CN113281263A - 一种基于t型光声池的差分光声微量气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置及方法，装置包括：红外激光光源、镜式斩波器、第一T型光声池、第二T型光声池、红外探测器、信号混合器、锁相放大器和主机，第一T型光声池位于镜式斩波器波片反射光路方向，用作参考池，盛放参考气体，第二T型光声池位于镜式斩波器波片光路透射方向，用作样品池，盛放目标气体；第一、第二T型光声池均包括：吸收腔、缓冲腔和共振腔；第一、第二T型光声池的气体受到入射光的激励后，产生光声信号，两路光声信号被输送至信号混合器，用于差分处理；该装置利用差分光声气体检测技术，通过光声信号，实现了对待测气体的定量检测，该装置操作简单，易于携带，能够提高检测精度或者稳定性。
Description
技术领域
本发明属于气体光声光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置。
背景技术
光声光谱技术作为一种高灵敏度和高灵敏度和高分辨率的无损检测技术被广泛引用于各行各业。其基本原理可简述为当光照射至光声池中，池中的气体分子受到光的激励而产生非辐射跃迁，产生温度梯度而激发声信号。
气体光声光谱检测技术是一种基于光声效应的微量气体检测方法。该方法灵敏度高、动态范围大、选择性好、结构简单，在大气环境污染监控、人类日常生活、航天技术、工业发展、研究生物组织生理过程，以及人类疾病诊断等领域都具有重要的现实意义。
传统的光声光谱气体检测方法通过直接测量被测气体吸收的光能实现对其浓度的检测，而这部分光仅占全部入射光的极少的一部分，致使微音器检测到的光电信号极其微弱，易受光源强度、光声池结构、微音器性能、环境噪声等诸多方面的影响。
近年来，出现了一种新的光声光谱检测方法，即差分模式激发光声光谱。该方法通过计算同一光声池内两种不同声共振模式下光声信号强度的比值，从而测得被测气体浓度值，因而不受光源强度扰动和微音器漂移等因素的影响，具有较强的鲁棒性，且操作简单，检测灵敏度高。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，运用差分光声技术，能衰减相干噪声，进一步简化系统，便于携带及现场操作，利用光声光谱技术，对光声信号进行差分处理，实现对待测气体的定性定量检测，提高了系统的信噪比和检测精度。
本发明采用如下的技术方案。本发明第一方面涉及一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，包括：红外激光光源3、镜式斩波器5、第一T 型光声池6、第二T型光声池7、红外探测器8、信号混合器9、锁相放大器10 和主机11。第一T型光声池6位于镜式斩波器5波片反射光路方向，用作参考池，盛放参考气体，第二T型光声池7位于镜式斩波器5波片光路透射方向，用作样品池，盛放目标气体；第一、第二T型光声池均包括：吸收腔12、缓冲腔13和共振腔14；吸收腔12的轴线与缓冲腔13和共振腔14的轴线呈T型；第一T型光声池6与第二T型光声池7的气体受到入射光的激励后，产生光声信号，两路光声信号被输送至信号混合器9，用于差分处理；锁相放大器10与信号混合器9相连接，用于对处理后的差分信号进行互相干处理，获得幅值与相位信息，主机11与锁相放大器10相连接，用于生成和存储气体检测结果。
优选地，镜式斩波器5为镀有高反膜的镜式斩波器片，用于通过镜式斩波器5的转动使入射激励光依次射入第一T型光声池6、第二T型光声池7。
优选地，镜式斩波器5放置于红外激光光源3发出的入射光光路上，接收到的来自红外激光光源3的入射光的光程差为零。
优选地，吸收腔12用于照射至光声池的入射光的吸收，共振腔14与入射光路垂直，用于确定共振频率，缓冲腔13用于吸收腔12和共振腔14的连接和误差校正。
优选地，T型光声池还包括：进气口15和出气口16，位于吸收腔12壁上共振腔14的两侧，直径尺寸小于吸收腔长度。
