CN115201116B - 一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置及方法，装置包括：差分式亥姆霍兹光声池，包括通过连接管相通的激发腔与补偿腔，两腔内产生的声波信号的声压幅值相同、相位相反，两腔体上分别设有进光口与通气口，进光口处设光学窗片；光源模块，包括光功率与相位相同的激发光源和补偿光源，分别向激发腔与补偿腔输出设定频率的调制光束；一对微音器，分别用于检测激发腔与补偿腔内的声波信号并送入锁相放大器；锁相放大器用于对差分后的声波信号进行解调，得到光声信号并送入数据采集卡；以及信号发生器、数据采集卡与上位机。本发明能够在增大光声信号的同时降低噪声，提高信噪比，实现气体的高灵敏度检测。

Description

一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置及方法

技术领域

本发明涉及痕量气体光声光谱检测领域，更具体地说是一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置及方法。

背景技术

光声光谱技术是一种优秀的气体检测技术，广泛应用于大气、医疗、工控、煤矿等行业，其通过待测气体吸收光能后产生的光声信号来反演待测气体浓度。光声光谱技术的检测性能主要受到光声信号强度和噪声的影响。光声信号强度正比于入射光功率，但是高功率光源通常成本较高、体积较大，甚至附加有散热装置。因此，为了在不改变光声池体积的情况下提高光声信号幅值，可以将光声池内壁镀高反射膜，使激发光束在池体内壁多次反射，增加气体吸收路径。如Chen设计了一种非共振的圆柱型光声传感器，激发光束在池体内壁多次反射增加光程，实现了C₂H₂（乙炔）的低浓度检测。Zhang提出了利用镀金的小型Herriott（赫利奥特）池来多次反射激发光束，得到了C₂H₂（乙炔）气体1.4×10^-9cm^-1WHz^-1/2的噪声等效吸收系数。光束多次反射虽然可以提高光声信号，但是也会引发固体光声效应，从而带来附加噪声。虽然波长调制技术可以一定程度上抑制此类噪声，但是对于无法进行波长调制的光源如发光二极管、激光二极管、波长固定的激光器等则不能通过此方式降噪。同时，环境中的同频噪声也会影响检测装置的信噪比。

参考文献：

[1] Chen K, Zhang B, Liu S, et al. Highly sensitive photoacoustic gassensor based on multiple reflections on the cell wall (基于光声池壁多次反射的高灵敏度光声气体传感器)[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2019, 290:119-124.

[2] Zhang B, Chen K, Chen Y, et al. High-sensitivity photoacousticgas detector by employing multi-pass cell and fiber-optic microphone(采用多通道池和光纤麦克风的高灵敏度光声气体探测器)[J]. Optics express, 2020, 28(5):6618-6630.

在声学主动降噪理论中，可以使用噪声传感器检测噪声后，再使用声源产生与噪声信号幅值相同、相位相反的噪声，从而两种噪声形成相消干涉，降低噪声幅值与波动，如申请号为202010299006.9的发明专利“一种具有主动降噪功能的光声光谱装置”。然而此方式需要外部噪声传感器、内部噪声传感器、次级声源以及主动降噪电路模块，增加了检测装置的复杂性。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题。为此，本发明提出一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置及相应的检测方法，以期能够在增大光声信号的同时降低噪声，提高信噪比，实现气体的高灵敏度检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其结构特点是，包括：

差分式亥姆霍兹光声池，包括上下对称、呈圆柱状空腔结构、内壁镀膜的激发腔与补偿腔，相对侧的柱端之间通过顺着轴向设置的连接管相通，两腔内产生的声波信号的声压幅值相同、相位相反，两腔体上分别设有顺着径向分处于中轴线两侧的进光口与通气口，所述进光口处设光学窗片，位于腔体外周壁上，所述通气口设于腔体另一侧柱端外缘，两处通气口用于连接外部气路，其中一处作为进气口，另一处作为出气口；所述连接管位于进光口一侧，远离通气口；

光源模块，包括光功率与相位相同的激发光源和补偿光源，分别通过垂直于进光口上的光学窗片、顺着径向，向激发腔与补偿腔输出设定频率的调制光束，调制频率相同且按照差分式亥姆霍兹光声池的共振频率对应设置；所述激发光源用于产生光声信号，中心波长与待测气体的强吸收波段相匹配；所述补偿光源用于补偿激发光源多次反射引发的噪声，中心波长与待测气体的不吸收波段相匹配；

一对微音器，上下正对并同轴布置在差分式亥姆霍兹光声池的上下端，分别安装在激发腔与补偿腔上，用于检测激发腔与补偿腔内的声波信号，所述声波信号经差分后送入锁相放大器；

