CN114813574A - 基于双通道t型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置。本发明的双通道T型光声池的内部平行设有两个相同的光声谐振腔，两个薄膜声波探测器分别对称安装在两个光声谐振腔的第二端来探测两个光声谐振腔产生的光声信号；激光发射机构设置在第二光学玻璃窗片的一侧；可调谐激光器发出两路窄线宽光源经光纤环形器入射到两个薄膜声波探测器，反射回来的光入射到光电探测器，两个光电探测器的输出电信号输入到差分运算放大器的两端；差分运算放大器的输出信号输入到锁相放大器，锁相放大器与上位机电连接。本发明中通过设计光声池的结构提高了在光声池内部产生的光声信号大小，同时由于双通道结构的设计降低了噪声。

Description

基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置。

背景技术

基于光声光谱的气体检测技术是一种基于光声效应的光谱检测技术，其具有灵敏度高、响应速度快，气体选择性好等优势，在大气环境检测，工业控制、医疗诊断等方面具有重要的应用价值。其检测原理为：待测气体分子吸收特定波长的激光能量而被激发到高能态，处于高能态的分子通过无辐射跃迁的形式返回至低能态并将吸收的光能转变为热能，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，产生的光声信号与气体的浓度成正比。使用高灵敏的声波探测器对产生的光声信号进行采集，并通过信号分析处理反演得到气体浓度。

影响光声光谱气体浓度探测系统灵敏度的核心部件主要包括光源、光声池以及声波探测器三部分，其中光声池作为光声信号的产生源，是光声光谱测量系统的核心部分，它的设计是否合理直接影响到探测声压信号的灵敏度大小。光声池按照工作模式分为共振式和非共振式两类：非共振式光声池结构简单，造价低，但它的检测灵敏度低，且探测的信号强度较弱，精准度较低。共振式光声池指的是声波的频率和光声池的谐振频率保持一致，此时声波在其光声池内部形成驻波，具有光声信号共振放大的效果，其气体检测灵敏度高，结构也相对复杂一些。实际应用中为保证气体的探测灵敏度和精确性，更多地采用共振式光声池进行光声探测。传统的共振式光声池通常采用哑铃型结构，包括一个圆柱形光声谐振腔和位于两侧与谐振腔连通的两个圆柱形缓冲室，由于光声池共振频率与光声信号成反比，为了降低光声池的共振频率，往往需要增大光声池的长度，这将导致光声池体积大、响应时间长且谐振频率的降低效果有限。传统的共振式光声池的共振频率通常在1Khz以上，一方面由于较高的共振频率无法配合工作频率在百Hz范围的高灵敏声波探测器使用。另一方面，此结构的光声池无法有效消除系统噪声，噪声主要包括光窗口吸收噪声、气体流动噪声以及外界环境噪声，影响系统的气体检测灵敏度和准确性。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种气体的检测极限灵敏度高的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置。

本发明的一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，包括激光发射机构、双通道T型光声池、两个薄膜声波探测器、光纤环形器、可调谐激光器、光电探测器、差分运算放大器、锁相放大器和上位机；所述双通道T型光声池的内部平行设有两个相同的光声谐振腔，两个所述光声谐振腔的第一端通过一气体缓冲室连通，第二端通过第一光学玻璃窗片进行封闭，所述气体缓冲室远离所述光声谐振腔的一端也设有第二光学玻璃窗片，两个所述薄膜声波探测器分别对称安装在两个所述光声谐振腔的第二端来探测两个光声谐振腔产生的光声信号，所述气体缓冲室设有进气口，两个所述光声谐振腔均设有出气口；所述激光发射机构设置在所述第二光学玻璃窗片的一侧；

所述可调谐激光器发出两路窄线宽光源经光纤环形器入射到两个薄膜声波探测器，反射回来的光经同一个光纤环形器入射到光电探测器，将两个薄膜声波探测器探测到的光声信号转化为电信号；两个所述光电探测器的输出电信号输入到差分运算放大器的两端进行差分运算；所述差分运算放大器的输出信号输入到锁相放大器，所述锁相放大器的参考信号由所述激光发射机构提供，所述锁相放大器与上位机电连接，用于对锁相放大器进行设置以及对其输出的光声信号测量值进行采集和存储。

