CN111504910A - 一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置 - Google Patents

一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置，光声池包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置声压传感器，所述声压传感器上方设置反射镜，所述反射镜安装于光声池外壳上，且反射镜与光声池外壳之间存在间隙或者反射镜上具有透气孔，使反射镜两侧的气压保持一致，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极。本发明所公开的光声池通过在内部增加反射镜，最大化的降低了光声池受杂光的影响，同时通过反射增加入射光的吸收光程，进而提高了气体检测信噪比和灵敏度，具有结构简单、成本低、体积小等显著优势。

Description

一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置。
背景技术
光声光谱分析是指分析某些物质被红外光照射后可以放出反应该物质含量的内能的方法，可以进行定性和定量分析。对于某些红外吸收峰所在波段的波长较长或是激光器光源发射波长难以匹配的气体，可以使用光谱红外光源代替激光器进行测量。传统的光声光谱分析利用的通常是小型的圆柱形光声池，不考虑光声池的共振。这种方法也被称为非共振光声光谱分析法。此方法已广泛应用于多种有机无机气体的浓度检测和实时分析。
光声光谱检测原理，当红外光照射到样品气体上时，根据物质浓度和特征会发出一定的热量，进而造成腔体内压强的变化，停止红外光照射，压强的变化也会消失，因此若用调制过的光源来照射样品气体，就可以周期性的在光声池内产生压强的变化，这种吸收了红外光之后造成的压强变化就是光声信号。常温下样品气体的分子大部分处于基态，当这些气体吸收了与其分子特征频率一致的红外光后，分子中的电子会跃迁到能量更高的轨道，由基态达到激发态；而分子不会一直稳定地处于激发态。对于红外光波段的光激发，分子中的电子会从激发态以无辐射去激发的形式回落至基态的不同振动、转动能级，在这个过程中能量以热的形式释放出来，并影响光声池内的压强，即光声信号。在一定范围内，气体产生的光声信号随浓度增加而增加。光声光谱技术就是利用某些气体的浓度与光声信号之间的关系来测定气体浓度的方法，具有灵敏度高，设备体积小，无背景噪声，选择性好等优点。
目前的非共振光声光谱探测通常是基于压力传感器将光声信号转换成电信号，再用A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号进行分析处理。由于红外光源发射的是广谱光，将导致其他波长的杂光也会参与加热光声池，杂光对光声池的加热导致的噪声将导致光声池内的温度不断发生飘移，使得探测结果与实际气体浓度相差较大。因此，采用这种光谱光源结合小型圆柱形光声池的气体浓度检测灵敏度和信噪比较低。为提高光声池的信噪比，提高光声信号检测灵敏度，需要设计复杂的光学系统或者采用多探测器方式，这样便会提高系统复杂性和增加成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光声效应的高信噪比光声池及光声信号探测装置，以达到结构简单、成本低、降低了光声池受杂光的影响，进而提高气体检测信噪比的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于光声效应的高信噪比光声池，包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置声压传感器，所述声压传感器上方设置反射镜，所述反射镜安装于光声池外壳上，且反射镜与光声池外壳之间存在间隙或者反射镜上具有透气孔，使反射镜两侧的气压保持一致，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极。
上述方案中，所述光声池外壳横截面为圆形或者方形，所述反射镜平面为跑道形状或者与光声池外壳横截面形状一致但带有透气孔。
上述方案中，所述标准气体为六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳中的一种。
上述方案中，所述光声池外壳为不透光、不漏气的硬质材质。
上述方案中，所述窗口片为透红外晶体材料或透红外玻璃材料。
