CN112461765A - 一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法，该系统中，脉冲光调制器对光源发射器发出的强度相等的第一光束及第二光束进行调制，形成第一脉冲光及第二脉冲光，分别经过标准气室和待测气室后，形成第一声波源及第二声波源。拾音器的位置处于预设标准圆上，当第一声波源与第二声波源在拾音器上产生干涉场时，拾音器将干涉场信号发送至信号处理器。信号处理器计算第一声波源及第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，并根据干涉场强度值，获取标准气体与待测气体的浓度差，进而获取待测气体的浓度值。上述系统采用一个拾音器和信号处理器进行信号的采集处理，避免了两路信号出现误差，提高了测量结果的准确性。

Description

一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法

技术领域

本申请涉及气体浓度检测技术领域，尤其涉及一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法。

背景技术

光声光谱法是基于光声效应的新型光谱技术，能高效采集微弱光声信号，并有效剔除背景信号的干扰，目前常用于检测气体浓度。利用光声光谱法检测气体浓度的基本原理为：将光信号有效转换成声信号，然后针对检测到的声信号进行计算，得到气体的浓度大小。实际操作中，采用两路光声及信号采集器件进行测量，每一路均设置有光源发射器、脉冲光调制器、气室、拾音器及信号处理器，其中一路的气室中没有气体，属于对照路，另一路的气室中具有待测气体，属于检测路，当光源发射器发出光源之后，利用两路的信号处理器各自对拾音器所采集的声音信号进行处理，计算这两路测量结果之差，得到待测气体的浓度值。

上述检测方法，分别利用两路的拾音器及信号处理器进行声音信号的采集及处理，若这两路的拾音器或者信号处理器在设备参数上存在了偏差或者检测过程中背景噪声不一致，都会影响测量结果的准确性，因此上述检测方法，无法确保气体浓度测量值的准确度。

发明内容

为了解决提高气体浓度测量值的准确度，本申请通过以下实施例公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法。

本申请第一方面公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统，包括：光源发射器、脉冲光调制器、标准气室、待测气室、拾音器及信号处理器；

所述光源发射器用于发出强度相等的第一光束及第二光束；

所述脉冲光调制器用于对所述第一光束进行调制，形成第一脉冲光，以及对所述第二光束进行调制，形成第二脉冲光，所述第一脉冲光与所述第二脉冲光之间的位相差为预设的位相差值；

所述标准气室中设有浓度值已知的标准气体，所述第一脉冲光通过所述标准气室后，形成第一声波源；

所述待测气室中设有浓度值未知的待测气体，所述第二脉冲光通过所述待测气室后，形成第二声波源；

所述拾音器的位置处于预设标准圆上，所述标准圆的圆心为所述标准气室与所述待测气室之间连线的中心，半径为预设半径值；

当所述第一声波源与所述第二声波源在所述拾音器上产生干涉场时，所述拾音器用于将所述干涉场信号发送至所述信号处理器；

所述信号处理器用于在接收到所述拾音器发送的干涉场信号时，执行以下操作：

根据所述第一声波源的振幅、所述第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在所述拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从所述标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从所述待测气室传输到所述拾音器的位相；

根据所述干涉场强度值，获取所述标准气体与所述待测气体的浓度差；

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

可选的，所述脉冲光调制器为调制圆盘；

所述调制圆盘上设置有五角空心图案，所述调制圆盘通过伺服电机带动旋转；

当所述第一光束及所述第二光束射向所述调制圆盘时，所述第一光束与所述第二光束的入射角相差180度；

所述拾音器设置于预设差分点上，所述差分点为所述标准气室与所述待测气室之间对称轴线与所述标准圆的交点。

可选的，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一声波源的振幅及所述第二声波源的振幅：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为所述第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为所述第二脉冲光对应的激发光场；

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

可选的，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一位相及所述第二位相：

根据所述预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离；

根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相。

本申请第二方面公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量方法，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法应用于信号处理器，所述信号处理器位于如本申请第一方面所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统中，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法包括：