进一步的，激光发射机构包括信号发生器、激光驱动器和激光光源，信号发生器输出正弦电压信号给激光驱动器，所述激光驱动器对激光光源进行温度控制，并将输入的电压信号转为电流信号并注入给激光光源，所述锁相放大器的参考信号由所述信号发生器提供。

进一步的，所述激光光源通过电流的驱动输出正弦调制的激光。

进一步的，所述气体缓冲室和光声谐振腔均为圆柱形。

进一步的，所述光声谐振腔长度为50-130mm，半径为2-5mm。

进一步的，所述的薄膜声波探测器包括光纤、陶瓷插芯、黄铜外壳和换能薄膜，所述陶瓷插芯设置在所述黄铜外壳的内，且位于其一端，所述光纤插设在所述陶瓷插芯内，所述换能薄膜设置在所述黄铜外壳的另一端端部。

进一步的，所述换能薄膜为圆薄膜，所述圆薄膜的半径为3-8mm，所述圆薄膜的厚度为300nm～50um。

进一步的，所述换能薄膜的材料为聚合物塑料薄膜、石墨烯薄膜、金属薄膜或多层复合薄膜。

在光声光谱气体检测装置中，为了提高气体的检测灵敏度，可以通过减小光声池的谐振频率提高光声池的池常数以获得更大的光声信号、提高声波探测器的灵敏度，同时应尽量降低噪声的影响；本发明中通过设计光声池的结构提高了在光声池内部产生的光声信号大小，同时由于双通道结构的设计降低了噪声。进一步采用高灵敏度的薄膜声波探测器，最终极大的提高了气体的检测极限灵敏度。

具体光声池的结构阐述如下：

对于共振式光声光谱检测装置，其光声信号的大小正比与光声池常数，而光声池常数与光声池的一阶纵向共振频率成反比，因此可以通过结构设计来降低光声池的一阶纵向共振频率。传统的共振式光声池在其光声谐振腔的两端分别设有一气体缓冲室来降低噪声，此结构光声池形成两端开腔的结构，产生的光声声波信号的波腹处于光声谐振腔的中间位置，因此通过在此位置安装声波探测器来获得最大的光声信号，而此结构的的光声池的共振频率可以近似计算为：f＝v/2L,其中v代表声速，L代表光声谐振腔的长度。相比两端开腔的光声池结构，仅设有一个气体缓冲室而另外一端封闭的半开腔式光声池的共振频率可以近似计算为：f＝v/4L，其谐振频率相比同尺寸的全开腔式光声池大大降低，产生的光声声波信号更大，但由于其光声声波信号的波腹处于光声谐振腔的端面位置，所以声波探测器需要设置在此位置来获得最大的光声信号，但是此位置会由于光窗的吸收而带来更大的噪声。基于此，本设计提出的双通道T型光声池一方面采用半开腔式结构，有效的降低了光声池的共振频率而提高了光声池常数，进而提高了光声信号。同时由于采用双通道结构，对两个光声谐振腔探测到的声波信号进行差分运算，可以有效的降低由于光窗吸收以及气体流动等因素带来的噪声。两个光声谐振腔产生的光声声波利用高灵敏度的薄膜声波探测器进行采集，最终极大的提高了气体的检测极限灵敏度。

本发明的有益效果：相较于传统的共振式光声光谱气体检测装置，在不改变光声池尺寸的情况下，提出的双通道T型光声池极大的降低了共振频率，获得了更大的光声声波信号；双通道差分式结构的设计，极大的降低了由于光窗吸收以及气体流动等因素带来的噪声，提高了信号的信噪比；使用高灵敏度的薄膜声波探测器对光声声波信号进行采集，最终极大的提高了气体的检测极限灵敏度。整个气体浓度检测装置结构简单，抗外界环境干扰能力强，为超高灵敏度痕量气体的检测提供了新的解决方案。

