CN111157456A - 一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统，包括：光源模块，用于产生入射光；开放式光声谐振腔，连接所述光源模块，其具有通气窗口以使待测气体进入腔体内；所述开放式光声谐振腔用于根据所述入射光对腔内的所述待测气体进行照射处理以产生光声信号；信号处理模块，连接所述开放式光声谐振腔，用于将所述光声信号转换为电信号并对所述电信号进行处理以完成对所述待测气体的检测。本发明提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统使用开放式共振光声池，无需光学透镜作为窗口，避免了现有的封闭式光声池由于光学窗口与激光光源相互作用而产生背景噪声的问题，提高了气体检测的灵敏度和准确度。
Description
技术领域
本发明属于痕量气体光学检测技术领域，具体涉及一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统。
背景技术
痕量气体是大气中浓度低于10的粒种，其在各种物理、化学、生物等作用下参与生物地球化学循环。大气中的一些痕量污染物含量虽低却会对环境造成巨大的影响。痕量气体的无损在线检测在大气监测、工业安全、医疗诊断等领域都具有重要的研究价值和应用意义。如大气中的SO2会导致酸雨，CO2、CH4是温室效应的元凶。而变压器的绝缘系统在长期工作中会发生老化，产生C2H4、CO等痕量气体，通过对这些痕量气体的检测可以有效地反映出绝缘系统的老化程度，从而预防变压器故障。再比如通过检测患者呼出气体中的NH4含量，可以帮助判断患者是否患有肝功障碍、糖尿病、癌症等疾病等。
传统的痕量气体检测方法如色谱法，需要定时更换色谱柱，仪器和人力成本都较高，难以实现长时间的在线检测。目前，光声检测技术因其灵敏度高、检测速度快等优点被广泛用于痕量气体检测。
然而现有的光声检测装置采用封闭式光声池的光学窗口，其会与激光光源相互作用，产生较大的背景噪声，极大限制了检测装置的灵敏度和准确度。同时封闭式光声池需要控制待测气体的流动，其充气和净化步骤繁琐并且需要增加额外装置，成本高且不便于实际操作。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统，包括：
光源模块，用于产生入射光；
开放式光声谐振腔，连接所述光源模块，其具有通气窗口以使待测气体进入腔体内；所述开放式光声谐振腔用于根据所述入射光对腔内的所述待测气体进行照射处理以产生光声信号；
信号处理模块，连接所述开放式光声谐振腔，用于将所述光声信号转换为电信号并对所述电信号进行处理以完成对所述待测气体的检测。
在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括可调谐激光光源和机械斩波器；其中，
所述可调谐激光光源用于产生激光；
所述机械斩波器连接所述可调谐激光光源和所述开放式光声谐振腔，用于对所述激光进行调制以产生所述入射光。
在本发明的一个实施例中，所述开放式光声谐振腔为T型光声谐振腔。
在本发明的一个实施例中，所述开放式光声谐振腔包括吸收腔和共振腔，其中，
所述吸收腔位于所述开放式光声谐振腔的下部并连接所述机械斩波器，用于吸收所述入射光并产生光声信号；其中，所述吸收腔两端设有通气窗口；
所述共振腔位于所述开放式光声谐振腔的上部，且垂直置于所述吸收腔的正上方，与所述吸收腔形成T形结构；所述共振腔用于对所述光声信号进行共振放大后输出。
在本发明的一个实施例中，所述吸收腔和所述共振腔均为圆柱体结构。
在本发明的一个实施例中，所述开放式光声谐振腔还包括位于所述吸收腔两侧的缓冲腔。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲腔为圆柱体结构。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲腔的直径大于或者小于所述吸收腔的直径。
在本发明的一个实施例中，所述信号处理模块包括声电转换模块、锁相放大器以及处理器；其中，
所述声电转换模块，连接所述开放式光声谐振腔，用于将所述光声信号转换为电信号；
锁相放大器，连接所述机械斩波器以及所述声电转换模块，用于对所述电信号进行处理；
处理器，连接所述锁相放大器，用于对处理后的所述电信号进行存储和信号分析，以完成对所述待测气体的检测。
在本发明的一个实施例中，所述声电转换模块设置于所述开放式光声谐振腔的顶部，并与所述共振腔连接。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统使用开放式共振光声池，无需光学透镜作为窗口，避免了现有的封闭式光声池由于光学窗口与激光光源相互作用而产生背景噪声的问题，提高了气体检测的灵敏度和准确度；
2、本发明提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统增加了缓冲部件用于隔离外部噪声，进一步提高了测量的灵敏度和准确度；
