腔(21)、微音器(22)；其中，
所述谐振腔(21)连接所述若干激光器(1)，用于吸收所述若干激光器(1)发出的输出光并将所述输出光转换成所述若干第二光声信号；
所述微音器(22)连接所述若干锁相放大器(3)，用于检测所述若干第二光声信号并将所述若干第二光声信号转换成所述若干电压信号。
3.根据权利要求2所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，所述谐振腔(21)包括：吸收腔(211)，共振腔(212)、其中，
所述吸收腔(211)，连接所述若干激光器(1)，用于吸收所述若干激光器(1)发出的输出光，形成所述第一光声信号，并将所述第一光声信号传递给所述共振腔(212)；
所述共振腔(212)，用于对所述第一光声信号进行谐振，从而形成所述若干第二光声信号。
4.根据权利要求1所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，每一所述锁相放大器(3)的参考信号输出频率与所述多重谐振式T型增强光声池(2)对应的所述共振腔(212)的谐振点相同。
5.根据权利要求1所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，所述若干激光器(1)均为固定波长的激光器。
6.根据权利要求5所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测装置，其特征在于，所述若干激光器(1)的输出波长值与对应的所述痕量气体成分的主吸收峰值相同。
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