CN111323376B - 一种平行入射的红外热辐射光声光谱气体传感装置 - Google Patents

Abstract

一种平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，由产生平行光的红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器、光学窗片、进气口、出气口、进气阀门、出气阀门、光声池、传声器、斩波器控制器、锁相放大器、数据采集与处理模块组成。所述能够产生平行光的红外热辐射光源系统采用多个聚光组件榫卯串接，使红外光束在聚光杯内进行多次反射后，形成平行光束，照射入光声池中。本发明减小了光束的发散角，能够有效降低光声池池壁吸收杂散光引起的背景信号；另一方面，本发明采用多个聚光组件，相比单一的抛物面镜，提高了红外光束的利用率，能够增强光声信号，进而提高光声光谱气体传感装置的信噪比。

Description

一种平行入射的红外热辐射光声光谱气体传感装置

技术领域

本发明涉及一种红外热辐射光声光谱气体传感装置。

背景技术

光声光谱是一种能够利用气体的光声效应实现多组分痕量气体传感检测的装置。光声光谱痕量气体传感装置从激发气体的光声效应所采用的光源角度进行分类，可以分为两种：红外热辐射光声光谱和激光光声光谱。虽然基于激光光源的光声光谱痕量气体传感装置以其窄线宽和高功率密度能够获得极高的检测分辨率和灵敏度，但是，由于激光光源的波长覆盖范围的局限性和激光器的高成本，使得该技术的广泛应用受到限制。并且，对于多数应用来说，10^-6量级的检测灵敏度实际上已经能够满足要求。采用红外热辐射光源的光声光谱痕量气体传感装置，因其可检测气体种类多、结构简单和造价较为低廉，重新成为了关注点。近年来，随着低噪声、高灵敏度传声器和微弱信号电子检测技术的发展，低噪声的光声池设计制作技术的完善，以及计算机控制和数据处理技术的应用，也极大的提高了基于红外热辐射光声光谱气体传感装置的检测灵敏度。

从气体光声效应的产生原理分析可知，在光声池结构设计和微音器性能恒定的前提下，光源功率强度决定了光声光谱气体传感装置的检测灵敏度。激发气体光声效应的光功率越高，光声光谱装置的信噪比越高。然而，在现有的红外热辐射光声光谱中，其红外热辐射光源只能利用极小的立体角部分，从而损失了大部分辐射能。此外，现有的红外热辐射光源作为点光源，产生的光束在透过光声光谱的光学窗片后，与光声池池壁、窗片和微音器直接作用，造成了很大的背景噪声信号，极不利于微弱的气体光声信号提取。为了提高光源产生的光束的平行度，专利201910978879.X针对激光光源石英增强型光声光谱设计了一种光学准直器，通过将半导体激光器准直呈平行光可以提高光声光谱的检测性能。然而，激光光源产生的光束平行度较红外热辐射光源的高，而且常见的准直器也不适用于红外热辐射光源。

发明内容

本发明的目的是克服现有红外热辐射光源光声光谱气体传感装置中红外热辐射光源只能利用极小的立体角部分，损失了大部分辐射能量，而且红外热辐射光源作为点光源，产生的光束在透过光声光谱的光学窗片后，与光声池池壁、窗片和微音器直接作用，使得光声光谱的背景信号增强，而不利于微弱的气体光声信号提取等不足，提出一种平行入射的红外热光源光声光谱气体传感装置。本发明针对红外热辐射光源，通过设计聚光模组，利用多组光学镜片，对红外热辐射光源产生的光束进行多次修正，使得红外热辐射光源产生的光束更多的、更平行的入射光声池中，以提高红外辐射热光源光声光谱气体传感装置的检测性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，由产生平行光的红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器、光学窗片、光声池、传声器、斩波器控制器、锁相放大器、数据采集与处理模块组成。

所述滤光片平行放置于红外热辐射光源系统平行光射出口后，所述斩波器放置在滤光片和光学窗片之间；所述光声池放置在斩波器后，其入口处安装有光学窗片；所述斩波器控制器放置在斩波器后、光声池旁；所述锁相放大器的输入端通过信号线与传声器连接通信，锁相放大器的输出端与数据采集与处理模块的输入端连接，将提取放大的电信号送入数据采集与处理模块采集处理，反演待测气体实际浓度。

