CN111323377B - 一种具有主动降噪功能的光声光谱装置 - Google Patents

Abstract

一种具有主动降噪功能的光声光谱装置，包括光源模块、光声信号产生模块、控制及信号处理模块和有源降噪模块。光源模块产生的光束通过入光孔入射至光声信号产生模块中的光声腔，被光声腔内的待检测气体吸收，产生光声信号，通过光声信号传声器转换为电信号，经信号线缆传输至控制及信号处理模块，计算待检测气体的浓度值。有源降噪模块包括外部噪声传声器、内部噪声传声器、次级声源及主动降噪电路模块。有源降噪模块通过固定法兰安装在光声腔的侧壁，其外部噪声传声器和内部噪声传声器拾取环境噪声，通过次级声源在光声腔内部产生另一个噪声，与原环境噪声抵消，达到降低噪声干扰光声信号的目的。

Description

一种具有主动降噪功能的光声光谱装置

技术领域

本发明涉及一种用于气体检测的具有主动降噪功能的光声光谱装置。

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，诸如电力系统中的变压器油中溶解气体检测、气体绝缘设备的故障分解物检测、化工企业的排放废气检测以及环保领域中微量污染气体检测等等。目前，较为常见的用于气体检测的方法主要包括：化学传感器法、红外吸收光谱法、气相色谱法和光声光谱法等。其中，化学传感器法响应时间交叉，在混合气体场景下也易受到交叉干扰；红外吸收光谱法需要的气样量大，且精度低；气相色谱法需要载气，增加了维护量，长期检测一致性差，不适用于在线监测。光声光谱技术基于光声效应。待检测气体分子吸收特定波长的光辐射后跃迁至激发态，随即以释放热能的方式退激。释放出的热能在封闭光声腔中产生压力波，也即声波。声音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。

从光声光谱检测原理可知，计算得到的气体浓度正比例于光声信号强度。而光声光谱仪的现场应用场景多存在较复杂的背景噪声，叠加在光声强度上会干扰检测结果，从而带来测量误差。例如，在应用于电力系统变电站在线监测场景时，主要存在着变压器噪声、潜油泵和风扇运行产生的噪声。其中变压器噪声主要源于铁心和绕组振动引起的磁滞伸缩，使得铁心随着励磁频率的变化而周期性振动，并通过铁心垫脚和绝缘油传递给油箱壁，从而引起油箱壁的振动，向外界辐射噪声。变压器噪声属于低频噪声，其频率范围在100～500Hz。对于不同容量的电力变压器，铁心噪声频率有所不同。变压器噪声强度一般在60dB，最大可达85dB。在应用于城市道路空气质量监测时，存在的交通噪声频率主要分布于100～400Hz，噪声强度白天可达70dB，且不同类型道路的交通噪声频率特性随车速、车流量以及车型的变化而不同。在这种存在复杂背景噪声的应用场景进行测量时，很难通过避开特定频率来实现降噪的目的。

光声腔作为光声光谱仪的核心模块，是光声信号产生的场所，需要尽量避免外界噪声的干扰，以提高信噪比。而现阶段光声腔对外界噪声的屏蔽主要依赖于被动降噪措施，如增加屏蔽层和外表面涂抹吸声材料等。但是一方面受限于体积和装配空间，另外也由于光声腔本身温度控制的需求，需要在光声腔表面加置热控层，热控层与光声腔之间的材料需要导热良好，随之而来这也对噪音提供了传送途径。综上所述，很难简单通过这些被动降噪设计来达到光声腔屏蔽背景噪声的目的。

有源降噪技术的原理是利用声波在空间的叠加干涉抵消原理，降噪系统拾取环境噪声，通过电路处理，主动产生另一个噪声，其与原始噪声在频率和幅度上相当，而相位相反，这个主动产生的声波与原噪声声波在空间相互抵消，从而达到降低噪声的目的。由于低频段声音具有较长的波长，其在空间的干涉更容易实现。因此，有源降噪具有较好的低频噪声控制效果，该技术主要用于对宽带噪声或低频噪声的防护。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种具有主动降噪功能的光声光谱装置。本发明能够通过有源降噪模块消除光声腔内的噪声干扰，有效提升光声信号的信噪比，可用于复杂场景下的光声光谱气体检测。