附图说明

图1是本发明的一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置的结构示意图；

图2是本发明的双通道T型光声池的结构示意图；

图3是本发明的薄膜声波探测器的结构示意图；

图4是本发明的双通道T型光声池的频率响应示意图。

1、激光发射机构；11、信号发生器；12、激光驱动器；13、激光光源；2、双通道T型光声池；21、光声谐振腔；22、气体缓冲室；23、第一光学玻璃窗片；24、第二光学玻璃窗片；25、进气口；26、出气口；3、可调谐激光器；4、差分运算放大器；5、锁相放大器；6、上位机；7、薄膜声波探测器；71、光纤；72、陶瓷插芯；73、黄铜外壳；74、换能薄膜；8、光纤环形器；9、光电探测器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本发明的一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，包括激光发射机构1、双通道T型光声池2、两个薄膜声波探测器7、光纤环形器8、可调谐激光器3、光电探测器9、差分运算放大器4、锁相放大器5和上位机6；双通道T型光声池2的内部平行设有两个相同的光声谐振腔21，两个光声谐振腔21的第一端通过一气体缓冲室22连通，第二端通过第一光学玻璃窗片23进行封闭，气体缓冲室22远离光声谐振腔21的一端也设有第二光学玻璃窗片24，两个薄膜声波探测器7分别对称安装在两个光声谐振腔21的第二端来探测两个光声谐振腔21产生的光声信号，气体缓冲室22设有进气口25，两个光声谐振腔21均设有出气口26；激光发射机构1设置在第二光学玻璃窗片24的一侧；

可调谐激光器3发出两路窄线宽光源经光纤环形器8入射到两个薄膜声波探测器7，反射回来的光经同一个光纤环形器8入射到光电探测器9，将两个薄膜声波探测器7探测到的光声信号转化为电信号；两个光电探测器9的输出电信号输入到差分运算放大器4的两端进行差分运算；差分运算放大器4的输出信号输入到锁相放大器5，锁相放大器5与上位机6电连接，用于对锁相放大器5进行设置以及对其输出的光声信号测量值进行采集和存储。

本发明的一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置运作过程如下：

激光入射进入到双通道T型光声池2内部与其内部的待测气体发生光声效应，两个薄膜声波探测器7安装在双通道T型光声池2的一端，用于探测双通道T型光声池2内部由于气体吸收激光能量产生的光声信号；可调谐激光器3发出两路窄线宽光源经光纤环形器8入射到两个薄膜声波探测器7，反射回来的光经同一个光纤环形器8入射到光电探测器9，将两个薄膜声波探测器7探测到的光声信号转化为电信号；两个光电探测器9的输出电信号输入到差分运算放大器4的两端进行差分运算；差分运算放大器4的输出信号输入到锁相放大器5，锁相放大器5的参考信号由激光发射机构1提供，锁相放大器5与上位机6相连接，用于对锁相放大器5的设置以及对其输出的光声信号测量值进行采集和存储。

激光发射机构1可以包括信号发生器11、激光驱动器12和激光光源13，信号发生器11输出正弦电压信号给激光驱动器12，激光驱动器12对激光光源13进行温度控制，并将输入的电压信号转为电流信号并注入给激光光源13，激光光源13通过电流的驱动输出正弦调制的激光，随后激光入射进入到双通道T型光声池2内部与其内部的待测气体发生光声效应，锁相放大器5的参考信号由所述信号发生器11提供。

气体缓冲室22和光声谐振腔21可以均为圆柱形，光声谐振腔21长度可以为50-130mm，半径为2-5mm。

在本发明实施例中，双通道T型光声池2的结构如图2所示，在其壳体内部设有两个尺寸相同平行放置的圆柱形的光声谐振腔21，圆柱形的光声谐振腔21长度为120mm，半径为4mm，共振频率为610Hz(如图4所示)。两个圆柱形的光声谐振腔21的第一端通过一圆柱形的气体缓冲室22连通，圆柱形的气体缓冲室22长度为30mm，半径为15mm，第二端通过第一光学玻璃窗片23进行封闭。在气体缓冲室22的端面也设有第二光学玻璃窗片24，使激光能够顺利进入光声池内部。两个薄膜声波探测器7分别对称安装在两个光声谐振腔21的第二端来探测两个光声谐振腔21产生的光声信号。