所述产生平行光的红外热辐射光源系统包括沿光束传播方向依次布置的灯座、光杯、红外热辐射灯、第一聚光组件、第二聚光组件、平面镜、第三聚光组件，其中：

所述光杯为椭球面反射镜；

所述红外热辐射灯位于光杯的第一焦点处，并由灯座固定；

所述第一聚光组件和第二聚光组件为同曲率的球面反射镜；

所述第一聚光组件经榫卯结构固定在光杯上；第二聚光组件经榫卯结构固定在第一聚光组件上；

所述第三聚光组件为抛物面反射镜，固定在第二聚光组件上，其焦点与光杯的椭球面第二焦点重合，能够将多次反射后的红外光线再次反射形成平行光束。所述第一聚光组件和第二聚光组件组成的球面镜组的曲率和中心距能够使得所述红外热辐射灯的像点位于第三聚光组件的焦点位置。

所述光杯的凹面、第一聚光组件的凹面、第二聚光组件的凹面和第三聚光组件的凹面均进行镜面处理，以增强红外光线的反射能力；

所述平面镜以45°角倾斜固定在第二聚光组件上，与第三聚光组件相对布置，用于改变第三聚光组件输出的平行光束的方向；

所述平面镜进行镜面处理，以增强红外平行光束的反射能力；

所述产生平行光的红外热辐射光源系统的具体工作过程如下：

红外热辐射灯通电后产生的红外光束，一部分光经光杯内壁的凹面反射后，直接汇聚于第三聚光组件的焦点处；另外一部分经过第一聚光组件内壁的凹面和第二聚光组件内壁的凹面进行多次反射后，也聚焦于第三聚光组件的焦点处。两部分的光束均经过第三聚焦组件反射后，转换成平行光束，随后被倾斜45°放置的平面镜反射后，形成平行于红外热辐射光源系统底面的平行光；

所述滤光片平行放置于红外热辐射光源系统平行光射出口后，滤光片的中心波长和带宽决定于待检测气体的吸收谱线；

所述斩波器放置在滤光片和光学窗片之间；

所述光声池放置在斩波器后，光声池入口处安装有光学窗片；

所述斩波器经斩波器控制器进行控制与驱动后，能够以特定速度转动其叶片，从而实现红外平行光束的频率调制；

所述斩波器控制器可以放置在斩波器后、光声池旁边位置，以不阻碍斩波器正常转动为原则；

所述光学窗片安装在光声池的入口处，用以确保光声池气密；为了减小光束在空气传播造成的发散损耗，红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器和光学窗片之间的距离应尽可能减小。

所述光声池为圆柱形金属腔，待测气体经安装在光声池腔体上面的进气管道和进气阀门进入光声池，所述进气阀门安装在进气管道上，用于控制进气管道气体流速，待测气体在光声池腔内吸收红外平行光束，产生光声信号，然后被嵌入光声池下部的传声器感知并转换成电信号，光声池腔室内的气体可以经安装在光声池腔体上面、与进气管道同侧的出气管道和出气阀门排放，所述出气阀门安装在出气管道上，用于控制出气管道气体流速；

所述锁相放大器能够提取并放大传声器输出的微弱电信号；

所述锁相放大器通过信号线与传声器连接通信，锁相放大器提取放大的电信号，经信号线被数据采集与处理模块采集处理，反演待测气体实际浓度。

本发明平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置的工作过程如下：

红外热辐射光源系统产生平行光后，经滤光片、斩波器和光学窗片入射至光声池内，并被待测气体吸收，气体温度升高。由于斩波器控制器控制斩波器以特定频率转动，因此，气体温度将产生周期性变化。根据气体热力学定律，周期性温度变化产生同周期压力波动，即声波，此声波被安装在光声池上的传声器感知并转换成电信号，锁相放大器将传声器输出的微弱电信号进行信号提取放大后，由数据采集与处理模块进行信号存储与信号处理，反演待测气体实际浓度。

