CN111122445A - 一种多重谐振式t型增强的多种痕量气体同时检测方法 - 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方法，包括以下步骤：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；对所述第一光声信号进行解调检测，得到对应的电压信号；对所述电压信号进行存储并传输给接收装置；通过所述接收装置对所述电压信号进行分析，以完成所述多种痕量气体的同时检测。本发明通过这种检测方法，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方法。
背景技术
光声光谱检测技术作为一种重要的光学无损检测技术，具有灵敏度高、动态范围大的优点，在污染检测、工业生产、航空航天、火灾预警和医疗诊断等诸多方面有着重要的应用价值。气体光声光谱检测技术基于气相光声效应，结合多种形式的光声信号增强模式，可实现多种痕量气体的定量检测，检测精度可达ppm至ppt量级。
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及检测方法。目前可实现多气体成分同时分析的光学气体检测方法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方法。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方法，包括以下步骤：
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；
对所述第一光声信号进行解调检测，得到对应的电压信号；
对所述电压信号进行存储并传输给接收装置；
通过所述接收装置对所述电压信号进行分析，以完成所述多种痕量气体的同时检测。
在本发明的一个实施例中，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，包括：
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；
通过所述多重谐振式T型增强光声池对所述第二光声信号进行谐振，得到对应痕量气体成分的第一光声信号。
在本发明的一个实施例中，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，包括：
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所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中；
所述多种痕量气体吸收所述输出光，激发得到对应的所述第二光声信号。
在本发明的一个实施例中，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所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中，包括：
激发所述激光器，使其发出输出光；
利用所述锁相放大器的参考信号输出频率调制所述输出光至所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中。
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共振腔的谐振点相同。
在本发明的一个实施例中，所述激光器为固定波长的激光器。
在本发明的一个实施例中，所述激光器的输出波长值与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；
4.本发明设计的多谐振模式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方法的流程示意图；
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多种谐振式T型增强光声池的结构示意图；
图4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方法的流程示意图。
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目标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，激发得到对应的第二光声信号。
所述多种痕量气体吸收输出光后，发生光声效应，从而激发得到对应的第二光声信号，第二光声信号包含多种气体成分吸收信息。
步骤20：通过所述多重谐振式T型增强光声池的不同谐振模式对所述第二光声信号进行谐振，得到对应痕量气体成分的第一光声信号。
第一光声信号为第二光声信号进行谐振后，得到的增大的光声信号。
进一步地，激光器为固定波长的激光器。本发明实施例可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，并且降低了检测系统的成本。
进一步地，激光器的输出波长值与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。
步骤2：对第一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一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。
实施例二
基于上述的检测方法，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装置，请参见图2，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，同时将输出光照射进多重谐振式T型增强光声池2中，得到若干第二光声信号；
多重谐振式T型增强光声池2，用于对若干第二光声信号进行谐振，得到对应的若干第一光声信号；
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，用于对若干第一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；
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。
请同时参见图3和图4，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多重谐振式T型增强光声池的结构示意图；图4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包括自下而上依次设置的谐振腔21、微音器22；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一光声信号；
微音器22连接若干锁相放大器3，用于检测若干第一光声信号并将第一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发出的输出光形成若干第一光声信号，并将若干第一光声信号传递给共振腔212；
共振腔212，用于对若干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。
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：
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。
实施例三
本发明实施例在上述实施例的基础上，具体对三种痕量气体的同时检测进行了详细说明。
本发明实施例的检测装置同实施例二的检测装置相同。
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，产生三个不同的第二光声信号。
步骤S3：三个不同的第二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，产生三个不同的第一光声信号，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 (7)
1.一种多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
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；
对所述第一光声信号进行解调检测，得到对应的电压信号；
对所述电压信号进行存储并传输给接收装置；
通过所述接收装置对所述电压信号进行分析，以完成所述多种痕量气体的同时检测。
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方法，其特征在于，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，包括：
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；
通过所述多重谐振式T型增强光声池对所述第二光声信号进行谐振，得到对应痕量气体成分的第一光声信号。
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方法，其特征在于，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，包括：
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所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中；
所述多种痕量气体吸收所述输出光，激发得到对应的所述第二光声信号。
4.根据权利要求3所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，其特征在于，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所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中，包括：
激发所述激光器，使其发出输出光；
利用所述锁相放大器的参考信号输出频率调制所述输出光至所述多重谐振式T型增强光声池的多个吸收腔中。
5.根据权利要求4所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，其特征在于，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共振腔的谐振点相同。
6.根据权利要求4所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，其特征在于，所述激光器为固定波长的激光器。
7.根据权利要求6所述的多重谐振式T型增强的多种痕量气体同时检测方法，其特征在于，所述激光器的输出波长值与所述痕量气体成分的主吸收峰值相同。
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| 刘丽娴: ""差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
| 明海: "《光子科技创新与产业化 长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集》", 30 November 2006, 安徽人民出版社 * |
| 袁运开: "《现代自然科学概念》", 31 December 2002, 华东师范大学出版社 * |
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