CN116183538A - 基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，包括：红外光源及其调制模块、非共振式光声池模块、光声信号采集及处理电路；所述红外光源及其调制模块用于输出特定频率和波长的入射光；所述非共振式光声池模块用于接收入射光照射待测气体；所述光声信号采集及处理电路用于采集非共振式光声池模块中含待测气体信息的电信号并对电信号进行处理，得到气体浓度数据。本发明采用非共振式光声池，针对传统非共振式光声池探测速度较慢和数据稳定性较差的问题，利用非共振式光声池的特点，采用快速换气的设计，短时间内反复探测光声示数曲线特定上升段的数据，大大提高了探测速度和数据的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体为一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置。
背景技术
气体探测技术的历史非常久远，社会生活的许多方面都对气体检测有较高的需求。而随着科技的发展，人们对气体探测的灵敏度、准确性、探测速度等方面也提出了越来越高的要求，许多传统的气体探测方法越发显现出局限性。而近年来，光声光谱法被越来越多的科学家重视，也被越来越多的人进行研究。光声光谱法的原理基于吸收光谱的，但并不直接对光信号进行测量，而是利用气体的光声效应，在吸收的光能经历了光能到热能到声能的转化过程之后，通过对声能的检测，实现对于气体浓度的探测。该方法在保证检测精度的基础上，能够进行快速和实时的检测，因此具有很大的潜力。
在光声光谱的探测中，光声池是十分重要的一个组件，主要分为共振式和非共振式两类。其中，共振式光声池在对探测精度要求极高时有更好的表现，但复杂的结构和较大的体积导致其加工难度高，实用化进程缓慢。而非共振式光声池有较为简单的结构和较小的体积，在许多实际的探测场景中有更好的表现。
然而，采用非共振式光声池的光声光谱探测也有许多问题。非共振式光声池在探测时需要气体密闭在光声池中，因此获取稳定的数值需要一段时间，这些都影响到了探测的速度和稳定性。
发明内容
本发明提供一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，包括：红外光源及其调制模块、非共振式光声池模块、光声信号采集及处理电路；所述红外光源及其调制模块用于输出特定频率和波长的入射光；所述非共振式光声池模块用于接收入射光照射待测气体；所述光声信号采集及处理电路用于采集非共振式光声池模块中含待测气体信息的电信号并对电信号进行处理，得到气体浓度数据。
优选地，所述红外光源及其调制模块包括宽带红外光源、斩光器以及滤光片，所述宽带红外光源用于发射宽带红外光，所述宽带红外光源发射端设置有椭球面反射镜，用于汇聚和准直红外光；所述斩光器用于对光源进行频率调制，所述滤光片用于通过设定波长范围的光线。
优选地，所述非共振式光声池模块包括非共振式光声池、温度计、温度控制器、进气装置以及废气处理系统，所述温度计设置在非共振式光声池，用于检测非共振式光声池内的温度，所述非共振式光声池两端设置有透光窗口，红外光源及其调制模块发出的光源从其中一个透光窗口入射，从另一个透光窗口出射，所述温度控制器用于控制非共振式光声池内的温度，非共振式光声池为密封装置，设有两个通气孔，用于进出待测气体，所述进气装置用于向非共振式光声池输入设定浓度的气体，所述废气处理系统用于抽取非共振式光声池内的废气。
优选地，所述进气口与进气装置中间采用电磁开关阀隔开，在抽取气体时打开，在探测气体浓度和排出气体时关闭。
优选地，所述出气口与废气处理系统中间采用电磁开关阀隔开，在排出气体时打开，在探测气体浓度和抽取气体时关闭。
优选地，所述光声信号采集及处理电路包括微音器、前置放大器、锁相放大器、计算机，所述微音器设置在非共振式光声池内，用于采集非共振式光声池中的声信号并转换为电信号，前置放大器、锁相放大器用于对电信号进行去噪放大，计算机用于记录去噪放大后的信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用非共振式光声池体积小单次测量耗费气体少的特点，通过一种能够快速进出待测气体的系统，短时间内反复探测光声示数曲线特定上升段的数据，大大提高了探测速度和数据的稳定性。
附图说明
图1为本发明基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置的结构示意图。
图2为微音器的频率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。以实施例中所涉及的设备或材料，如无特别说明则均为常规设备或材料；所涉及的方法步骤如无特别说明则均为常规方法步骤。