根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从待测气室传输到所述拾音器的位相；

根据所述干涉场强度值，获取标准气体与待测气体的浓度差；

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

可选的，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为第二脉冲光对应的激发光场；

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

可选的，所述基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅包括：

通过以下公式，获取所述第一声波源的振幅：

其中，E₁表示所述第一声波源的振幅，S₁表示第一影响参数，A₁表示所述第一脉冲光的振幅，ω表示脉冲角频率，φ₁表示第一脉冲光的位相，α₁表示所述标准气室的吸收系数，L₁表示第一聚焦光斑的长度，所述第一聚焦光斑为所述第一脉冲光经过透镜汇聚后，在所述标准气室中形成的聚焦光斑；

通过以下公式，获取所述第二声波源的振幅：

其中，E₂表示所述第二声波源的振幅，S₂表示第二影响参数，A₂表示所述第二脉冲光的振幅，φ₂表示第二脉冲光的位相，α₂表示所述待测气室的吸收系数，L₂表示第二聚焦光斑的长度，所述第二聚焦光斑为所述第二脉冲光经过所述透镜汇聚后，在所述待测气室中形成的聚焦光斑。

可选的，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

根据预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离；

根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相。

可选的，所述根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相，包括：

通过以下公式，获取所述第一位相：

其中，Δφ₁表示所述第一位相，AC表示所述第一距离，λ表示所述第一声波源及所述第二声波源的波长；

通过以下公式，获取所述第二位相：

其中，Δφ₂表示所述第二位相，BC表示所述第二距离。

可选的，所述根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，包括：

通过以下公式，获取所述干涉场强度值：

其中，E表示所述干涉场强度值，E₁表示所述第一声波源的振幅，E₂表示所述第二声波源的振幅，Δφ₁表示所述第一位相，Δφ₂表示所述第二位相。

本申请公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法，该系统包括：光源发射器、脉冲光调制器、标准气室、待测气室、拾音器及信号处理器。脉冲光调制器对光源发射器发出的强度相等的第一光束及第二光束进行调制，形成第一脉冲光及第二脉冲光，分别经过标准气室和待测气室后，形成第一声波源及第二声波源。拾音器的位置处于预设标准圆上，当第一声波源与第二声波源在拾音器上产生干涉场时，拾音器将干涉场信号发送至信号处理器。所述信号处理器计算第一声波源及第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，并根据干涉场强度值，获取标准气体与待测气体的浓度差，进而获取待测气体的浓度值。上述系统采用一个拾音器和信号处理器进行信号的采集处理，避免了两路信号出现误差，提高了测量结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的一种基于光声光谱法的气体浓度测量方法所依据的声场干涉的原理示意图；

图3为本申请实施例公开的一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统中，调制圆盘的结构示意图；

图4为本申请实施例公开的又一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统的结构示意图；

图5为本申请实施例公开的另一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统的结构示意图。

具体实施方式

为了解决提高气体浓度测量值的准确度，本申请通过以下实施例公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法。

本申请第一实施例公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统，参见图1所示的结构图，所述系统包括：光源发射器100、脉冲光调制器200、标准气室300、待测气室400、拾音器500及信号处理器600。

所述光源发射器100用于发出强度相等的第一光束及第二光束。具体的，本实施例中的光源发射器选择中心波长为3.337μm室温连续带间级联激光器(ICL)。ICL发出的中红外光经分束器分为强度相等的两束，入射到脉冲光调制器上。光源采用热光源、LED光源或激光光源，其波长对准所测气体吸收峰。

所述脉冲光调制器200用于对所述第一光束进行调制，形成第一脉冲光，以及对所述第二光束进行调制，形成第二脉冲光，所述第一脉冲光与所述第二脉冲光之间的位相差为预设的位相差值。其中，脉冲光调制器的作用是改变光的强度，将连续光制成为脉冲光。