3、本发明提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统无需气流控制装置，免去了传统密闭型传感器充气/净化的复杂程序，降低了仪器成本和操作难度，更利于痕量气体的长时间高精度在线检测。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种开放式光声谐振腔的结构示意图；
图4a～4b是本是本发明实施例提供的具有缓冲腔的开放式光声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是本发明实施例提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统结构示意图，包括：
光源模块1，用于产生入射光；
开放式光声谐振腔2，连接所述光源模块1，其具有通气窗口以使待测气体进入腔体内；所述开放式光声谐振腔2用于根据所述入射光对腔内的所述待测气体进行照射处理以产生光声信号；
信号处理模块3，连接所述开放式光声谐振腔2，用于将所述光声信号转换为电信号并对所述电信号进行处理以完成对所述待测气体的检测。
进一步地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统结构示意图；其中，所述光源模块1包括可调谐激光光源11和机械斩波器12；其中，
所述可调谐激光光源11用于产生激光；
所述机械斩波器12连接所述可调谐激光光源11和所述开放式光声谐振腔2，用于对所述激光进行调制以产生所述入射光。
在本实施例中，可调谐激光光源11主要用于提供波长可调的激光，激光的波长可根据待测气体的主吸收峰来调整。具体地，激光的波长需与待测气体的主吸收峰对应。机械斩波器12在一定频率下对可调谐激光光源11产生的激光光强进行调制，调制频率应与开放式光声谐振腔的本征模式频率一致，调制完成后即可得到能够直接入射至开放式光声谐振腔2内部的入射光。
进一步地，所述开放式光声谐振腔2为T型光声谐振腔。请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种开放式光声谐振腔的结构示意图；
具体地，所述开放式光声谐振腔2包括吸收腔21和共振腔22，其中，
所述吸收腔21位于所述开放式光声谐振腔2的下部并连接所述机械斩波器12，用于吸收所述入射光并产生光声信号；其中，所述吸收腔21两端设有通气窗口；
所述共振腔22位于所述开放式光声谐振腔2的上部，且垂直置于所述吸收腔21的正上方，与所述吸收腔21形成T形结构；所述共振腔22用于对所述光声信号进行共振放大后输出。
进一步地，所述吸收腔21和所述共振腔22均为圆柱体结构。
在本实施例中，将具有开放式光声谐振腔2的气体检测系统置于待测气体环境氛围中，待测气体即可通过吸收腔21两端的通气窗口进入到光声谐振腔内，使得开放式光声谐振腔2内部充满环境气体。入射光直接入射至吸收腔21中，引起待测气体对光的周期性吸收并产生弛豫，从而产生光声信号，光声信号的大小与待测气体浓度成线性关系。进一步地，共振腔22对吸收腔21产生的光声信号进行共振放大，然后将经过处理的光声信号输出至信号处理模块。
本实施例采用开放式光声谐振腔作为共振光声池，无需光学透镜作为窗口，避免了现有的封闭式光声池由于光学窗口与激光光源相互作用而产生背景噪声的问题，提高了气体检测的灵敏度和准确度。
进一步地，请继续参见图2，其中，所述信号处理模块3包括声电转换模块31、锁相放大器32以及处理器33；其中，
所述声电转换模块31，连接所述开放式光声谐振腔2，用于将所述光声信号转换为电信号；
锁相放大器32，连接所述机械斩波器12以及所述声电转换模块31，用于对所述电信号进行处理；
处理器33，连接所述锁相放大器32，用于对处理后的所述电信号进行存储和信号分析，以完成对所述待测气体的检测。
具体的，所述声电转换模块31设置于所述开放式光声谐振腔2的顶部，并与所述共振腔22连接。也就是说，声电转换模块位于光声信号的波腹处。
在本实施例中，声电转换模块31对共振腔22输出的光声信号进行检测，并将光声信号转换成电信号，其中，该电信号与待测气体的浓度成线性关系。
进一步地，锁相放大器32的参考输入端与机械斩波器12相连，用于接收机械斩波器12传输的调制信号；锁相放大器32的信号输入端与声电转换模块31相连，用于滤除所述电信号中与光声信号频率不同的干扰信号。
进一步地，锁相放大器32的输出端连接处理器，经过锁相放大器32滤波调制之后的电信号传输至处理器，处理器存储该电信号并进行信号分析，以完成待测痕量气体的检测。