本发明具有主动降噪功能的光声光谱仪装置主要包括光源模块、光声信号产生模块、控制及信号处理模块和有源降噪模块。

所述的光源模块输出经过强度调制的、具有窄带光谱特性的平行光束。平行光束照射进入所述的光声信号产生模块。同时，光源模块输出与强度调制频率相同的参考信号，通过线缆输送入所述的控制及信号处理模块。光声信号产生模块与控制及信号处理模块通过信号线连接。

光源模块位于光声信号产生模块的轴向端面之前，控制及信号处理模块位于不影响光源模块、光声信号产生模块和有源降噪模块正常工作的任何位置，并通过信号线与光源模块和光声信号产生模块的光声信号传声器连接。有源降噪模块安装在光声信号产生模块光声腔的侧壁，用以拾取光声腔内接收到的环境噪声。

所述的光声信号产生模块包含有圆柱形光声腔。所述光声腔的轴向两端面为圆形通孔，分别为入光孔和出光孔。所述的入光孔和出光孔处安装有高透过率的光学窗片。所述的入光孔与光源模块的光源出光孔平行。光源模块产生的平行光束照射进入光声信号产生模块的光声腔中，且平行光束的中心线与光声腔中心线同轴。所述的光声腔侧壁开有进气口和出气口，出气口和入光孔同侧，出气口和出光孔同侧。光声腔的侧壁和光声腔轴向垂直，用于输送和排空待测气样。

所述光声腔的轴向中间位置安装有光声信号传声器。所述的光声信号传声器的接收面与光声腔的曲面侧壁相切，且接收面的轴心垂直于光声腔的侧壁。所述光声腔内的待检测气体吸收光源模块输出的平行光束，激发产生光声信号。光声信号传声器把光声信号转换为电信号，并通过信号线缆传输至控制及信号处理模块。所述的控制及信号处理模块结合光源模块输出参考信号，对光声电信号进行滤波处理，给出有效信号值，并由此计算待检测气体的浓度值。

所述的有源降噪模块包括外部噪声传声器、内部噪声传声器、次级声源、主动降噪电路模块及固定法兰。所述外部噪声传感器、内部噪声传声器和次级声源安装在固定法兰上。所述的固定法兰安装在光声腔的侧壁，与光声信号传声器相对，与进气口和出气口同侧，并使得外部噪声传声器朝向外部，用以拾取光声腔外接收到的环境噪声；所述的内部噪声传声器朝向光声腔内，用以拾取光声腔内接收到的环境噪声。所述的外部噪声传感器和内部噪声传感器分别把接收到的环境噪声转换成噪声信号，并通过线缆传输至所述的主动降噪电路模块。所述的主动降噪电路模块将对外部噪声信号和内部噪声信号一并处理后，产生频率相等、相位相反及幅度相当的次级声信号，并送至所述的次级声源。所述的次级声源与光声腔侧壁的内表面平齐，安装位置紧靠内部噪声传声器。次级声源接收主动降噪电路模块产生的次级声信号，发出反向噪声，达到光声腔内降噪的效果。

所述微音器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。

附图说明

图1为本发明一种具有主动降噪功能的光声光谱仪结构示意图。

图中：1光源模块，2光声信号产生模块，3控制及信号处理模块，4有源降噪模块，2-1光声腔，2-2光声信号传声器，2-3入光孔，2-4出光孔，2-5进气口，2-6出气口，4-1主动降噪电路模块，4-2内部噪声传声器，4-3次级声源，4-4外部噪声传声器4-4，4-5固定法兰。