所述标准气室300中设有浓度值已知的标准气体，所述第一脉冲光通过所述标准气室300后，形成第一声波源。

所述待测气室400中设有浓度值未知的待测气体，所述第二脉冲光通过所述待测气室400后，形成第二声波源。

经调制后的两束光经过透镜聚焦后在两个气室中聚焦，脉冲光强经气体吸收，在脉冲峰值时发热膨胀，在脉冲谷值时冷却收缩，形成声波源，分别为第一声波源和第二声波源。这两个声波源在空间传输后，在拾音器上产生干涉，干涉的强度由拾音器相对与两个气室的距离和角度决定。

所述拾音器500的位置处于预设标准圆上，所述标准圆的圆心为所述标准气室300与所述待测气室400之间连线的中心，半径为预设半径值。拾音器可采用麦克风、石英音叉等设备。

参见图2，A和B分别是标准气室和待测气室中形成的两个声波源，即第一声波源A和第二声波源B，它们之间的距离为D，O是两个声波源的对称中心，C表示拾音器，位于距离O点为R的圆上，H垂直于AB，V垂直于OH，OH与OC的夹角为θ。

当所述第一声波源与所述第二声波源在所述拾音器500上产生干涉场时，所述拾音器500用于将所述干涉场信号发送至所述信号处理器600。信号处理器600通过信号处理，分析拾音器获得的声波干涉场强度及位相，获得两个气室中气体浓度的相对强弱。在标准气体浓度已知的情况下，通过干涉场信号便可获得待测气室中气体的浓度。

具体的，所述信号处理器600用于在接收到所述拾音器发送的干涉场信号时，执行以下操作：

根据所述第一声波源的振幅、所述第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在所述拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从所述标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从所述待测气室传输到所述拾音器的位相。

根据所述干涉场强度值，获取所述标准气体与所述待测气体的浓度差。

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

在一种实现方式中，所述脉冲光调制器为调制圆盘。

参见图3，所述调制圆盘上设置有五角空心图案，所述调制圆盘通过伺服电机带动旋转，转速值可根据实际情况设定，作为示例，可设为100Hz。

当所述第一光束及所述第二光束射向所述调制圆盘时，所述第一光束与所述第二光束的入射角相差180度，作为示例，参见图3中的光斑1和光斑2，分别为第一光束与第二光束入射点。

基于此，图4为本实施例公开的基于光声光谱法的气体浓度测量系统另一种结构图，图中，脉冲光调制器200采用调制圆盘203。实际操作中，调制圆盘203的一个盘面正对光源发射器100，另一个盘面正对标准气室300和待测气室400。两个气室的声波出射端均采用薄膜(例如塑料薄膜)密封，使得声波源从气室中耦合入空间具有较小的损耗。图中标准气室300与待测气室400的上下位置关系仅为示例，也可以将待测气室放在上面，将标准气室放在下面。

在另一种实现方式中，所述脉冲光调制器包括两个调制器，参见图5，两个调制器分别为第一调制器201及第二调制器202，第一调制器201用于接收第一光束进行调制，形成第一脉冲光，第二调制器202用于接收第二光束进行调制，形成第二脉冲光。

使用一个调制圆盘和使用两个调制器的区别在于，使用一个调制圆盘对两束光进行脉冲调制，会使得两束光的相位差是固定不可调的，使用两个调制器的话，可以通过调节两个调制器，使得两束光具备不同的相位差。

结合图2，拾音器的位置C点有两个特殊点：当θ＝0度时，C在H点，处于A和B对称的中轴线上；当θ＝90度时，C在V点，处于A和B的连线延长线上。

当标准气室与待测气室的形状、材料完全一致，分光强度完全一致，两个声波源的位相差为180度，拾音器位置处于H点时，此时的系统为两路完全对称的差分测量系统，所述拾音器设置于预设差分点上，所述差分点为所述标准气室与所述待测气室之间对称轴线与所述标准圆的交点。当两个气室中的气体浓度完全相等时，由于两个声波源在H点的声场位相相反，因此干涉出的声场强度为零。