本实施例提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统无需气流控制装置，免去了传统密闭型传感器充气/净化的复杂程序，降低了仪器成本和操作难度，更利于痕量气体的长时间高精度在线检测。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本发明还提供了一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统，其中，所述开放式光声谐振腔2还包括位于所述吸收腔21两侧的缓冲腔23，用于减少周围气体扰动所产生的噪声影响。
进一步地，所述缓冲腔23为圆柱体结构，且所述缓冲腔23的直径大于或者小于所述吸收腔21的直径。请参见图4a～4b，图4a～4b是本发明实施例提供的具有缓冲腔的开放式光声谐振腔的结构示意图，其中，图4a的缓冲腔23的直径大于吸收腔21的直径，图4b的缓冲腔23的直径小于吸收腔21的直径。
具体地，缓冲腔23的直径与吸收腔21的直径差越大，其减少周围气体扰动所产生的噪声影响的效果越明显。
下面将介绍本实施例提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统的检测方法。
具体地，将开放式光声谐振腔置于测量环境中，使环境气体充满开放式光声谐振腔。可调谐激光光源产生波长对应所测痕量气体主吸收峰的激光，然后利用机械斩波器在一定频率下对所述激光光强进行调制，调制频率应与开放式光声谐振腔的本征模式频率一致。调制后的激光入射至开放式光声谐振腔的吸收腔，引起待测气体对光的周期性吸收并产生弛豫，从而产生光声信号，光声信号的大小与待测气体浓度成线性关系。光声信号经共振腔的共振放大后被位于光声信号波腹处的声电转换模块检测并转换为电信号。锁相放大器对所述电信号进行互相关运算和低通滤波，滤除与光声信号频率不同的干扰信号。经锁相放大器处理后的电信号传输至处理器，被处理器存储和信号分析处理，完成对痕量气体的高精度在线检测。
本实施例提供的基于开放式光声谐振腔的气体检测系统增加了缓冲部件用于隔离外部噪声，进一步提高了测量的灵敏度和准确度。
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 (10)
1.一种基于开放式光声谐振腔的气体检测系统，其特征在于，包括：
光源模块(1)，用于产生入射光；
开放式光声谐振腔(2)，连接所述光源模块(1)，其具有通气窗口以使待测气体进入腔体内；所述开放式光声谐振腔(2)用于根据所述入射光对腔内的所述待测气体进行照射处理以产生光声信号；
信号处理模块(3)，连接所述开放式光声谐振腔(2)，用于将所述光声信号转换为电信号并对所述电信号进行处理以完成对所述待测气体的检测。
2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述光源模块(1)包括可调谐激光光源(11)和机械斩波器(12)；其中，
所述可调谐激光光源(11)用于产生激光；
所述机械斩波器(12)连接所述可调谐激光光源(11)和所述开放式光声谐振腔(2)，用于对所述激光进行调制以产生所述入射光。
3.根据权利要求2所述的气体检测系统，其特征在于，所述开放式光声谐振腔(2)为T型光声谐振腔。
4.根据权利要求3所述的气体检测系统，其特征在于，所述开放式光声谐振腔(2)包括吸收腔(21)和共振腔(22)，其中，
所述吸收腔(21)位于所述开放式光声谐振腔(2)的下部并连接所述机械斩波器(12)，用于吸收所述入射光并产生光声信号；其中，所述吸收腔(21)两端设有通气窗口；
所述共振腔(22)位于所述开放式光声谐振腔(2)的上部，且垂直置于所述吸收腔(21)的正上方，与所述吸收腔(21)形成T形结构；所述共振腔(22)用于对所述光声信号进行共振放大后输出。
5.根据权利要求4所述的气体检测系统，其特征在于，所述吸收腔(21)和所述共振腔(22)均为圆柱体结构。
6.根据权利要求4所述的气体检测系统，其特征在于，所述开放式光声谐振腔(2)还包括位于所述吸收腔(21)两侧的缓冲腔(23)。
7.根据权利要求6所述的气体检测系统，其特征在于，所述缓冲腔(23)为圆柱体结构。
8.根据权利要求7所述的气体检测系统，其特征在于，所述缓冲腔(23)的直径大于或者小于所述吸收腔(21)的直径。
9.根据权利要求4所述的气体检测系统，其特征在于，所述信号处理模块(3)包括声电转换模块(31)、锁相放大器(32)以及处理器(33)；其中，
所述声电转换模块(31)，连接所述开放式光声谐振腔(2)，用于将所述光声信号转换为电信号；
锁相放大器(32)，连接所述机械斩波器(12)以及所述声电转换模块(31)，用于对所述电信号进行处理；
处理器(33)，连接所述锁相放大器(32)，用于对处理后的所述电信号进行存储和信号分析，以完成对所述待测气体的检测。
10.根据权利要求9所述的气体检测系统，其特征在于，所述声电转换模块(31)设置于所述开放式光声谐振腔(2)的顶部，并与所述共振腔(22)连接。
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