优选地，第一T型光声池6与第二T型光声池7的吸收腔的轴向方向相互垂直，第一T型光声池6与第二T型光声池7的吸收腔的中心位于出射光的光腰处。
本发明第二方面涉及一种使用本发明第一方面中所述差分光声微量气体检测装置的基于T型光声池的差分光声微量气体检测方法，包括以下步骤：步骤 1，将待测气体充入第二T型光声池7；步骤2，打开红外光源3发出红外光，经过凹面镜4的光路反射，最终以平行的红外光进入镜式斩波器5，红外光由镜式斩波器5反射的光路进入放置参考气体的第一T型光声池6，红外光由镜式斩波器5透射的光路进入放置目标气体的第二T型光声池7；步骤3，第一T 型光声池6和第二T型光声池7的气体受到入射光的激励后，产生光声信号；步骤4，两路光声信号被输送至信号混合器9做差分处理；步骤5，以斩波器的调制频率作为参考信号，处理后的差分信号进入锁相放大器10完成互相干处理，得到的互相干信号的幅值与相位信息运输于数据处理单元，最终由主机11 存储记录。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过镜式斩波器的转动使入射激励光依次射入参考池和样品池，避免了传统分光方式对入射光的分束，极大程度的提高了入射光的利用率，从而提高系统信噪比；到达参考池和样品池的光窗距离相等，避免了额外光程差带来的系统误差；共振腔与入射光路垂直，其长度不受水平面狭隘空间的影响，因此可在有限的空间实行低频共振。
运用差分光声技术，能衰减相干噪声，进一步简化系统，便于携带及现场操作；利用光声光谱技术，对光声信号进行差分处理了实现对待测气体的定性定量检测，提高了系统的信噪比和检测精度。
附图说明
图1为本发明提供的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置的示意图；
图2为本发明中的T型光声池的结构图；
图3为本发明中一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测方法的步骤流程图。
图中：
1-光路；
2-电路；
3-红外激光光源；
4-凹面镜镜；
5-镜式斩波器；
6-第一T型光声池；
7-第二T型光声池；
8-红外探测器；
9-信号混合器；
10-锁相放大器；
11-主机；
12-吸收腔；
13-缓冲腔；
14-共振腔；
15-进气口；
16-出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，包括：红外激光光源3、镜式斩波器5、第一T型光声池6、第二T型光声池7、红外探测器8、信号混合器9、锁相放大器10和主机11。另外，图1 中1为红外光光路，2为光声信号或电信号。
红外激光光源3用于发出红外光，经过凹面镜4的光路调制，最终以平行的红外光进入镜式斩波器5。
镜式斩波器5为镀有高反膜的镜式斩波器片，用于通过镜式斩波器5的转动使入射激励光进行分光，并以相同的确定频率射入第一T型光声池6、第二 T型光声池7，避免了传统分光方式对入射光的分束，极大程度的提高了入射光的利用率，从而提高系统信噪比。
镜式斩波器5与入射光呈45度角放置于第一T型光声池6与第二T型光声池7之间，保证了镜式斩波器5的入射光通过处到达第一T型光声池6与第二T型光声池7的距离相等，避免了额外光程差带来的系统误差。
第一T型光声池6位于镜式斩波器5波片反射光路方向，用作参考池，盛放参考气体，即红外光由镜式斩波器5反射的光路进入放置参考气体的参考池。值得注意的是，所属领域技术人员可以根据实验目的，在第一T型光声池 6中充入参考气体。
第二T型光声池7位于镜式斩波器5波片光路透射方向，用作样品池，盛放目标气体，即红外光由镜式斩波器5透射的光路进入放置目标气体的样品池。
第一T型光声池6和第二T型光声池7作为本发明差分光声微量气体检测装置的核心结构，对整个装置的性能和气体的探测灵敏度起着至关重要的作用。值得注意的是，参考池和样品池均为T型光声池，T型光声池由各类的传统光声池改进而来，如图2所示，T型光声池包括：吸收腔12、缓冲腔13、共振腔14、进气口15和出气口16。