如图1所示，一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，该检测装置包含红外光源及其调制模块、非共振式光声池模块、光声信号采集及处理电路。所述红外光源及其调制模块用于输出特定频率和波长的入射光；所述非共振式光声池模块用于接收入射光照射待测气体；所述光声信号采集及处理电路用于采集非共振式光声池模块中含待测气体信息的电信号并对电信号进行处理，将处理过后的电信号录入计算机，通过计算机软件进行数据的去噪和后处理，最终得到气体浓度数据。
红外光源及其调制模块包含一个宽带红外光源和椭球面反射镜1，斩光器2，滤光片3。所述宽带红外光源用于发射宽带红外光；所述椭球面反射镜与所述宽带红外光源相连，用于汇聚和准直红外光。所述斩光器用于对经过的红外光进行频率调制；所述滤光片与所述斩光器相连，用于滤除非待测气体的红外光。
由于宽带红外光源向四周发射红外光不具有方向性，将椭球面反射镜安置在其后方作为一个器件。
红外光源自身发射的是连续光不具有频率，而恒定强度的光源不会引发气体的光声效应，需要对光强进行一定频率的调制。通过斩光器2来进行频率调制，该装置为机械斩波调制，采用一个一半面积透光一半面积黑色的金属圆盘，使用可控电机以一定的频率转动，以实现频率调制。
宽带红外光源的频段很宽，需要采用滤光片3探测特定波段，该滤光片采用锗材料的带通型红外滤光片，特征波长10.5um。
非共振式光声池模块包括非共振式光声池4、温度计5、温度控制器6、进气装置7、废气处理系统8。
非共振式光声池4采用黄铜材质，内表层镜面抛光后镀金，该光声池三个连通外界气体的通气孔，两个用于进出气体，一个用于安置微音器。该光声池了一个位于外壁但不与内部连通的小孔，用于安置温度计5。该光声池还有两个透光的窗口片安置在光声池两端，采用硒化锌材料，红外光从一端窗口片入射再从另一端出射。
温度控制器6为半导体材料，紧贴在光声池一侧的金属表面，可以制冷也可以制热，连接外部导热装置，由计算机读取温度计的信号进行加热或制冷，以维持光声池温度的稳定。
进气装置7的一端是电磁开关阀，连接气管安装在非共振式光声池4的进气口，另一端连接特定浓度并用气压阀控制气压的气瓶。废气处理系统8的一端同样是电磁开关阀，连接气管安装在出气口，另一端连接一个气泵，用于将气体抽取至废气处理库。
所述温度计置于光声池金属外壁的孔洞中不与内部相连，用于实时测量温度。
所述温度控制器为半导体控温片，与温度计相连，用于控制光声池温度保持恒定；所述进气口与配气装置相连，中间采用电磁开关阀隔开，在抽取气体时打开，在探测气体浓度和排出气体时关闭。
所述出气口与废气处理系统相连，中间采用电磁开关阀隔开，在排出气体时打开，在探测气体浓度和抽取气体时关闭。
所述电磁开关阀采用电压控制，可以在短时间内进行迅速地开闭并保证气密性。
所述配气装置选用实现生产的特定浓度的气瓶，配合压强计控制压强，用于输出特定压强和浓度的气体，使得进气口电磁开关阀开启时能迅速充满特定压强和浓度的气体。
所述废气处理系统包括抽气泵和后续连接的气库，用于暂存探测过后的气体，等到实验结束一并处理，使得出气口电磁开关阀开启时能迅速排出气体。
光声信号采集及处理电路包括微音器9、前置放大器10、锁相放大器11、计算机12。所述微音器与所述非共振式光声池相连，用于探测微弱的声信号并转化为电信号。
所述前置放大器与所述微音器相连，用于放大微弱的电信号。
所述锁相放大器与所述前置放大器和微音器相连，用于滤除非斩光器频率的噪声信号，并进一步放大电信号。
所述计算机用于存储并处理信号。
微音器9选用AOM-5024L-HD-R微音器，可采集20—20000hz的声信号，完全覆盖斩光器能够调制的频率范围，输出阻抗2.2kΩ，在1000hz时对湿度的典型灵敏度是0.03db/zrh，1000hz 94dB输入的峰值信噪比为80，频率响应曲线如图2所示，具有高灵敏度和较强的抗干扰能力。
前置放大器10采用max292低通滤波器，能够放大0.1—10000hz的声信号，能够覆盖微音器声波的输出范围，最高可达到18.1分贝增益。锁相放大器11连接前置放大器10和斩光器2，对于非斩波器信号频率的噪声有极好的滤除效果，再将去噪后的信号录入计算机12。计算机12除了收集并处理信号，还连接温度计5读取实时温度数据，控制斩光器的频率，控制温度控制器6、进气装置7、废气处理系统8的运行。
本发明基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置工作原理如下：