上述方案中，所述声压传感器为微型震动传感器或麦克风。
一种光声信号探测装置，包括红外光源、检测气室和光声池，所述检测气室位于红外光源和光声池之间，所述光声池为上述的基于光声效应的高信噪比光声池。
上述方案中，所述检测气室包括气室外壳，所述气室外壳上设置进气口和出气口，所述检测气室内部充满待测气体。
上述方案中，所述气室外壳为不透光材质。
上述方案中，所述光声池内的标准气体与检测气室内的待测气体种类相同。
通过上述技术方案，本发明提供的基于光声效应的高信噪比光声池在光声池内增加了反射镜，当光谱光源照射时，处于目标气体吸收谱线波长的红外光被吸收并产生光声效应，导致腔内压强的变化。如果是调制的光声信号，就会产生声波，而声波可以通过声压传感器进行读出，进而得到目标气体的浓度信息。反射镜将把入射光反射出光声池：对于其他波长的杂波，照射进腔体内部之后将被反射镜反射出光声池，就可以达到减少杂波吸收的作用；对于处于目标气体吸收谱线波长的红外光，通过反射镜反射可增加吸收光程，进而实现高灵敏度、高信噪比的气体浓度检测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种基于光声效应的高信噪比光声池结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的反射镜与光声池外壳横截面示意图一；
图3为本发明实施例所公开的反射镜与光声池外壳横截面示意图二；
图4为本发明实施例所公开的一种光声信号探测装置结构示意图。
图中，1、光声池；2、光声池外壳；3、窗口片；4、底座；5、声压传感器；6、反射镜；7、标准气体；8、电极；9、红外光源；10、检测气室；11、气室外壳；12、进气口；13、出气口；14、待测气体；15、透气孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种基于光声效应的高信噪比光声池，如图1所示，包括光声池外壳2和位于光声池外壳2顶部的窗口片3，光声池外壳2内底部设置底座4，底座4上设置声压传感器5，声压传感器5上方设置反射镜6，反射镜6安装于光声池外壳2上，且反射镜6与光声池外壳2之间存在间隙或者反射镜6上具有透气孔15，使反射镜6两侧的气压保持一致，底座4与窗口片3之间填充有标准气体7，底座4底部设有伸出光声池外壳2的电极8。
本实施例中，光声池外壳2横截面为圆形，如图2所示，反射镜6平面为跑道形状，反射镜6通过两侧的短圆弧安装于光声池外壳2上，反射镜6的长圆弧与光声池外壳2之间存在间隙。光声池外壳2也可为方形，反射镜6平面也可为跑道形状，只要保证反射镜6与光声池外壳2之间存在间隙即可。
如图3所示，反射镜6为与光声池外壳2形状一致，但反射镜6上开设透气孔15，这样也可以使得反射镜6两侧的气压保持一致，气体产生的光声效应造成的压强变化能作用于整个光声池1内，进而影响光声池1内的声压传感器5产生电信号。反射镜6可以有效起到反射杂光、增加信噪比的作用。
本实施例中，标准气体7为高浓度标准气体，如六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳等，气体种类不限。
光声池外壳2为不透光、不漏气的坚硬材质，用于承装标准气体7，材质可为钢质、铝合金、内涂层碳钢三种。
窗口片3为透红外晶体材料或透红外玻璃材料，前者主要包括氟化镁(MgF2)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、蓝宝石(Al2O3)、硅、紫外光玻璃等。透红外晶体材料普遍具有机械强度高、耐高温性能好的特点，其中透射光谱最宽的硒化锌材料其透射光谱范围为0.5-20um；而后者主要包括氟化物玻璃、氧化物玻璃和氧氟化物玻璃等，透红外玻璃材料普遍具有具有优异的光学性能和优良的加工性能。
本实施例中，声压传感器5可以是普通的麦克风、绝压压力传感器、震动传感器，用于把光声气压信号，转换成电信号。
电极8用于输出嵌入在光声池1内部的精度较高的声压传感器5的信号给下一级作信号处理，也起到给其供电的作用。
本发明还提供了一种光声信号探测装置，如图4所示，包括红外光源9、检测气室10和光声池1，检测气室10位于红外光源9和光声池1之间，光声池1为上述的基于光声效应的高信噪比光声池。光声池1的窗口片3正对红外光源9。
检测气室10包括气室外壳11，气室外壳11上设置进气口12和出气口13，用于引入和引出待测气体14，检测气室10内部充满待测气体14。检测气室10有两个作用：1.用作光学准具，使红外光源9和光声池1对准，增加耦合效率；2.待测气体14与红外光源9相互作用的载体。