吸收腔12用于照射至光声池的入射光的吸收。共振频率由共振腔14决定，产生的声波在共振腔14的开口处附近被反射形成声波柱。共振腔14与入射光路垂直，其长度不受水平面狭隘空间的影响，因此可在有限的空间实行低频共振。缓冲腔13用于吸收腔和共振腔的连接和误差校正。
T型光声池的进气口15和出气口16位于吸收腔12壁上共振腔14的两侧，直径尺寸远小于吸收腔长度。
由于，镜式斩波器5呈45度角摆放，因此第一T型光声池6与第二T型光声池7的吸收腔12的轴向方向相互垂直。第一T型光声池6与第二T型光声池7与镜式斩波器5之间的距离固定，以使得第一T型光声池6与第二T型光声池7的吸收腔的中心分别位于折射出射光和投射出射光的光腰处，保证激励至缓冲腔和共振腔的声波最强。
另外，可以在第一T型声光池的平行红外光出射方向上放置红外探测器8。红外探测器8可以探测到用作分光器的镜式斩波器5的折射光强度，并以此计算出透射光强度。通常，可以调节镜式斩波器的旋转速度等参数，考虑将入射的平行红外光等分为透射光和折射光。由于参考气体的特性是已知的，因此，红外探测器8经过探测可以得到实际上折射光入射到光声池之前的强度。并在此基础上，对第一T型光声池6与第二T型光声池7输出的声音信号进行差分处理。第一T型光声池6与第二T型光声池7的气体受到入射光的激励后，产生光声信号。两路光声信号被输送至信号混合器9做差分处理。由于参考气体和待测试的目标气体的气体分子在受到同样的红外光的激励作用而产生非辐射跃迁时，其非辐射跃迁的特性不同，因而产生的温度梯度并因此激发的光声信号的强度、频率等特征也不同。通过与特性已知的参考气体进行比较，可以在测试中获得目标气体的相关特性。
以镜式斩波器5的调制频率作为参考信号，与进行差分处理后得到的差分信号一同进入锁相放大器10完成互相干处理。在完成互相干处理后，输出信号中携带的信息以载波信号的幅度和相位表示，因此，可以仅将得到的幅值与相位信息运输至数据处理单元，最终由主机11存储记录。优选地，数据处理单元可以位于主机11内。
该装置由红外光源发出红外光，经过凹面镜4的光路调制，最终以平行的红外光进入镜式斩波器5。红外光由镜式斩波器5反射的光路进入放置参考气体的第一T型光声池6，即参考池，红外光由镜式斩波器5透射的光路进入放置目标气体的第二T型光声池7，即样品池。利用差分光声气体检测技术，通过光声信号，实现了对待测气体的定量检测。该装置操作简单，易于携带。能够提高检测精度或者稳定性。
图3为本发明中一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测方法的步骤流程图。如图3所示，本发明还提供了一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测方法，包括以下步骤：
步骤1，打开进气口15，关闭出气口16，待测气体通过进气口15通入第二T型光声池7，再关闭进气口15；
步骤2，打开红外光源3发出红外光，经过凹面镜4的光路反射，最终以平行的红外光进入镜式斩波器5，红外光由镜式斩波器5反射的光路进入放置参考气体的第一T型光声池6，红外光由镜式斩波器5透射的光路进入放置目标气体的第二T型光声池7；
步骤3，第一T型光声池6和第二T型光声池7的气体受到入射光的激励后，产生光声信号；
步骤4，两路光声信号被输送至信号混合器9做差分处理；
步骤5，以镜式斩波器5的调制频率作为参考信号，处理后的差分信号进入锁相放大器10完成互相干处理，得到的幅值与相位信息运输至数据处理单元，最终由主机11存储记录。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，通过镜式斩波器的转动使入射激励光依次射入参考池和样品池，避免了传统分光方式对入射光的分束，极大程度的提高了入射光的利用率，从而提高系统信噪比；入射光到达参考池和样品池的距离相等，避免了额外光程差带来的系统误差；共振腔与入射光路垂直，其长度不受水平面狭隘空间的影响，因此可在有限的空间实行低频共振。