当拾音器处于H点时，当波长为D的整数分之一的时候，V点干涉出的声场强度为零。

因此，H点是本系统的差分点，两个声源通过声波的空间的干涉实现了差分，通过一个拾音器采集，一套信号处理电路进行处理，减少了传统的差分方法的拾音器数量及信号处理电路数量，从而减少了误差和噪声，提高了灵敏度。

当两个声波源的强度不相等时，H点的干涉声波场强度不为零，通过测量干涉出的声波场的强度可计算出两个声波源的强度差，从而获得两个气室中气体的浓度差。通过测量干涉出的声波场的位相，可获得两个声波源的大小信息，例如，当测得H处声波场的位相与第一声波源A相同时，则第一声波源A的强度大于第二声波源B；当测得H处声波场的位相与第二声波源B相同时，则第二声波源B的强度大于第一声波源A。

为了避免其他声源的影响，在本测量系统外安装隔音装置，隔绝外部噪音。同时，拾音器采集的信号可与激光脉冲信号形成锁相放大探测形式，只探测激光脉冲激发的特定频率声音。

进一步的，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一声波源的振幅及所述第二声波源的振幅：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为所述第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为所述第二脉冲光对应的激发光场。

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

进一步的，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一位相及所述第二位相：

根据所述预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离。

根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相。

本申请第二实施例公开了一种基于光声光谱法的气体浓度测量方法，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法应用于信号处理器，所述信号处理器位于如本申请第一实施例所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统中，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法包括：

根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从待测气室传输到所述拾音器的位相。

根据所述干涉场强度值，获取标准气体与待测气体的浓度差。

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

进一步的，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为第二脉冲光对应的激发光场。

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

结合图2，基于声场干涉的原理，第一声波源A和第二声波源B的强度与气体的浓度、吸收峰强度和光强有关，两个声波源的相对位相与激发光的相对脉冲时间有关，如果激发光的脉冲时间同步，则两个声波源位相差为0；如果激发光的脉冲时间相差半个周期，则两个声波源的位相差为180度。基于此，可以获取第一激发光场为：

以及第二激发光场为：

其中，A₁表示所述第一脉冲光的振幅，A₂表示所述第二脉冲光的振幅，与光强相关；ω是脉冲的角频率(与脉冲相对时延有关)，φ是脉冲的位相，φ₁表示第一脉冲光的位相，φ₂表示第二脉冲光的位相。

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅包括：

通过以下公式，获取所述第一声波源的振幅：

其中，E₁表示所述第一声波源的振幅，S₁表示第一影响参数，A₁表示所述第一脉冲光的振幅，ω表示脉冲角频率，φ₁表示第一脉冲光的位相，α₁表示所述标准气室的吸收系数，L₁表示第一聚焦光斑的长度，所述第一聚焦光斑为所述第一脉冲光经过透镜汇聚后，在所述标准气室中形成的聚焦光斑。

通过以下公式，获取所述第二声波源的振幅：

其中，E₂表示所述第二声波源的振幅，S₂表示第二影响参数，A₂表示所述第二脉冲光的振幅，φ₂表示第二脉冲光的位相，α₂表示所述待测气室的吸收系数，L₂表示第二聚焦光斑的长度，所述第二聚焦光斑为所述第二脉冲光经过所述透镜汇聚后，在所述待测气室中形成的聚焦光斑。

S₁及S₂分别为第一声波源A和第二声波源B的影响参数，用于表示第一声波源A和第二声波源B强度受气体的浓度、吸收峰强度和光强等参数造成的影响。

进一步的，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

根据预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离。

结合图2，在已知拾音器的位置、标准圆半径以及D(第一声波源A与第二声波源B的距离)的大小时，根据余弦定理，通过以下公式便可以计算出第一距离及第二距离：

接着，便可通过以下公式，基于所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，基于所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相：

