CN111551502B - 一种非谐振式光声光谱系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非谐振式光声光谱系统，属于气体检测技术领域。包括红外宽谱光源、反射罩、调制与滤光单元、光声池和微音器；所述光声池为放大型结构，其腔体截面直径沿着光线方向增大，且包括前窗和后窗；反射罩，用于将所述红外宽谱光源发出的光线反射汇聚于所述后窗的中心。将宽谱光源放置于左焦点时，可以有效将光线汇聚于光声池后窗中心，在保持较佳光束准直的条件下可优化汇聚效果使得光束整体空间分布合理，提升射入光声池的光束功率；放大型光声池的放大比例与反射罩的形状参数相匹配，最大程度地降低光束打到光声池内壁上的光线分布和比例，减小池壁吸收光引起的同频噪声，提高系统信噪比和检测限。

Description

一种非谐振式光声光谱系统
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种非谐振式光声光谱系统。
背景技术
光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，在光声效应中，气体分子吸收特定波长的红外光而被激发到高能态，处于高能态的分子通过无辐射跃迁的形式将吸收的光能转变为热能后回到低能态，在对入射光进行频率调制，热能会呈现出与调制频率相同的周期性变化从而产生声波，通过微音器对声音信号进行检测并计算得到气体的最终浓度。
光声光谱气体检测系统按照工作模式分为谐振式和非谐振式两类：谐振式光声光谱系统具有较强的共振放大效果，光生声压信噪比高，但是需要可调激光光源，光声池结构精密，共振频率易漂移使得系统稳定性受限；非谐振式光声光谱系统采用的光源与光声池结构简单，造价低廉，适合大规模生产，但是受噪声影响较大。
非谐振光声光谱系统的噪声包括环境噪声、机械噪声、电学噪声、和光声池的池壁吸收产生的同频噪声。环境噪声可以认为是由外界环境背景产生的白噪声。机械噪声由斩波器等工作时机械振动产生，而电学噪声受微音器、软硬件信号处理模块等电路的影响。光声池的池壁吸收产生的同频噪声无法通过滤波锁相等软硬件信号处理方法进行抑制消除，对气体最低检测限影响大。而池壁吸收产生的同频噪声与光声光谱系统整体的光路设计直接相关，它的设计是否合理直接影响到光声光谱系统总体噪声的大小和信噪比的提升。然而，现有的非谐振式光声光谱系统都存在同频噪声较大的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种非谐振式光声光谱系统，旨在解决现有非谐振式光声光谱系统同频噪声较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种非谐振式光声光谱系统，包括红外宽谱光源、反射罩、光调制单元、滤光单元、光声池和微音器；
所述光声池为放大型结构，其腔体截面直径沿着光线方向增大，且包括前窗和后窗；
所述反射罩用于将所述红外宽谱光源发出的光线反射汇聚于所述后窗的中心。
进一步地，所述光声池的放大程度与所述反射罩的形状参数相匹配。
进一步地，所述反射罩为椭球型，所述光声池为椭球面。
进一步地，所述形状参数包括曲率半径和圆锥系数。
进一步地，所述红外宽带光源设置于所述反射罩的左焦点，所述后窗的中心位于所述反射罩的右焦点。
进一步地，所述光调制单元包括，所述滤光单元包括滤光轮。
进一步地，所述反射罩采用导热材料制作。
进一步地，所述光声池采用黄铜制作，其内表面抛光并镀金。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的汇聚型反射罩结构简单，易加工，内表面镀金处理，可提高反射率。反射罩依照系统具体结构设计参数，在保持较佳光束准直的条件下可优化汇聚效果。将宽谱光源放置于左焦点时，可以有效将光线汇聚于光声池后窗中心，使得光束整体空间分布合理，提升射入光声池的光束功率，降低接触到光声池内壁上的光束比例，减小因池壁吸收导致的同频噪声，提高系统信噪比和灵敏度。
2、本发明放大型光声池的放大比例与反射罩的形状参数相匹配，在保证由于体积放大导致光声声压下降尽量小的情况下，最大程度地降低光束打到光声池内壁上的光线分布和比例，减小池壁吸收光引起的同频噪声，提高系统信噪比和检测限。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种非谐振式光声光谱检测系统的结构示意图。
附图标记：
1-椭球型反射罩，2-红外宽谱光源，3-斩波器，4-滤光轮，5-光声池前窗，6-微音器，7-光声池后窗，8-放大型光声池，9-进气口，10-出气口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种非谐振式光声光谱系统，包括红外宽谱光源、反射罩、光调制单元、滤光单元、光声池和微音器；
