CN216309776U - 一种用于激光光声光谱波长校准设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于激光光声光谱波长校准设备及系统，光声池包括一个中空的腔室，前端透光片与中部透光片之间构成待测气体池，中部透光片与后端透光片之间构成标准气体池；激光器发出的激光依次通过前端透光片、待测气体池、中部透光片和标准气体池；待测气体池设有进气口和出气口，第一麦克风设置在待测气体池中，通过在一定波长的激光入射时采集第一麦克风的电信号换算待测气体的浓度；标准气体池中充满标准气体，第二麦克风设置在标准气体池中，通过在激光器扫描波长时采集第二麦克风的电信号确定激光器最佳工作波长从而实现波长校准。本实用新型解决了长时间工作激光器波长漂移的问题，保证设备长时间运行稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于光声光谱技术领域，具体涉及一种用于激光光声光谱波长校准设备及系统。
背景技术
光声光谱技术主要基于气体对特定波长的红外光具有吸收效应，是一种灵敏度非常高的检测技术。基于该技术的气体监测装置广泛用于变压器油中气体分析领域。
光声光谱目前成熟的商业化方案中，一个是近红外激光光声光谱，另一个是中红外宽谱光光声光谱。中红外宽谱光光声光谱采用的是机械调制，调制频率低，易收到温度变化、环境震动的影响。采用近红外激光光声光谱，其输出模式可受到外部电流调制器控制，输出波长则受到内部温控模块调节，光源调制稳定。且激光光源调制方式采用电学模式，可通过电路封装一体化等设计结构实现小型化。
然而，由于激光器的固有特性，在长时间工作后其输出波长会发生偏移，而远离最佳波长工作点。由于气体的吸收谱线半高宽十分狭窄，偏移的激光波长会极大削弱光声光谱效应，导致测量的不准确性和不可靠性。因此，光声光谱油中气体检测设备需要一种光源校准机制，保证长时间工作的稳定性。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种用于激光光声光谱波长校准设备及系统，保证设备长时间运行稳定性。
本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于激光光声光谱波长校准设备，包括光声池和麦克风，所述的光声池包括一个中空的腔室，腔室的前端、中部和后端分别设有与腔室密封连接的前端透光片、中部透光片和后端透光片，前端透光片与中部透光片之间构成待测气体池，中部透光片与后端透光片之间构成标准气体池；所述的麦克风包括第一麦克风和第二麦克风；其中，
外设的激光器发出的激光依次通过本装置的前端透光片、待测气体池、中部透光片和标准气体池；
待测气体池设有用于通待测气体的进气口和出气口，第一麦克风设置在待测气体池中，通过在一定波长的激光入射时采集第一麦克风的电信号换算待测气体的浓度；
标准气体池中充满标准气体，第二麦克风设置在标准气体池中，通过在激光器扫描波长时采集第二麦克风的电信号确定激光器最佳工作波长从而实现波长校准；所述的标准气体中包含与待测气体种类相同且浓度为已知高浓度的气体。
按上述装置，所述的标准气体池设有可拆卸封堵的通气口。
按上述装置，所述的待测气体池与标准气体池由两个结构相同的气体池密封拼接而成，待测气体池的进气口和出气口与待测气体连通，标准气体池的进气口和出气口密封。
按上述装置，所述的激光器为可直接调谐的近红外半导体激光器。
一种用于激光光声光谱波长校准系统，本系统包括激光器、数据处理控制器、以及所述的装置；其中，
数据处理控制器分别与激光器、第一麦克风和第二麦克风连接，用于在需要校准时控制激光器扫描波长、同时采集第二麦克风的电信号，获得光声信号强度与激光波长之间的关系，确定激光器最佳工作波长从而实现波长校准；还用于在测量待测气体时控制激光按照最后一次校准后的波长出光，同时采集第一麦克风的电信号换算气体浓度。
本实用新型的有益效果为：通过设置两个光声池，其中一个通标准气体用于波长校准，一个通待测气体用于检测，从而解决长时间工作激光器波长漂移的问题，保证设备长时间运行稳定性。
附图说明
图1为本实用新型一实施例的装置结构示意图。
图2为本实用新型一实施例的光声信号强度与波长之间的关系图。
图中：1-激光器，2-1-前端透光片，2-2-中部透光片，2-3-后端透光片，3-待测气体池，3-1-待测气体，4-标准气体池，4-1-标准气体，5-第一麦克风，6-第二麦克风，7-进气口，8-出气口。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本实用新型做进一步说明。
本实用新型提供一种用于激光光声光谱波长校准设备，如图1所示，包括光声池和麦克风，所述的光声池包括一个中空的腔室，腔室的前端、中部和后端分别设有与腔室密封连接的前端透光片2-1、中部透光片2-2和后端透光片2-3，前端透光片2-1与中部透光片2-2之间构成待测气体池3，中部透光片2-2与后端透光片2-3之间构成标准气体池4；所述的麦克风包括第一麦克风5和第二麦克风6。其中，外设的激光器1发出的激光依次通过前端透光片2-1、待测气体池3、中部透光片2-2和标准气体池4。
待测气体池3设有用于通待测气体的进气口7和出气口8，第一麦克风5设置在待测气体池3中，通过在一定波长的激光入射时采集第一麦克风5的电信号换算待测气体3-1的浓度。