在本发明实施例中，薄膜声波探测器7是基于光纤71法布里-珀罗干涉仪结构的光学薄膜传声器，在光声谐振腔21的第二端端部设有安装孔，薄膜声波探测器7安装在安装孔内，其结构如图3所示，薄膜声波探测器7可以包括光纤71、陶瓷插芯72、黄铜外壳73和换能薄膜74，陶瓷插芯72设置在黄铜外壳73的内，且位于其一端，光纤71插设在陶瓷插芯72内，换能薄膜74设置在黄铜外壳73的另一端端部，换能薄膜74可以为圆形薄膜。可调谐激光光源13发出两路窄线宽光源经光纤环形器8分别入射到两个薄膜声波探测器7，光源由光纤71进入到薄膜声波探测器7内部并在换能薄膜74表面发生反射，当光声声波作用到换能薄膜74时会使其发生受迫振动，导致反射回来的光信号发生变化。反射回来的光经同一个光纤环形器8入射到光电探测器9，将两个薄膜声波探测器7探测到的光声信号转化为电信号；两个光电探测器9的输出电信号到差分运算放大器4的两端进行差分运算；差分运算放大器4的输出信号输入到锁相放大器5，锁相放大器5与上位机6相连接，用于对锁相放大器5的设置以及对其输出的光声信号测量值进行采集和存储。

在本实施例中的薄膜声波探测器7的换能薄膜74为圆形薄膜，圆薄膜的半径还可以为3～8mm，厚度为300nm～50um。换能薄膜74的材料可以为聚合物塑料薄膜，石墨烯薄膜、金属薄膜或多层复合薄膜，实施例中采用了复合金属薄膜，半径为6.35mm，厚度为330nm。

以上未涉及之处，适用于现有技术。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，包括激光发射机构(1)、双通道T型光声池(2)、可调谐激光器(3)、差分运算放大器(4)、锁相放大器(5)、上位机(6)、两个薄膜声波探测器(7)、两个光纤环形器(8)和两个光电探测器(9)；所述双通道T型光声池(2)的内部平行设有两个相同的光声谐振腔(21)，两个所述光声谐振腔(21)的第一端通过一气体缓冲室(22)连通，第二端通过第一光学玻璃窗片(23)进行封闭，所述气体缓冲室(22)远离所述光声谐振腔(21)的一端也设有第二光学玻璃窗片(24)，两个所述薄膜声波探测器(7)分别对称安装在两个所述光声谐振腔(21)的第二端来探测两个光声谐振腔(21)产生的光声信号，所述气体缓冲室(22)设有进气口(25)，两个所述光声谐振腔(21)均设有出气口(26)；所述激光发射机构(1)设置在所述第二光学玻璃窗片(24)的一侧；

所述可调谐激光器(3)发出两路窄线宽光源经光纤环形器(8)分别入射到两个薄膜声波探测器(7)，反射回来的光经入射时的光纤环形器(8)分别入射到两个所述光电探测器(9)，将两个薄膜声波探测器(7)探测到的光声信号转化为电信号；两个所述光电探测器(9)的输出电信号输入到差分运算放大器(4)的两端进行差分运算；所述差分运算放大器(4)的输出信号输入到锁相放大器(5)，所述锁相放大器(5)的参考信号由所述激光发射机构(1)提供，所述锁相放大器(5)与上位机(6)电连接，用于对锁相放大器(5)进行设置以及对其输出的光声信号测量值进行采集和存储。

2.如权利要求1所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，激光发射机构(1)包括信号发生器(11)、激光驱动器(12)和激光光源(13)，信号发生器(11)输出正弦电压信号给激光驱动器(12)，所述激光驱动器(12)对激光光源(13)进行温度控制，并将输入的电压信号转为电流信号并注入给激光光源(13)，所述锁相放大器(5)的参考信号由所述信号发生器(11)提供。

3.如权利要求2所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述激光光源(13)通过电流的驱动输出正弦调制的激光。

4.如权利要求1所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于：所述气体缓冲室(22)和光声谐振腔(21)均为圆柱形。

5.如权利要求4所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述光声谐振腔(21)长度为50-130mm，半径为2-5mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述的薄膜声波探测器(7)包括光纤(71)、陶瓷插芯(72)、黄铜外壳(73)和换能薄膜(74)，所述陶瓷插芯(72)设置在所述黄铜外壳(73)的内，且位于其一端，所述光纤(71)插设在所述陶瓷插芯(72)内，所述换能薄膜(74)设置在所述黄铜外壳(73)的另一端端部。

7.根据权利要求6所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述换能薄膜(74)为圆薄膜，所述圆薄膜的半径为3-8mm，所述圆薄膜的厚度为300nm～50um。

8.根据权利要求6所述的基于双通道T型光声池的差分光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述换能薄膜(74)的材料为聚合物塑料薄膜、石墨烯薄膜、金属薄膜或多层复合薄膜。

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