通过以下公式，获取所述第一位相：

其中，Δφ₁表示所述第一位相，AC表示所述第一距离，λ表示所述第一声波源及所述第二声波源的波长。

通过以下公式，获取所述第二位相：

其中，Δφ₂表示所述第二位相，BC表示所述第二距离。

综上，所述根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，包括：

通过以下公式，获取所述干涉场强度值：

其中，E表示所述干涉场强度值，E₁表示所述第一声波源的振幅，E₂表示所述第二声波源的振幅，Δφ₁表示所述第一位相，Δφ₂表示所述第二位相。

以下通过具体实例进行说明：

待测气体为乙烷，在3.337μm处具有较强吸收峰。本实施例选择中心波长为3.337μm室温连续带间级联激光器(ICL)作为光源发射器。ICL发出的中红外光经分束器分为强度相等的两束，入射到如图3所示的调制圆盘上。该调制圆盘经伺服电机带动旋转，转速为100Hz。圆盘上具有如图所示的五角空心图案，光斑1和光斑2分别从0度处和180度处入射，出射后红外光被调制称为500Hz的正弦波脉冲光，即第一脉冲光和第二脉冲光，并且第一脉冲光和第二脉冲光的脉冲具有180度的位相差。

第一脉冲光和第二脉冲光经透镜汇聚后，分别在两个气室中聚焦，聚焦光斑大小为0.1mm。产生两个声波源。与两个气室对称的轴心上，具有拾音器，拾音器距离气室10mm。拾音器探测到的声波信号经锁相放大器放大，滤除非500Hz的其他声波信号。该锁相放大器的同步信号为标准气室中的光脉冲信号，因此如果信号的幅值为正，则标准气室中的气体浓度大于待测气室中的气体浓度；如果信号幅值为负，则标准气室中的气体浓度小于待测气室中的气体浓度。已知一标准气体浓度时，可用此标准气体标定未知气体浓度。首先将标准气室中充入浓度已知的标准气体，例如Cs＝1ppm的乙烷气体；将待测气室中冲入氮气，此时测到的声波信号仅为标准气体产生的吸收光声光谱，将此声波信号的测量强度记为Ps。将待测气室中冲入浓度Cx未知的乙烷气体，测量干涉的声波信号强度记为Pt。则待测气体的光声信号强度为：Px＝Ps-Pt。如果测量值Pt＝0，则待测气体浓度与标准气体相等；如果测量值Pt＝Ps，则待测气体浓度为0；如果测量值Pt＝-Ps，则待测气体浓度为标准气体的两倍；如果测量值为其他值，则根据比例关系相应进行换算。

上述实施例公开的基于光声光谱法的气体浓度测量系统及方法，通过一个拾音器采集，一套信号处理电路进行处理，减少了传统的差分方法的拾音器数量及信号处理电路数量，从而减少了误差和噪声，有效提高了灵敏度。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于光声光谱法的气体浓度测量系统，其特征在于，包括：光源发射器、脉冲光调制器、标准气室、待测气室、拾音器及信号处理器；

所述光源发射器用于发出强度相等的第一光束及第二光束；

所述脉冲光调制器用于对所述第一光束进行调制，形成第一脉冲光，以及对所述第二光束进行调制，形成第二脉冲光，所述第一脉冲光与所述第二脉冲光之间的位相差为预设的位相差值；

所述标准气室中设有浓度值已知的标准气体，所述第一脉冲光通过所述标准气室后，形成第一声波源；

所述待测气室中设有浓度值未知的待测气体，所述第二脉冲光通过所述待测气室后，形成第二声波源；

所述拾音器的位置处于预设标准圆上，所述标准圆的圆心为所述标准气室与所述待测气室之间连线的中心，半径为预设半径值；

当所述第一声波源与所述第二声波源在所述拾音器上产生干涉场时，所述拾音器用于将所述干涉场信号发送至所述信号处理器；

所述信号处理器用于在接收到所述拾音器发送的干涉场信号时，执行以下操作：

根据所述第一声波源的振幅、所述第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在所述拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从所述标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从所述待测气室传输到所述拾音器的位相；

根据所述干涉场强度值，获取所述标准气体与所述待测气体的浓度差；

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

2.根据权利要求1所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统，其特征在于，所述脉冲光调制器为调制圆盘；