相比于现有技术，本发明提供的技术方案具有以下显著优点：

本发明通过采用多个聚光组件进行榫卯连接，使红外热辐射光源产生的光束在光杯内进行多次反射，最终将红外热辐射光源输出的红外光束转换成平行光射入光声池中。一方面，减小了光束的发散角，能够有效降低光声池池壁吸收杂散光引起的背景信号；另一方面，多个聚光组件相比单一抛物面镜，提高了红外光束的利用率，能够增强光声信号，进而提高光声光谱气体传感装置的信噪比。综合而言，将红外热辐射光源输出的红外光束转换成平行光，能够使红外热辐射光源产生的光束更多的、更平行的入射光声池中，从而提高了红外辐射热光源光声光谱气体传感装置的检测性能。

附图说明

图1为本发明红外热辐射光源光声光谱气体传感装置结构示意图；

图中：1产生平行光的红外热辐射光源系统，1-1灯座，1-2光杯，1-3红外热辐射灯，1-4第一聚光组件，1-5第二聚光组件，1-6平面镜，1-7第三聚光组件，2滤光片，3斩波器，4光学窗片，5进气管道，6出气管道，7进气阀门，8出气阀门，9光声池，10传声器，11斩波器控制器，12锁相放大器，13数据采集与处理模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置由产生平行光的红外热辐射光源系统1、滤光片2、斩波器3、光学窗片4、进气管道5、出气管道6、进气阀门7、出气阀门8、光声池9、传声器10、斩波器控制器11、锁相放大器12、数据采集与处理模块13组成；

所述产生平行光的红外热辐射光源系统1包括沿光束传播方向依次布置的灯座1-1、光杯1-2、红外热辐射灯1-3、第一聚光组件1-4、第二聚光组件1-5、平面镜1-6、第三聚光组件1-7；

所述光杯1-2为椭球面反射镜；

所述红外热辐射灯1-3置于光杯1-2的第一焦点处，并由灯座1-1固定；

所述第一聚光组件1-4和第二聚光组件1-5为同曲率的球面反射镜；第一聚光组件1-4经榫卯结构固定在光杯1-1上；

所述第二聚光组件1-5经榫卯结构固定在第一聚光组件1-4上；

所述第三聚光组件1-7为抛物面反射镜，固定在第二聚光组件1-5上，其焦点与光杯的椭球面第二焦点重合，能够将多次反射后的红外光线再次反射形成平行光束；所述第一聚光组件1-4和第二聚光组件1-5组成的球面镜组的曲率和中心距能够使得所述红外热辐射灯1-3的像点在第三聚光组件1-7的焦点位置。

所述光杯1-2的凹面、第一聚光组件1-4的凹面、第二聚光组件1-5的凹面和第三聚光组件1-7的凹面进行镜面处理，以增强红外光线的反射能力；

所述平面镜1-6以45°角倾斜固定在第二聚光组件1-5上，且与第三聚光组件1-7相对安装放置，用于改变第三聚光组件1-7输出的平行光束的方向；

所述平面镜1-6进行镜面处理，以增强红外平行光束的反射能力；

所述产生平行光的红外热辐射光源系统1的工作过程如下：

红外热辐射灯1-3通电后产生的红外束，一部分光经光杯1-2内壁凹面反射后，直接汇聚于第三聚光组件1-7的焦点处；另外一部分经过第一聚光组件1-4和第二聚光组件1-5内壁凹面进行多次反射后，也聚焦于第三聚光组件1-7的焦点处。两部分的光束均经过第三聚焦组件1-7反射后，变成平行光束，并随后被倾斜45°放置的平面镜1-6反射后，形成平行于红外热辐射光源系统底面的平行光；

所述滤光片2平行放置于红外热辐射光源系统1平行光射出口后；

所述斩波器3放置在介于滤光片2和光学窗片4之间；

所述光声池9为圆柱形金属腔，放置在斩波器3后，待测气体经安装在光声池9上面的进气管道5和进气阀门7进入光声池，所述进气阀门7安装在进气管道5上，用于控制进气管道5气体流速，待测气体在光声池9的腔室内吸收红外平行光束，产生光声信号，然后被嵌入光声池9下部的传声器10感知并转换成电信号，光声池9腔室内的气体可以经安装在光声池9上面、与进气管道5同侧的出气管道6和出气阀门8排放，所述出气阀门8安装在出气管道6上，用于控制出气管道6气体流速；