运用差分光声技术，能衰减相干噪声，进一步简化系统，便于携带及现场操作；利用光声光谱技术，对光声信号进行差分处理了实现对待测气体的定性定量检测，提高了系统的信噪比和检测精度。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，包括：红外激光光源(3)、镜式斩波器(5)、第一T型光声池(6)、第二T型光声池(7)、红外探测器(8)、信号混合器(9)、锁相放大器(10)和主机(11)，其特征在于，
第一T型光声池(6)位于镜式斩波器(5)波片反射光路方向，用作参考池，盛放参考气体，第二T型光声池(7)位于镜式斩波器(5)波片光路透射方向，用作样品池，盛放目标气体；
第一、第二T型光声池均包括：吸收腔(12)、缓冲腔(13)和共振腔(14)；吸收腔(12)的轴线与缓冲腔(13)和共振腔(14)的轴线呈T型；
第一T型光声池(6)与第二T型光声池(7)的气体受到入射光的激励后，产生光声信号，两路光声信号被输送至信号混合器(9)，用于差分处理；
锁相放大器(10)与信号混合器(9)相连接，用于对处理后的差分信号进行互相干处理，获得幅值与相位信息，
主机(11)与锁相放大器(10)相连接，用于生成和存储气体检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，其特征在于：
镜式斩波器(5)为镀有高反膜的镜式斩波器片，用于通过镜式斩波器(5)的转动使入射激励光依次射入第一T型光声池(6)、第二T型光声池(7)。
3.根据权利要求2所述的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，其特征在于：
镜式斩波器(5)放置于红外激光光源(3)发出的入射光光路上，接收到的来自红外激光光源(3)的入射光的光程差为零。
4.根据权利要求3所述的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，其特征在于：
吸收腔(12)用于照射至光声池的入射光的吸收，共振腔(14)与入射光路垂直，用于确定共振频率，缓冲腔(13)用于吸收腔(12)和共振腔(14)的连接和误差校正。
5.根据权利要求4所述的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，其特征在于：
T型光声池还包括：进气口(15)和出气口(16)，位于吸收腔(12)壁上共振腔(14)的两侧，直径尺寸小于吸收腔长度。
6.根据权利要求5所述的基于T型光声池的差分光声微量气体检测装置，其特征在于：
第一T型光声池(6)与第二T型光声池(7)的吸收腔的轴向方向相互垂直，第一T型光声池(6)与第二T型光声池(7)的吸收腔的中心位于出射光的光腰处。
7.一种使用权利要求1-6任一项所述差分光声微量气体检测装置的基于T型光声池的差分光声微量气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将待测气体充入第二T型光声池(7)；
步骤2，打开红外光源(3)发出红外光，经过凹面镜(4)的光路反射，最终以平行的红外光进入镜式斩波器(5)，红外光由镜式斩波器(5)反射的光路进入放置参考气体的第一T型光声池(6)，红外光由镜式斩波器(5)透射的光路进入放置目标气体的第二T型光声池(7)；
步骤3，第一T型光声池(6)和第二T型光声池(7)的气体受到入射光的激励后，产生光声信号；
步骤4，两路光声信号被输送至信号混合器(9)做差分处理；
步骤5，以斩波器的调制频率作为参考信号，处理后的差分信号进入锁相放大器(10)完成互相干处理，得到的互相干信号的幅值与相位信息运输于数据处理单元，最终由主机(11)存储记录。
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2021
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