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为本发明一种具有主动降噪功能的光声光谱装置结构示意图。如图1所示，本发明装置主要包括光源模块1、光声信号产生模块2、控制及信号处理模块3和有源降噪模块4。光源模块1位于光声信号产生模块2的轴向端面之前，光源模块1的光源出光口与光声信号产生模块2轴向端面上的入光孔2-3平行，控制及信号处理模块3位于不影响光源模块1、光声信号产生模块2和有源降噪模块4正常工作的任何位置，并通过信号线与光源模块1和光声信号产生模块2上的光声信号传声器2-2连接，有源降噪模块4安装在光声腔的侧壁，与光声信号传声器相对，与进气口和出气口同侧，有源降噪模块4的内部噪声传声器应朝向光声腔2-1内，用以拾取光声腔2-1内接收到的环境噪声。

光源模块1输出经过强度调制的、具有窄带光谱特性的平行光束。光源模块1可以选用单色激光光源，通过电流调制，形成窄带脉冲光束；光源模块1也可以选用红外热光源，并通过滤光片限制光束的光谱宽度，利用机械斩波对其强度进行调制，最后使用光学镜组把光束处理成平行光。激光光源或者滤光片的中心波长决定于待测气体的吸收谱线，可以根据应用场景进行选择。光源模块1在输出光脉冲时，同时输出与强度调制频率同频的电脉冲参考信号，通过信号线缆输送至控制及信号处理模块3。

光声信号产生模块2包括光声腔2-1、入光孔2-3、出光孔2-4、进气口2-5、出气口2-6和光声信号传声器2-2。光声信号产生模块2模块整体以黄铜或者不锈钢为基材；通过机加工形成圆柱形的光声腔2-1，光声腔2-1轴向两端面为圆形通孔，皆安装有高透过率的光学窗片，分别为入光孔2-3和出光孔2-4。入光孔2-3与光源模块的光源出光口平行，光源模块1产生的平行光束照射进入光声腔2-1中，且平行光束的中心线与光声腔2-1的中心线同轴。光学窗片的材料可以是氟化镁、氟化钙、氟化钡、硒化锌等具有红外高透过性的玻璃材料。进气口2-5和出气口2-6位于光声腔2-1的侧壁上，出气口2-5和入光孔2-3同侧，出气口2-6和出光孔2-4同侧。光声腔2-1的侧壁和光声腔2-1轴向垂直，用于输送和排空待测气样。。

光声腔2-1的轴向中间位置安装有光声信号传声器2-2。在装配光声信号传声器时，确保其接收面与光声腔的曲面侧壁相切，且接收面的轴心垂直于光声腔的侧壁。光声腔内的待检测气体吸收光源模块输出的平行光束，激发产生光声信号。光声信号传声器2-2把光声信号转换为电信号，并通过信号线缆传输至信号处理模块3。

控制及信号处理模块3结合光源模块1输出的参考信号，对光声信号传声器3输出的电信号进行滤波处理，给出有效信号值，并由此计算待检测气体的浓度值。

有源降噪模块4包括外部噪声传声器4-4、内部噪声传声器4-2、次级声源4-3、主动降噪电路模块4-1及固定法兰4-5。外部噪声传感器4-4、内部噪声传声器4-2和次级声源4-3安装在固定法兰4-5中。固定法兰4-5安装在光声信号产生模块2的侧壁上，并使得外部噪声传声器朝向外部，用以拾取光声腔外接收到的环境噪声；内部噪声传声器朝向光声腔2-1内，用以拾取光声腔内接收到的环境噪声。外部噪声传感器4-4和内部噪声传感器4-2分别把接收到的环境噪声转换成噪声信号，并通过信号线缆传输至主动降噪电路模块4-1。信号线缆从固定法兰4-5的通孔中引出，并利用紫外胶对通孔密封。主动降噪电路模块4-1将对外部噪声信号和内部噪声信号一并处理后，产生频率相等、相位相反及幅度相当的次级声信号，并送至所述的次级声源4-3。次级声源4-3与光声腔2-1的侧壁内表面平齐，安装位置紧靠内部噪声传声器4-2。次级声源4-3接收主动降噪电路模块4-1产生的次级声信号，发出反向噪声，达到光声腔内降噪的效果。