所述斩波器3经斩波器控制器11进行控制与驱动后，能够以特定速度转动其叶片，从而实现红外平行光束的频率调制；

所述斩波器控制器11放置在斩波器3后边、光声池9旁边位置，以不阻碍斩波器3正常转动为原则；

所述光学窗片4安装在光声池9的入口处，用以确保光声池9气密；

为了减小光束在空间转播造成的发散损耗，红外热辐射光源系统1、滤光片2、斩波器3和光学窗片4之间的距离应尽可能减小。

所述锁相放大器12能够提取并放大传声器10输出的微弱电信号；

所述锁相放大器12放置在斩波器控制器11后边、光声池9旁边位置，其输入端通过信号线与传声器10进行连接通信，锁相放大器12提取放大的电信号经其输出端的信号线输出至数据采集与处理模块13；

所述数据采集与处理模块13放置在锁相放大器12之后，数据采集与处理模块13对采集到的信号进行计算处理后，反演待测气体实际浓度；

所述平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置的工作过程如下：

红外热辐射光源系统1产生的平行光，经滤光片2、斩波器3和光学窗片4，入射至光声池9内，并被待测气体吸收，气体温度升高。由于斩波器控制器11控制斩波器3以特定频率转动，因此，气体温度将产生周期性变化。根据气体热力学定律，周期性温度变化产生同周期压力波动，即声波，此声波被安装在光声池上的传声器10感知并转换成电信号，锁相放大器12将传声器10输出的微弱电信号进行信号提取放大后，由数据采集与处理模块13进行信号存储与计算处理，反演待测气体实际浓度。

Claims (4)

1.一种平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，其特征在于：所述的传感装置由产生平行光的红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器、光学窗片、光声池、传声器、斩波器控制器、锁相放大器、数据采集与处理模块组成；所述滤光片平行放置于红外热辐射光源系统平行光射出口后，所述斩波器放置在滤光片和光学窗片之间；所述光声池放置在斩波器后，光声池入口处安装有光学窗片；所述斩波器控制器放置在斩波器后、光声池旁；所述锁相放大器的输入端通过信号线与传声器连接通信，锁相放大器的输出端与数据采集与处理模块的输入端连接，将提取放大的电信号送入数据采集与处理模块采集处理，反演待测气体实际浓度；

所述的产生平行光的红外热辐射光源系统由灯座、光杯、红外热辐射灯、第一聚光组件、第二聚光组件、平面镜和第三聚光组件组成，灯座、光杯、红外热辐射灯、第一聚光组件、第二聚光组件、第三聚光组件、平面镜沿光束传播方向依次布置；所述的光杯为椭球面反射镜；红外热辐射灯位于光杯的第一焦点处，并由灯座固定；第一聚光组件和第二聚光组件为同曲率的球面反射镜；第一聚光组件经榫卯结构固定在光杯上；第二聚光组件经榫卯结构固定在第一聚光组件上；第三聚光组件为抛物面反射镜，固定在第二聚光组件上，第三聚光组件的焦点与光杯的椭球面第二焦点重合，将多次反射后的红外光线再次反射形成平行光束；所述第一聚光组件和第二聚光组件组成的球面镜组的曲率和中心距能够使得所述红外热辐射灯的像点位于第三聚光组件的焦点位置；所述的平面镜以45°角倾斜固定在第二聚光组件上，与第三聚光组件相对布置，用于改变第三聚光组件输出的平行光束的方向。

2.如权利要求1所述的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，其特征在于：第一聚光组件的凹面、第二聚光组件的凹面和第三聚光组件的凹面均进行镜面处理，以增强红外光线的反射能力。

3.如权利要求1所述的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，其特征在于：所述的平面镜进行镜面处理，以增强红外平行光束的反射能力。

4.如权利要求2或3所述的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，其特征在于：所述的红外热辐射灯通电后产生的红外光束，一部分光经光杯内壁的凹面反射后，直接汇聚于第三聚光组件的焦点处；另外一部分经过第一聚光组件内壁的凹面和第二聚光组件内壁的凹面进行多次反射后，也聚焦于第三聚光组件的焦点处；两部分的光束均经过第三聚焦组件反射后，变成平行光束，随后，平行光被倾斜45°放置的平面镜反射后，形成平行于红外热辐射光源系统底面的平行光。

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