本实施例中，气室外壳11为不透光材质，如钢质、铝合金、内涂层碳钢等。
光声池1内的标准气体7与检测气室内的待测气体14种类相同。
红外光源9为由实际被测物而定的特殊光源，并在出射时受到来自电路控制的随时间变化的高低电平，以进行电调制。
采用本发明的一种光声信号探测装置可以用于气体检测，此处以检测变电站气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中六氟化硫气体浓度为例进行说明：
当检测六氟化硫气体时，光声池1内的标准气体7也选择为六氟化硫。
由于六氟化硫(SF6)气体优良的绝缘、防击穿效应以及灭弧能力，目前变电站内气体绝缘金属封闭开关设备广泛采用六氟化硫气体。现有的基于光声光谱技术的六氟化硫在线监测系统，主要通过光谱红外光源9加滤光片配合共振光声池来检测六氟化硫分解后的某种或某几种气体产物，通过检测光声信号的具体量值进而跟踪气体绝缘金属封闭开关设备中的六氟化硫气体浓度来决定是否对仪器进行维护。
在此实例中，待测气体14即为从气体绝缘金属封闭开关设备中引出的气体，其中包含六氟化硫及其分解产物等。对于六氟化硫而言，其在6.410um、7.936um、10.526um、11.628um、16.393um处有强吸收峰。将待测气体14由进气口12引入检测气室10，。当待测气体14中的六氟化硫吸收对应波长的红外光后，入射至光声池1中的光强将减弱，由于光声池1为密闭装置，因此标准气体7选择吸收的上述波长的红外光将减少，微观上表现为待测气体14分子产生的光声效应减弱，宏观上表现为光声池1内压强变化减小，即声压传感器5产生的电压减小。由于反射镜6的存在，入射的红外光将被反射，有效减小了其他波长的杂光对光声池的加热，使得到的有效光声信号增大。根据电极8输出信号幅值的大小即可实现高信噪比目标气体浓度实时监测。
实验阶段通过依次测量加入不同浓度待测气体14后的气压变化，得到浓度和气压的关系曲线之后就可以根据得到的曲线和压强信息推测待测气室内的待测气体14含量，从而可以间接性高精度实时监测待测气体14的浓度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于光声效应的高信噪比光声池，包括光声池外壳和位于光声池外壳顶部的窗口片，其特征在于，所述光声池外壳内底部设置底座，所述底座上设置声压传感器，所述声压传感器上方设置反射镜，所述反射镜安装于光声池外壳上，且反射镜与光声池外壳之间存在间隙或者反射镜上具有透气孔，使反射镜两侧的气压保持一致，所述底座与窗口片之间填充有标准气体，所述底座底部设有伸出光声池外壳的电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的高信噪比光声池，其特征在于，所述光声池外壳横截面为圆形或者方形，所述反射镜平面为跑道形状或者与光声池外壳横截面形状一致但带有透气孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的高信噪比光声池，其特征在于，所述标准气体为六氟化硫、一氧化碳、甲烷、二氧化碳中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的高信噪比光声池，其特征在于，所述光声池外壳为不透光、不漏气的坚硬材质。
5.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的高信噪比光声池，其特征在于，所述窗口片为透红外晶体材料或透红外玻璃材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的高信噪比光声池，其特征在于，所述声压传感器为微型震动传感器或麦克风。
7.一种光声信号探测装置，包括红外光源、检测气室和光声池，所述检测气室位于红外光源和光声池之间，其特征在于，所述光声池为权利要求1-6任一所述的基于光声效应的高信噪比光声池。
8.根据权利要求7所述的一种光声信号探测装置，其特征在于，所述检测气室包括气室外壳，所述气室外壳上设置进气口和出气口，所述检测气室内部充满待测气体。
9.根据权利要求7所述的一种光声信号探测装置，其特征在于，所述气室外壳为不透光材质。
10.根据权利要求7所述的一种光声信号探测装置，其特征在于，所述光声池内的标准气体与检测气室内的待测气体种类相同。
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