Claims (2)

1.一种具有主动降噪功能的光声光谱装置，其特征在于：所述的光声光谱装置包括光源模块(1)、光声信号产生模块(2)、控制及信号处理模块(3)和有源降噪模块(4)；所述的光源模块(1)输出经过强度调制的、具有窄带光谱特性的平行光束，所述平行光束照射进入所述的光声信号产生模块；同时，光源模块(1)输出与强度调制频率相同的参考信号，送入所述的控制及信号处理模块(3)；光声信号产生模块(2)与控制及信号处理模块(3)通过信号线连接；光源模块(1)位于光声信号产生模块(2)的轴向端面之前，控制及信号处理模块通过信号线与光源模块(1)和光声信号产生模块(2)上的光声信号传声器连接；有源降噪模块(4)安装在光声信号产生模块(2)的光声腔的侧壁，用以拾取光声腔内接收到的环境噪声；

所述的光声信号产生模块(2)包含有圆柱形光声腔(2-1)；所述光声腔(2-1)的轴向两端面为圆形通孔，分别为入光孔(2-3)和出光孔(2-4)；所述的入光孔和出光孔处安装有高透过率的光学窗片；所述的入光孔与光源模块的光源出光口平行；光源模块产生的平行光束照射进入光声信号产生模块的光声腔中，且平行光束的中心线与光声腔中心线同轴；所述的光声腔侧壁开有进气口和出气口，出气口和入光孔同侧，出气口和出光孔同侧；光声腔的侧壁和光声腔轴向垂直，用于输送和排空待测气样；所述光声腔的轴向中间位置安装有光声信号传声器；所述的光声信号传声器的接收面与光声腔的曲面侧壁相切，且接收面的轴心垂直于光声腔的侧壁；所述光声腔内的待检测气体吸收光源模块输出的平行光束，激发产生光声信号；光声信号传声器把光声信号转换为电信号，并通过信号线缆传输至控制及信号处理模块；所述的控制及信号处理模块结合光源模块输出参考信号，对光声电信号进行滤波处理，给出有效信号值，并由此计算待检测气体的浓度值；

所述的有源降噪模块(4)包括外部噪声传声器(4-4)、内部噪声传声器(4-2)、次级声源(4-3)、主动降噪电路模块(4-1)及固定法兰(4-5)；所述外部噪声传声 器(4-4)、内部噪声传声器(4-2)和次级声源(4-3)安装在固定法兰(4-5)上；所述的固定法兰(4-5)安装在光声腔(2-1)的侧壁，与光声信号传声器相对，与进气口(2-5)和出气口(2-6)同侧；外部噪声传声器(4-4)朝向外部，用以拾取光声腔外接收到的环境噪声；内部噪声传声器(4-2)朝向光声腔内，用以拾取光声腔内接收到的环境噪声；所述的外部噪声传声 器(4-4)和内部噪声传声 器(4-2)分别把接收到的环境噪声转换成噪声信号，并通过线缆传输至所述的主动降噪电路模块(4-1)；所述的主动降噪电路模块(4-1)将对外部噪声信号和内部噪声信号一并处理后，产生频率相等、相位相反及幅度相当的次级声信号，并将次级声信号送至所述的次级声源(4-3)；所述的次级声源(4-3)与光声腔侧壁的内表面平齐，紧靠内部噪声传声器(4-2)安装；次级声源(4-3)接收主动降噪电路模块(4-1)产生的次级声信号，发出反向噪声，达到光声腔内降噪的效果。

2.如权利要求1所述的光声光谱装置，其特征在于：所述的外部噪声传声 器(4-4)、内部噪声传声器(4-2)和次级声源(4-3)的信号线缆从固定法兰(4-5)的通孔中引出，并用紫外胶对通孔密封。

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