CN202404020U - 用于气体含量检测的光声光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其包含光源模块，设置在光源模块旁的光声腔模块，与光声腔模块电路连接的数据收集放大模块；光声腔模块包含：光声光谱系统；设置在光声光谱系统内的共振腔，其设置在光源模块所发出的光路上；微音器，其靠近设置在共振腔旁；设置于光声光谱系统侧壁的窗片，其设置在光源模块所发出的光路上；设置在光声光谱系统侧壁上的光声腔入气口，其通过气管连接共振腔的进气口；设置在光声光谱系统侧壁上的光声腔出气口，其通过气管连接共振腔的出气口。本实用新型运用光声光谱检测变气体含量的系统，结构简单，检测精度高，速度快，维护量小，可长期在线检测，节省成本，极大提高变压器的运行效率。

Description

用于气体含量检测的光声光谱检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种广泛的应用于物理、化学、生物、医学、化工、环保、材料科学等多个领域的精密科学检测仪器，具体涉及一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置。

背景技术

检测技术是科技领域的重要组成部分。可以说，科技发展的每一步都离不开检测技术的配合，尤其是极端条件下的检测技术，已成为深化认识自然的重要手段。

近几十年来，随着电子技术的快速发展，各种弱物理量（如弱光、弱电、弱磁）测量有了长足的发展，其检测方法大都是通过各种传感器做电量转换，使测量对象转换成电量。基本方法有：相干测量法，重复信号的平均时域法，离散信号的统计平均法及计算机处理法等。但由于弱信号本身的涨落，传感器本身及测量仪噪声等的影响，检测的灵敏度及准确性受到了极大的限制。近年来，各国的科学家们对光声光谱技术进行了大量广泛而深入的研究。人们通过检测声波及热效应便可对物质的力、热、声、光、磁等各种特性进行分析研究，并且这种检测适用于几乎所有类型的试样，甚至还可以进行试样的亚表面无损检测和成像。这种方法成功解决了以往用传统方法所不易解决的难题，因而广泛的应用于物理、化学、生物、医学、化工、环保、材料科学等多个领域，成为科学研究中十分重要的检测和分析手段。

光声光谱检测之所以有如此迅速的发展并得到日益广泛的应用，是由其本身的特点所决定的。与普通的光谱测量相比，光声光谱检测的光声信号直接取决于物质吸收光能的大小，反射光、散射光对光声的检测的干扰很小；因此，对于弱信号，则可以通过增大入射光功率的办法来提高检测的信噪比；同时，它还是唯一可以用检测试样剖面吸收光谱的方法。在光声检测中，试样本身既是被测物质，又是吸收光波的检测器，因此可以在一个很宽的波谐范围内进行研究，而不必改变检测系统，给实际操作带来极大的方便。光声效应是研究物质荧光、光电和光化学极其灵敏而又十分有效的方法，这是因为光声信息是物质吸收了经调制后的外界入射能量，由受激态跃迁到低能态而产生的，因此，它与物质受激后的辐射过程、光化学过程等是互补的，从而大大的提高了检测的灵敏度。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置，它基于光声光谱法，利用激光光源的高强度功率及单色性激光光声谱可达到很高的检测灵敏度和分辨率，比传统传感器的检测灵敏度和精确度都要高。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特点是，该装置包含光源模块，设置在光源模块旁的光声腔模块，与光声腔模块电路连接的数据收集放大模块；

上述的光声腔模块包含：

光声光谱系统；

设置在光声光谱系统内的共振腔，其设置在光源模块所发出的光路上；

微音器，其紧密贴合共振腔设置；

设置在光声光谱系统侧壁上的窗片，其设置在光源模块所发出的光路上；

设置在光声光谱系统侧壁上的光声腔入气口，其通过气管连接共振腔的进气口；以及，

设置在光声光谱系统侧壁上的光声腔出气口，其通过气管连接共振腔的出气口。

上述的光源模块包含依次设置在该光源模块所输出光路所在直线上的球面反射镜、红外光源、调制盘、滤光盘；该滤光盘相对于所述的窗片设置；

上述的调制盘和滤光盘分别电路连接有步进电机。

上述的数据收集放大模块包含与微音器的输出端电路连接的前置放大器，以及与前置放大器输出端电路连接的锁相放大器；该锁相放大器的输出端电路连接后续的处理设备。

该装置还包含有缓冲室，其出气口连接光声腔入气口，该缓冲室的进气口连接被测的试样气体。

该装置还包含有真空泵，其进气口连接光声腔出气口。

上述的缓冲室的进气口与出气口处还分别设有若干电磁阀。

上述的真空泵的进气口处还设有电磁阀。

上述的光声腔入气口和光声腔出气口设置在光声光谱系统上的声压波节处。

上述的微音器设置在共振腔的波腹点。

采用光声光谱法测量气体的浓度，打开电磁阀，通过真空泵把试样气体经由缓冲室输入共振腔，关闭各电磁阀，用红外光源发送的红外光辐射共振腔中的试样气体，气体通过吸收光脉冲，产生声波，微音器检测其强度，转为电信号，该信号通过前置放大器和锁相放大器后，传输至后续处理设备分析气体含量并储存。