所述光声池为放大型结构，其腔体截面直径沿着光线方向增大，且包括前窗和后窗；
所述反射罩用于将所述红外宽谱光源发出的光线反射汇聚于所述后窗的中心。
进一步地，所述光声池的放大程度与所述反射罩的形状参数相匹配。
进一步地，所述反射罩为椭球型，所述光声池为椭球面。
进一步地，所述形状参数包括曲率半径和圆锥系数。
进一步地，所述红外宽带光源设置于所述反射罩的左焦点，所述后窗的中心位于所述反射罩的右焦点。
进一步地，所述光调制单元包括，所述滤光单元包括滤光轮。
进一步地，汇聚型反射罩可采用铝合金等导热材料制造，并内壁镀金以提高反射率。
进一步地，为减少光声池内气体阻尼、迟滞和热损耗，一般选用热传导系数大的金属来制作光声池，本发明可以采用黄铜制作光声池，光声池内表面抛光并镀金，以提高反射率并降低外部噪声干扰。光声池为匹配式放大型结构，其腔体截面直径沿光线方向不断增大，可以有效降低光线打到池壁的概率。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种非谐振式光声光谱检测系统，包括椭球型反射罩1、红外宽谱光源2、斩波器3、滤光轮4、光声池前窗5、微音器6、光声池后窗7、放大型光声池8、进气口9、出气口10。
红外宽谱光源2发射出宽带光，被椭球型反射罩1汇聚发射出去；经斩波器3机械调制，并由滤光轮4滤除对应待测气体波段以外的光；从光声池前窗5口射入，从光声池后窗7射出；待测气体从进气口9排入，在光声池内气体分子吸收红外光发生跃迁，无辐射产生热能，在特定调制频率作用下，产生声波信号，并被微音器6接收声波信号后进行处理可得到气体浓度信息；尾气从出气口10中排出。
红外宽带光源2设置于椭球型反射罩1的左焦点，光声池后窗7的中心位于椭球型反射罩的右焦点，根据椭球面反射镜的原理：由某焦点发出或通过某焦点的光线经椭球面反射后，将汇聚于另一焦点。斩波器3对宽带光进行机械调制，以产生固定频率(通常小于50Hz)的声波。滤光轮4内置数个不同波段的滤光片，对应于不同气体的吸收波段，根据待测气体的不同选择对应的滤光片，可以滤除该波段之外的光。光声池前窗5和光声池后窗7为CaF2材质，为红外波段高透过率材料，可以有效阻止外界杂散光射入光声池，降低外界噪声。光声池8的结构可以有效降低光束打到池壁上的比例，提高系统的检测灵敏度。气体经过进气口9进入光声池内，从出气口10排出池内，排除了池内的废气和进行了气体清洗，保障了池内气体的纯度，且形成了流动气体，确保了检测的精度和准确度。
由于固体光声效应，光声池内壁吸收导致的噪声信号与声压信号同频，难以通过滤波锁相等软硬件信号处理方法进行抑制消除。本发明实施例提出的光声池为放大型椭球面，其放大程度(即后窗与前窗的孔径之比)与反射罩的形状参数相匹配。相较于普通圆柱形结构，可以有效降低光打到池壁上的比例，同时经过设计优化后的13∶10的放大比例可以保证在体积增大的条件下声压下降幅度较小，相当程度上保持稳定。同时，椭球型反射罩的设计与光源和光声池位置的安放，可以有效提升光束的准直效果，减小光被池壁吸收的比例，提高光与气体反应的比例，在降低噪声的同时提高信号强度，从而使得系统具有更高的检测灵敏度和检测精度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非谐振式光声光谱系统，其特征在于，包括红外宽谱光源、反射罩、光调制单元、滤光单元、光声池和微音器；
所述光声池为放大型结构，其腔体截面直径沿着光线方向增大，且包括前窗和后窗；
所述反射罩用于将所述红外宽谱光源发出的光线反射汇聚于所述后窗的中心；
所述光声池的放大程度与所述反射罩的形状参数相匹配，在保证由于体积放大导致光声声压下降尽量小的情况下，最大程度地降低光束打到光声池内壁上的光线分布和比例；
所述反射罩为椭球型；
所述形状参数包括曲率半径和圆锥系数；
所述红外宽带光源设置于所述反射罩的左焦点，所述后窗的中心位于所述反射罩的右焦点。
2.根据权利要求1所述的非谐振式光声光谱系统，其特征在于，所述光声池为椭球面。
3.根据权利要求1或2所述的非谐振式光声光谱系统，其特征在于，所述光调制单元包括斩波器，滤光单元包括滤光轮。
4.根据权利要求1或2所述的非谐振式光声光谱系统，其特征在于，所述反射罩采用导热材料制作。
5.根据权利要求1或2所述的非谐振式光声光谱系统，其特征在于，采用热传导系数大的金属制作所述光声池。
6.根据权利要求1或2所述的非谐振式光声光谱系统，其特征在于，所述光声池采用黄铜制作，其内表面抛光并镀金。
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