首先开启计算机12，打开红外光源1、温度控制器6，计算机设定一个初始温度。宽带红外的光通过椭球面反射镜准直并出射，以平行光束经过斩波器和滤光片，射入光声池并从另一端出射。计算机通过温度计5探测确定光声池温度，直至温度控制器6将光声池稳定在设定的温度。开启配气系统7，进气口电磁开关阀打开，将待测气体通入后关闭配气系统7，光声池4此时充满待测的恒压气体。开启斩光器2、微音器9、前置放大器10、锁相放大器11，进行信号探测。此时的入射光经过频率和波长的调制，反复激发光声池内的待测气体，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方式回到基态，对于非辐射弛豫过程压力，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起局部加热，而局部加热也具有一定的频率，产生特定频率的声波，微音器9能够检测该声波的强度并转化为电信号，通过前置放大器10、锁相放大器11去噪放大，计算机记录下该信号。在一个设定的时间之后，开启废气处理系统8，出气口电磁开关阀打开，抽出光声池内探测气体，等到气体抽出之后再关闭废气处理系统8，出气口电磁开关阀关闭。之后再开启配气系统7，打开进气口电磁开关阀，通入待测气体；在探测过程中，不断重复这份抽气排气的过程，保证间隔时间相等。探测若干轮之后，关闭系统，计算机得到探测数据，将其中每一轮抽气与排气的相同中间时间段的信号作为有效信号，经过处理得到相应的气体浓度。
本发明基于光声光谱法，采用在探测时不断间歇性脉冲抽气的方式，对比传统单次抽气持续长时间探测的方法，大大提高了探测速度和数据稳定性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，包括：红外光源及其调制模块、非共振式光声池模块、光声信号采集及处理电路；所述红外光源及其调制模块用于输出特定频率和波长的入射光；所述非共振式光声池模块用于接收入射光照射待测气体；所述光声信号采集及处理电路用于采集非共振式光声池模块中含待测气体信息的电信号并对电信号进行处理，得到气体浓度数据。
2.根据权利要求1所述的基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述红外光源及其调制模块包括宽带红外光源(1)、斩光器(2)以及滤光片(3)，所述宽带红外光源(1)用于发射宽带红外光，所述宽带红外光源(1)发射端设置有椭球面反射镜，用于汇聚和准直红外光；所述斩光器(2)用于对光源进行频率调制，所述滤光片(3)用于通过设定波长范围的光线。
3.根据权利要求1所述的基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述非共振式光声池模块包括非共振式光声池(4)、温度计(5)、温度控制器(6)、进气装置(7)以及废气处理系统(8)，所述温度计(5)设置在非共振式光声池(4)，用于检测非共振式光声池(4)内的温度，所述非共振式光声池(4)两端设置有透光窗口，红外光源及其调制模块发出的光源从其中一个透光窗口入射，从另一个透光窗口出射，所述温度控制器(6)用于控制非共振式光声池(4)内的温度，非共振式光声池(4)为密封装置，设有两个通气孔，用于进出待测气体，所述进气装置(7)用于向非共振式光声池(4)输入设定浓度的气体，所述废气处理系统(8)用于抽取非共振式光声池(4)内的废气。
4.根据权利要求3所述的基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述进气口与进气装置(7)中间采用电磁开关阀隔开，在抽取气体时打开，在探测气体浓度和排出气体时关闭。
5.根据权利要求3所述的基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述出气口与废气处理系统中间采用电磁开关阀隔开，在排出气体时打开，在探测气体浓度和抽取气体时关闭。
6.根据权利要求1所述的基于非共振式光声池的红外光声光谱气体浓度检测装置，其特征在于，所述光声信号采集及处理电路包括微音器(9)、前置放大器(10)、锁相放大器(11)、计算机(12)，所述微音器(9)设置在非共振式光声池(4)内，用于采集非共振式光声池(4)中的声信号并转换为电信号，前置放大器(10)、锁相放大器(11)用于对电信号进行去噪放大，计算机(12)用于记录去噪放大后的信号。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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