本实用新型用于气体含量检测的光声光谱检测装置和现有技术相比，其优点在于，本实用新型所公开的一种运用光声光谱检测变气体含量的系统，方法合理，结构简单，运行可靠，检测气体种类多，检测精度高，速度快，可操作性强，能缩短障碍时间，维护量小，可长期在线检测，价格低廉，节省人力物力，可极大提高变压器的运行效率。

附图说明

图1为本实用新型用于气体含量检测的光声光谱检测装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本实用新型的实施例。

如图1所示，一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置，该检测装置包含光源模块、光声腔模块、数据收集放大模块。

光源模块包含设置在一条直线光路上的球面反射镜1、红外光源2、调制盘3和滤光盘4，以及分别与调制盘3和滤光片4电路连接的两个步进电机12。

红外光源2采用强度时变的非相干宽光源，型号为MIRL17-900，波长范围为1-20um。

调制盘3的调制频率为20HZ。

滤光盘4设为为圆形，其上设有6个滤光片，该滤光片采用带通型红外滤光片，滤光片材料是锗。滤光片的特征波长分别为7.97um、11.61um、9.42um、12.77um、4.65um、14.97um。该6个圆形滤光片分别设置在距滤光盘4轴心等距离的相互对称点处。

红外光源2所发出的光的光路为一直线，球面反射镜1、红外光源2、调制盘3、滤光盘4都依次设置在该光路所形成的直线上。球面反射镜1与调制盘3分别设置在红外光源2两侧，滤光盘4设置在调制盘3的另一侧。该球面反射镜1、红外光源2、调制盘3、滤光盘4相互间间隔一定距离独立设置。

调制盘3和滤光盘4分别电路连接一个步进电机12，该步进电机12采用微型脉冲电机，其电路连接控制主板，通过接收控制主板所发出的指令运行，由步进电机12驱动调制盘3和滤光盘4动作以调节光路。

光声腔模块包含光声光谱系统13，分别设置在光声光谱系统13侧壁上的窗片5、光声腔入气口6和光声腔出气口7，以及设置在光声光谱系统13内部的共振腔9和微音器8。该共振腔9和微音器8之间紧密贴合在一起设置。

光声光谱系统13采用长度为45mm的黄铜屏蔽盒，对声、光及电磁屏蔽。该光声光谱系统13采用差分式工作方式，差分式光声光谱系统的结构为梯形，非差分式光声光谱系统结构为方形，在运行中梯形结构的受力均匀，抗震性优于方形结构，可抑制共模噪声。

窗片5按布儒斯特角布置，且窗片5设置在红外光源2所发出的直线光路上。窗片5表面需保证洁净。

共振腔9作为光声光谱模块的核心部分，关系整个光声光谱模块的检测灵敏度和检测效果。考虑到要让光声腔的体积尽可能小，隔绝噪音效果好，减小背景信号，保证密封性，腔内表面光滑等因素后，该共振腔9采用非谐振式光声腔，设为半径是10mm的圆柱形，长为45mm，容积为5ml。该共振腔9的内壁采用高导热系数和反射率的有机玻璃制成，而外壁全部采用热导系数较大的黄铜制成。同时为保证光路不受影响，共振腔9的内壁需表面光滑、保证洁净。

微音器8作为光声检测器件，本实用新型中微音器8采用电容型驻极微音器，输出阻抗是4KΩ，在1000hz时对湿度的典型灵敏度是0.06db/zrh。其感应到的频率为20HZ。在常温下其灵敏度漂移可保证在200年内小于1%，测量精度可达到10mv/mp，具有高灵敏度和抗噪声能力。该微音器8设置在共振腔9的波腹点，这样能极大的提高微音器8的信号幅度和抑制噪声。

光声光谱系统13的侧壁上，在声压波节处开孔作为流动气体试样的光声腔入气口6和光声腔出气口7。由于气体受力在共振腔9内部流动的过程中，气体与气体间，气体与共振腔9间都会摩擦，这些都是引发湍流的因素，选择在共振腔9距两端0.628倍共振腔9半径的地方（即声压波节处）打孔作为光声腔入气口6和光声腔出气口7可有效抑制湍流噪声。在光声光谱系统13内部，该光声腔入气口6和光声腔出气口7分别与共振腔9之间采用进气管和出气管连接。光声腔入气口6与共振腔9之间的进气管，其在共振腔9上的接口，选择设置在共振腔9半径的0.628R处，其中R代表共振腔9的半径，光声腔入气口6和光声腔出气口7的设置位置是距离共振腔9两端0.628倍半径处。同样，光声腔出气口7与共振腔9之间的出气管，其在共振腔9上的接口，选择设置在共振腔9半径的0.628R处。在光声光谱系统13外部，光声腔入气口6和光声腔出气口7分别通过气管与外部的前置设备和后续设备连接。