所述调制圆盘上设置有五角空心图案，所述调制圆盘通过伺服电机带动旋转；

当所述第一光束及所述第二光束射向所述调制圆盘时，所述第一光束与所述第二光束的入射角相差180度；

所述拾音器设置于预设差分点上，所述差分点为所述标准气室与所述待测气室之间对称轴线与所述标准圆的交点。

3.根据权利要求1所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统，其特征在于，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一声波源的振幅及所述第二声波源的振幅：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为所述第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为所述第二脉冲光对应的激发光场；

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

4.根据权利要求3所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统，其特征在于，所述信号处理器还用于通过以下步骤获取所述第一位相及所述第二位相：

根据所述预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离；

根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相。

5.一种基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法应用于信号处理器，所述信号处理器位于如权利要求1-4任一项所述的基于光声光谱法的气体浓度测量系统中，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法包括：

根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，所述第一位相为所述第一声波源从标准气室传输到所述拾音器的位相，所述第二位相为所述第二声波源从待测气室传输到所述拾音器的位相；

根据所述干涉场强度值，获取标准气体与待测气体的浓度差；

基于所述浓度差及所述标准气体的浓度值，获取所述待测气体的浓度值。

6.根据权利要求5所述的基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

获取第一激发光场及第二激发光场，所述第一激发光场为第一脉冲光对应的激发光场，所述第二激发光场为第二脉冲光对应的激发光场；

基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅。

7.根据权利要求6所述的基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，所述基于所述第一激发光场，获取所述第一声波源的振幅，以及，基于所述第二激发光场，获取所述第二声波源的振幅包括：

通过以下公式，获取所述第一声波源的振幅：

其中，E₁表示所述第一声波源的振幅，S₁表示第一影响参数，A₁表示所述第一脉冲光的振幅，ω表示脉冲角频率，φ₁表示第一脉冲光的位相，α₁表示所述标准气室的吸收系数，L₁表示第一聚焦光斑的长度，所述第一聚焦光斑为所述第一脉冲光经过透镜汇聚后，在所述标准气室中形成的聚焦光斑；

通过以下公式，获取所述第二声波源的振幅：

其中，E₂表示所述第二声波源的振幅，S₂表示第二影响参数，A₂表示所述第二脉冲光的振幅，φ₂表示第二脉冲光的位相，α₂表示所述待测气室的吸收系数，L₂表示第二聚焦光斑的长度，所述第二聚焦光斑为所述第二脉冲光经过所述透镜汇聚后，在所述待测气室中形成的聚焦光斑。

8.根据权利要求5所述的基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，在根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值之前，所述基于光声光谱法的气体浓度测量方法还包括：

根据预设标准圆的半径以及所述拾音器的位置，获取第一距离及第二距离，所述第一距离为所述标准气室与所述拾音器之间的距离，所述第二距离为所述待测气室与所述拾音器之间的距离；

根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相。

9.根据权利要求8所述的基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，所述根据所述第一声波源的波长及所述第一距离，获取所述第一位相，以及，根据所述第二声波源的波长及所述第二距离，获取所述第二位相，包括：

通过以下公式，获取所述第一位相：

其中，Δφ₁表示所述第一位相，AC表示所述第一距离，λ表示所述第一声波源及所述第二声波源的波长；

通过以下公式，获取所述第二位相：

其中，Δφ₂表示所述第二位相，BC表示所述第二距离。

10.根据权利要求5所述的基于光声光谱法的气体浓度测量方法，其特征在于，所述根据第一声波源的振幅、第二声波源的振幅、第一位相及第二位相，获取所述第一声波源及所述第二声波源在拾音器上形成的干涉场强度值，包括：

通过以下公式，获取所述干涉场强度值：

其中，E表示所述干涉场强度值，E₁表示所述第一声波源的振幅，E₂表示所述第二声波源的振幅，Δφ₁表示所述第一位相，Δφ₂表示所述第二位相。

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