标准气体池4中充满标准气体4-1，第二麦克风6设置在标准气体池4中，通过在激光器1扫描波长时采集第二麦克风6的电信号确定激光器1最佳工作波长从而实现波长校准。所述的标准气体中包含与待测气体种类相同且浓度为已知高浓度的气体。标准气体中所含待测类型气体的浓度越高，光声信号越强，越方便校准，但是不能是纯的目标气体，如果是纯的气体会发生信号畸变。因此，我们通常选取高浓度的标准气体。浓度具体的数值根据不同气体不一样，比如乙炔浓度高于50ppm为高浓度，而乙烷气体浓度高于4000ppm为高浓度，该数值可为预设值。标准气体也可以是混合气体，因为不同气体的光吸收波长不重叠，互相不干扰，冲入混合气方便检测多种气体波长校准。只要标准气体池里面包含高浓度待测气体即可。
进一步的，所述的标准气体池4设有可拆卸封堵的通气口，用于充入标准气体。这样一来，无论制备检测何种气体，装置部分的工艺均相同，只要针对目标气体进行填充对应的高浓度标准气体即可。
为了工艺便利，所述的待测气体池3与标准气体池4由两个结构相同的气体池利用透光片密封后拼接而成，待测气体池3的进气口7和出气口8与待测气体3-1连通，标准气体池4的进气口和出气口密封，仅用于充入标准气体。
所述的激光器1为可直接调谐的近红外半导体激光器。
一种用于激光光声光谱波长校准系统，包括数据处理控制器，以及所述的装置；其中，数据处理控制器分别与激光器1、第一麦克风5和第二麦克风6连接，用于在需要校准时控制激光器1扫描波长、同时采集第二麦克风6的电信号，获得光声信号强度与激光波长之间的关系，确定激光器1最佳工作波长从而实现波长校准；还用于在测量待测气体3-1时控制激光按照最后一次校准后的波长出光，同时采集第一麦克风5的电信号换算气体浓度。为了监测方便，所述的第一麦克风5和第二麦克风6设置在同一侧。
一种利用所述的一种用于激光光声光谱波长校准系统实现的气体监测方法，本方法包括：在测量待测气体前，或其它需要波长校准时，用激光器1扫描波长，通过第二麦克风6获得光声信号强度与波长之间的关系，随后确定激光器1最佳工作波长，实现波长校准；在测量待测气体3-1时，激光器1发出一定波长的激光入射进入待测气体池3，采集第一麦克风5的电信号换算气体浓度。
本实用新型装置体积小，制造成本低，且具备自校准功能，解决长时间工作激光器波长漂移的问题，保证设备长时间运行稳定性。
以检测气体乙炔为例，在实际测量之前，通过激光器扫描光波长，第二麦克风6获取乙炔气体的光声信号强度，得到光声信号强度与激光工作波长关系，如图2所示，从而确定激光器最佳工作波长，实现校准。在正式进行待测气体测量时，调整激光器波长为最佳工作点，从而解决长时间工作激光器波长漂移问题。
补充说明：以乙炔气体为例，如果激光器偏移最佳工作波长点0.01nm，信号强度会下降3.5%；如果偏移0.05nm，则信号强度下降66.2%。所以光波长校准非常重要。
以上实施例仅用于说明本实用新型的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，本实用新型的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本实用新型所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于激光光声光谱波长校准设备，包括光声池和麦克风，其特征在于：所述的光声池包括一个中空的腔室，腔室的前端、中部和后端分别设有与腔室密封连接的前端透光片、中部透光片和后端透光片，前端透光片与中部透光片之间构成待测气体池，中部透光片与后端透光片之间构成标准气体池；所述的麦克风包括第一麦克风和第二麦克风；其中，
外设的激光器发出的激光依次通过本装置的前端透光片、待测气体池、中部透光片和标准气体池；
待测气体池设有用于通待测气体的进气口和出气口，第一麦克风设置在待测气体池中，通过在一定波长的激光入射时采集第一麦克风的电信号换算待测气体的浓度；
标准气体池中充满标准气体，第二麦克风设置在标准气体池中，通过在激光器扫描波长时采集第二麦克风的电信号确定激光器最佳工作波长从而实现波长校准；所述的标准气体中包含与待测气体种类相同且浓度为已知高浓度的气体。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光光声光谱波长校准设备，其特征在于：所述的标准气体池设有可拆卸封堵的通气口。
3.根据权利要求2所述的一种用于激光光声光谱波长校准设备，其特征在于：所述的待测气体池与标准气体池由两个结构相同的气体池密封拼接而成，待测气体池的进气口和出气口与待测气体连通，标准气体池的进气口和出气口密封。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光光声光谱波长校准设备，其特征在于：所述的激光器为可直接调谐的近红外半导体激光器。
5.一种用于激光光声光谱波长校准系统，其特征在于：本系统包括激光器、数据处理控制器、以及权利要求1至4中任意一项所述的一种用于激光光声光谱波长校准设备；其中，数据处理控制器分别与激光器、第一麦克风和第二麦克风连接，用于在需要校准时控制激光器扫描波长、同时采集第二麦克风的电信号，获得光声信号强度与激光波长之间的关系，确定激光器最佳工作波长从而实现波长校准；还用于在测量待测气体时控制激光按照最后一次校准后的波长出光，同时采集第一麦克风的电信号换算气体浓度。
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