锁相放大器，用于依据信号发生器提供的参考信号，对差分后的声波信号进行解调，得到光声信号并送入数据采集卡；

信号发生器，用于输出两路同频率的信号，其中一路作为调制光源模块的调制信号，且调制频率与差分式亥姆霍兹光声池的共振频率相匹配，另一路送入锁相放大器作为解调光声信号所需的参考信号；

数据采集卡，用于对由锁相放大器送入的光声信号进行数模转换，并上传至上位机；

上位机，用于对由数据采集卡送入的光声信号进行分析与处理。

本发明的结构特点也在于：

所述激发腔与补偿腔内壁镀膜材质包括金、银、铝。

所述光源模块为激光二极管、发光二极管或激光器。

所述上位机与数据采集卡之间通过数据传输线缆连接。

所述通气口处设有阀门。

本发明同时提出了一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测方法，包括下述步骤：

步骤1、装置开机上电、系统预热；

步骤2、打开差分式亥姆霍兹光声池上进气口与出气口处的阀门，通过外部气路经进气口向差分式亥姆霍兹光声池内充入待测气体后，关闭进气口与出气口处的阀门，使差分式亥姆霍兹光声池内形成密闭气室；

步骤3、依据待测气体的吸收峰位置，分别对应待测气体的强吸收波段与不吸收波段，为光源模块的激发光源与补偿光源匹配相应的中心波长；

步骤4、信号发生器输出与差分式亥姆霍兹光声池共振频率相匹配的调制信号，并分为两路，一路供给光源模块的激发光源与补偿光源，另一路供给锁相放大器作为参考信号；

步骤5、打开光源模块，光源模块受信号发生器调制，按照设定频率输出同频同相、波长相异的激发光束与补偿光束，分别通过对应的光学窗片沿径向进入差分式亥姆霍兹光声池的激发腔与补偿腔内；

步骤6、激发光束在激发腔内以及补偿光束在补偿腔内多次反射，分别产生光声信号与补偿信号；

步骤7、利用安装在激发腔和补偿腔上的一对微音器检测各自腔内的声波信号，经差分处理后送至锁相放大器，解调出光声信号并送入数据采集卡；

步骤8、由数据采集卡对光声信号进行数模转换并传输至上位机分析与处理，用于反演待测气体浓度。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明基于光声光谱技术，结合差分式亥姆霍兹光声池，将声学主动降噪的理论应用至光声光谱检测中，使用一束位于待测气体强吸收波段的激发光束，经多次反射后增大光声信号，使用另一束与激发光束同频同相、波长位于待测气体无吸收波段的补偿光束，来抑制激发光束多次反射带来的噪声，同时，差分式亥姆霍兹光声池的两个腔体内的声波信号幅值相同、相位相反，可以得到近似两倍幅值的光声信号，并可以很好地抑制环境中的同频噪声，利用多次反射和两种抑噪机制的结合，可在增大光声信号的同时降低噪声，提高信噪比，实现了光声光谱检测装置的小型化与气体的高灵敏度检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是差分式亥姆霍兹光声池的结构示意图。

图中，1差分式亥姆霍兹光声池；11激发腔；12补偿腔；13连接管；14进光口；15 光学窗片；16通气口；2光源模块；21激发光源；22补偿光源；3微音器；4锁相放大器；5信号发生器；6数据采集卡；7上位机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图2，本实施例的低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置包括：

差分式亥姆霍兹光声池1，包括上下对称、呈圆柱状空腔结构、内壁镀膜的激发腔11与补偿腔12，相对侧的柱端之间通过顺着轴向设置的连接管13相通，两腔内产生的声波信号的声压幅值相同、相位相反，两腔体上分别设有顺着径向分处于中轴线两侧的进光口14与通气口16，进光口14处设高透光率的光学窗片15，位于腔体外周壁上，通气口16设于腔体另一侧柱端外缘，两处通气口16用于连接外部气路，其中一处作为进气口，另一处作为出气口；连接管13位于进光口14一侧，远离通气口16；

光源模块2，包括光功率与相位相同的激发光源21和补偿光源22，分别通过垂直于进光口14上的光学窗片15、顺着径向，向激发腔11与补偿腔12输出设定频率的调制光束，调制频率相同且按照差分式亥姆霍兹光声池1的共振频率对应设置；激发光源21用于产生光声信号，中心波长与待测气体的强吸收波段相匹配；补偿光源22用于补偿激发光源21多次反射引发的噪声，中心波长与待测气体的不吸收波段相匹配；