该光声光谱系统13与其内部的微音器8、共振腔9、窗片5、光声腔入气口6和光声腔出气口7，设为一个整体的结构。

本装置还包含有气体缓冲室14，光声腔入气口6的进气端通过气管连接气体缓冲室14的出气口，该气体缓冲室14用于对进入光声光谱系统13的被测气体进行暂时储存和缓冲，有效的隔离窗片5的背景噪声。在气体缓冲室14的进气口处设有第一电磁阀V1，气体缓冲室14的进气口通过第一电磁阀V1连接需检测的试样气体，该第一电磁阀V1用于控制气体缓冲室14与需检测的试样气体之间的气路连通和关闭。气体缓冲室14出气口处设有第二电磁阀V2，通过该第二电磁阀V2连接光声腔入气口6，第二电磁阀V2用于控制气体缓冲室14与光声腔入气口6之间的气路连通和关闭。

本装置还包含有真空泵15，光声腔出气口7的出气口通过气管连接真空泵15，该真空泵15用于抽气，将被测气体引入共振腔9内。同时通过设定真空泵15，将光声光谱系统13内流通的气体的限制流动速度范围设定在小于100ml/min。该真空泵15的进气口处设有第三电磁阀V3，控制真空泵15与共振腔9之间的气路连通和关闭。

数据收集放大模块包含有：与微音器8的输出端电路连接的前置放大器10，以及与该前置放大器10的输出端电路连接的锁相放大器11，锁相放大器11电路连接后续的处理设备（如：计算机）。该前置放大器10和锁相放大器11用于抑制干扰。微音器8将其检测信号传输至前置放大器10和锁相放大器11进行信号方法和抑制干扰。

本实用新型用于气体含量检测的光声光谱检测装置的工作原理如下：

打开气路的第二电磁阀V2、第一电磁阀V1和第三电磁阀V3，真空泵15抽气，使试样气体进入缓冲室14，并从缓冲室14通过光声腔入气口6导入到共振腔9中，当试样气体进入共振腔9后关闭第二电磁阀V2、第一电磁阀V1和第三电磁阀V3。然后采用光声光谱法测量气体的浓度，红外光源2发出红外光，经球面反射镜1后以平行光束经过调制盘3，调制盘3在步进电机12的带动下转动，平行光束由连续的被斩成断续的光束，断续的红外光束经过滤光盘4，该滤光盘4 在步进电机12的带动下转动，这一过程完成分光。被分离的断续红外光经窗片5射入到共振腔9中，用红外光源2发送的红外光的光脉冲辐射共振腔9中的样气。经调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反复激发共振腔9中试样气体的气体分子，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，从而在共振腔9中产生声波，通过微音器8收集检测其强度，并将声信号转变为电信号，传输至前置放大器10，电信号经前置放大器10和锁相放大器11后传输到计算机上面进行分析，准确测量各气体种类和浓度，也可以采用高精度数模转换器与DSP数据发送器采集该信号内的数据并储存。在一轮测试完毕后，在真空泵15的作用下将光声腔9中的废气排出。

尽管本实用新型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实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，该装置包含光源模块，设置在光源模块旁的光声腔模块，与光声腔模块电路连接的数据收集放大模块；

所述的光声腔模块包含：

光声光谱系统（13）；

设置在所述光声光谱系统（13）内的共振腔（9），其设置在所述光源模块所发出的光路上；

微音器（8），其紧密贴合所述共振腔（9）设置；

设置在光声光谱系统（13）侧壁上的窗片（5），其设置在所述光源模块所发出的光路上；

设置在光声光谱系统（13）侧壁上的光声腔入气口（6），其通过气管连接所述共振腔（9）的进气口；以及，

设置在光声光谱系统（13）侧壁上的光声腔出气口（7），其通过气管连接所述共振腔（9）的出气口。

2.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的光源模块包含依次设置在该光源模块所输出光路所在直线上的球面反射镜（1）、红外光源（2）、调制盘（3）、滤光盘（4）；该滤光盘（4）相对于所述的窗片（5）设置；

所述的调制盘（3）和滤光盘（4）分别电路连接有步进电机（12）。

3.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的数据收集放大模块包含与所述微音器（8）的输出端电路连接的前置放大器（10），以及与所述前置放大器（10）输出端电路连接的锁相放大器（11）；该锁相放大器（11）的输出端电路连接后续的处理设备。

4.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，该装置还包含有缓冲室（14），其出气口连接所述的光声腔入气口（6），该缓冲室（14）的进气口连接被测的试样气体。

5.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，该装置还包含有真空泵（15），其进气口连接所述的光声腔出气口（7）。

6.如权利要求4所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的缓冲室（14）的进气口与出气口处还分别设有若干电磁阀。

7.如权利要求4所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的真空泵（15）的进气口处还设有电磁阀。

8.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的光声腔入气口（6）和光声腔出气口（7）设置在光声光谱系统（13）上的声压波节处。

9.如权利要求1所述的用于气体含量检测的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的微音器（8）设置在共振腔（9）的波腹点。

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