一对微音器3，上下正对并同轴布置在差分式亥姆霍兹光声池1的上下端，分别安装在激发腔11与补偿腔12上，用于检测激发腔11与补偿腔12内的声波信号，声波信号经差分后送入锁相放大器4；

锁相放大器4，用于依据信号发生器5提供的参考信号，对差分后的声波信号进行解调，得到光声信号并送入数据采集卡6；

信号发生器5，用于输出两路同频率的信号，其中一路作为调制光源模块的调制信号，且调制频率与差分式亥姆霍兹光声池1的共振频率相匹配，另一路送入锁相放大器4作为解调光声信号所需的参考信号；

数据采集卡6，用于对由锁相放大器4送入的光声信号进行数模转换，并上传至上位机7；

上位机7，用于对由数据采集卡6送入的光声信号进行分析与处理。

该装置的结构设置也包括：

激发腔11与补偿腔12内壁镀膜材质包括金、银、铝等。光声池体的基材可以是铝、铜、不锈钢等。

光学窗片15可以根据光源的波段进行更换，如氟化镁、氟化钙、熔融石英窗片等。

依据使用场景和待测气体选择光源模块，可以为激光二极管、发光二极管或激光器。

上位机7与数据采集卡6之间通过数据传输线缆连接。

进光口14与通气口16均为通孔。通气口16处设有阀门。

激发腔11与补偿腔12上对应于微音器3的安装位置分别设有微音器3安装座，微音器3嵌入安装座中，在检测声波信号的同时保证光声池的气密性。

并需注意，信号发生器5、锁相放大器4、数据采集卡6和上位机7的放置位置应不影响光源模块与两进光口14之间的光路。

工作原理：

激发腔11与补偿腔12上的共两处通气口16，一处作为进气口，另一处作为出气口，并与外部气路相连，实现腔内待测气体的置换，同时形成密闭气室，连接管13位于靠近进光口14的一侧，远离通气口16，使得气体可以实现快速置换。

光源模块受信号发生器5强度调制或波长调制后，输出设定频率的调制光束，其中，激发光源21对准激发腔11的进光口14，补偿光源22对准补偿腔12的进光口14，分别经各自光学窗片15射入激发腔11与补偿腔12；激发光束在激发腔11内壁发生多次反射，以增加气体的吸收路径，提高声波信号强度，但同时也会带来多次反射噪声，而补偿光束同样在补偿腔12内壁多次反射，由于两腔内的声压幅值相同、相位相反，所以补偿光产生以及多次反射噪声与激发光产生的噪声幅值相同、相位相反，因此补偿光束可用于补偿激发光源21产生的多次反射噪声，两种噪声发生相消干涉，极大降低了窗片吸收和多次反射带来的噪声；

通过激发腔11与补偿腔12上的微音器3检测，激发腔11内产生的声波信号相位近似为0°，补偿腔12内产生的声波信号相位近似为180°；将一对微音器3检测到的激发腔11与补偿腔12内的声波信号进行差分，即可抑制环境中的同频噪声，并且得到两倍于单个微音器3的声波信号，差分后送入锁相放大器4；其中，差分表示将一对微音器3检测到的声波信号相减，经锁相放大器4解调后，可以得到近似两倍幅值的光声信号，并且抑制环境中的同频噪声。这是因为，环境中的同频噪声对于一对微音器3而言，是近似同相的共模噪声，因此，通过差分的方式可以将其近似消除。由于多次反射与两种降噪机制的结合，使本装置能够在放大光声信号的同时抑制噪声，实现信噪比的提高。

锁相放大器4通过滤波、锁定、放大，解调得到光声信号并送入数据采集卡6进行采集，数据采集卡6紧通用现场总线上传至上位机7，由上位机7分析、处理光声信号，以用于对待测气体浓度的标定与反演。

本发明实施例同时提出了一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测方法，包括下述步骤：

步骤1、装置开机上电、系统预热；

步骤2、打开差分式亥姆霍兹光声池上进气口与出气口处的阀门，通过外部气路经进气口向差分式亥姆霍兹光声池内充入待测气体后，关闭进气口与出气口处的阀门，使差分式亥姆霍兹光声池内形成密闭气室；

步骤3、依据待测气体的吸收峰位置，分别对应待测气体的强吸收波段与不吸收波段，为光源模块的激发光源与补偿光源匹配相应的中心波长；

步骤4、信号发生器输出与差分式亥姆霍兹光声池共振频率相匹配的调制信号，并分为两路，一路供给光源模块的激发光源与补偿光源，另一路供给锁相放大器作为参考信号；

步骤5、打开光源模块，光源模块受信号发生器调制，按照设定频率输出同频同相、波长相异的激发光束与补偿光束，分别通过对应的光学窗片沿径向进入差分式亥姆霍兹光声池的激发腔与补偿腔内；

步骤6、激发光束在激发腔内以及补偿光束在补偿腔内多次反射，分别产生光声信号与补偿信号；

步骤7、利用安装在激发腔和补偿腔上的一对微音器检测各自腔内的声波信号，经差分处理后送至锁相放大器，解调出光声信号并送入数据采集卡；

步骤8、由数据采集卡对光声信号进行数模转换并传输至上位机分析与处理，用于反演待测气体浓度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其特征是包括：

差分式亥姆霍兹光声池，包括上下对称、呈圆柱状空腔结构、内壁镀膜的激发腔与补偿腔，相对侧的柱端之间通过顺着轴向设置的连接管相通，两腔内产生的声波信号的声压幅值相同、相位相反，两腔体上分别设有顺着径向分处于中轴线两侧的进光口与通气口，所述进光口处设光学窗片，位于腔体外周壁上，所述通气口设于腔体另一侧柱端外缘，两处通气口用于连接外部气路，其中一处作为进气口，另一处作为出气口；所述连接管位于进光口一侧，远离通气口；

光源模块，包括光功率与相位相同的激发光源和补偿光源，分别通过垂直于进光口上的光学窗片、顺着径向，向激发腔与补偿腔输出设定频率的调制光束，调制频率相同且按照差分式亥姆霍兹光声池的共振频率对应设置；所述激发光源用于产生光声信号，中心波长与待测气体的强吸收波段相匹配；所述补偿光源用于补偿激发光源多次反射引发的噪声，中心波长与待测气体的不吸收波段相匹配；

一对微音器，上下正对并同轴布置在差分式亥姆霍兹光声池的上下端，分别安装在激发腔与补偿腔上，用于检测激发腔与补偿腔内的声波信号，所述声波信号经差分后送入锁相放大器；

锁相放大器，用于依据信号发生器提供的参考信号，对差分后的声波信号进行解调，得到光声信号并送入数据采集卡；

信号发生器，用于输出两路同频率的信号，其中一路作为调制光源模块的调制信号，且调制频率与差分式亥姆霍兹光声池的共振频率相匹配，另一路送入锁相放大器作为解调光声信号所需的参考信号；

数据采集卡，用于对由锁相放大器送入的光声信号进行数模转换，并上传至上位机；

上位机，用于对由数据采集卡送入的光声信号进行分析与处理。

2.根据权利要求1所述的低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其特征是：

所述激发腔与补偿腔内壁镀膜材质包括金、银、铝。

3.根据权利要求1所述的低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其特征是：所述光源模块为激光二极管、发光二极管或激光器。

4.根据权利要求1所述的低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其特征是：所述上位机与数据采集卡之间通过数据传输线缆连接。

5.根据权利要求1所述的低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置，其特征是：所述通气口处设有阀门。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述低噪声差分式亥姆霍兹光声光谱检测装置的检测方法，其特征是包括下述步骤：

步骤1、装置开机上电、系统预热；

步骤2、打开差分式亥姆霍兹光声池上进气口与出气口处的阀门，通过外部气路经进气口向差分式亥姆霍兹光声池内充入待测气体后，关闭进气口与出气口处的阀门，使差分式亥姆霍兹光声池内形成密闭气室；

步骤3、依据待测气体的吸收峰位置，分别对应待测气体的强吸收波段与不吸收波段，为光源模块的激发光源与补偿光源匹配相应的中心波长；

步骤4、信号发生器输出与差分式亥姆霍兹光声池共振频率相匹配的调制信号，并分为两路，一路供给光源模块的激发光源与补偿光源，另一路供给锁相放大器作为参考信号；

步骤5、打开光源模块，光源模块受信号发生器调制，按照设定频率输出同频同相、波长相异的激发光束与补偿光束，分别通过对应的光学窗片沿径向进入差分式亥姆霍兹光声池的激发腔与补偿腔内；

步骤6、激发光束在激发腔内以及补偿光束在补偿腔内多次反射，分别产生光声信号与补偿信号；

步骤7、利用安装在激发腔和补偿腔上的一对微音器检测各自腔内的声波信号，经差分处理后送至锁相放大器，解调出光声信号并送入数据采集卡；

步骤8、由数据采集卡对光声信号进行数模转换并传输至上位机分析与处理，用于反演待测气体浓度。

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