CN217484253U

CN217484253U - 一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪

Info

Publication number: CN217484253U
Application number: CN202220968507.6U
Authority: CN
Inventors: 钱洪涛; 王栋煜; 包非凡; 裴祥宇; 徐正宁; 王志彬
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2032-04-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，系统分为光路系统、电路系统、气路系统。光路系统包括激光二极管、多模光纤组件、光声池和反射镜，实现激光与光声池高功率耦合；气路系统用于输入待测气体至光声池中；电路系统包括激光二极管控制系统、麦克风信号板、锁相放大器等，激光二极管控制系统周期性调制激光二极管强度，麦克风信号板置于光声池共振管上方采集光声信号，锁相放大器解调放大共振频率处的电信号，该信号大小与二氧化氮浓度成正比，实现了对二氧化氮的直接检测。本实用新型具有准确度高、成本较低、自动化程度高等特点。

Description

一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪

技术领域

本实用新型涉及环境监测仪器领域，尤其涉及一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪。

背景技术

二氧化氮是一种常见的大气污染物，是空气质量指数的重要指标之一，在大气中浓度过大会造成严重的光化学污染等。目前最普遍的大气二氧化氮监测方法是钼炉法，通过差量法计算间接得到二氧化氮浓度，结果易受其他含氮活性物质的影响。光声光谱法是一种直接测量痕量二氧化氮的方法，原理是利用二氧化氮特征吸收波长的可调制光源，周期性照射光声池中的待测样品，由于光声效应，气体将吸收的能量转换成同频率的声波，通过检测声信号强度得到二氧化氮浓度。这种方法检出限低、灵敏度高，同时能有效避免以钼炉法等间接法存在的测量误差。目前未有公开针对二氧化氮的光声光谱分析仪的专利，且其他光声光谱技术成本较高且尚未普及，尤其是光源和声传感器较为昂贵，亟需一种具备有效监测能力且成本较低的基于光声光谱法的二氧化氮分析仪。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足之处，本实用新型提出了一种经过合理设计、检测结果准确、成本相对较低的基于光声光谱技术的二氧化氮分析仪。

本实用新型为实现上述目的，采用了以下的技术方案：一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，包括光路系统、电路系统、气路系统；其中：

所述光路系统包括激光二极管、多模光纤组件、光声池和反射镜；所述光声池内部为H型空腔，水平部为共振管，两侧竖直部为分别为前缓冲室和后缓冲室；激光二极管与多模光纤组件连接；多模光纤组件与前缓冲室的窗口对准，用于传输激光二极管产生的激光送入光声池；所述反射镜放置在后缓冲室的窗口后，用于反射从后缓冲室出射的激光；即：激光经多模光纤组件准直后依次穿过前缓冲室、共振管、后缓冲室，经放置在光声池后的反射镜反射，加强共振管中激光强度。

所述气路系统包括进气管路、出气管路、质量流量计、针阀、抽气泵；进气管路与光声池前缓冲室连接，出气管路与光声池后缓冲室连接，质量流量计、针阀、抽气泵依次设置在出气管路上。所述电路系统包括激光二极管控制系统、麦克风信号板、锁相放大器、数据采集卡、LabVIEW上位机；LabVIEW上位机与数据采集卡连接，数据采集卡与锁相放大器、激光二极管控制系统连接，激光二极管控制系统与激光二极管连接，麦克风信号板放置在光声池共振管上方，与锁相放大器连接，激光二极管控制系统控制激光二极管的光强周期性变化。激光二极管控制系统控制激光二极管的电流与温度，麦克风信号板置于光声池共振管上方采集光声信号，锁相放大器解调放大共振频率处的电信号，LabVIEW上位机通过数据采集卡向激光二极管控制系统输入调制信号，接收锁相放大器信号，该信号大小与二氧化氮浓度成正比，实现了对二氧化氮的直接检测。

进一步地，所述光路系统的多模光纤组件包括多模光纤和多模光纤准直器，实现激光高功率耦合和准直。

进一步地，所述激光二极管的波长为450nm，为二氧化氮特征吸收峰。

进一步地，所述激光二极管的激光为多模光，实现高功率激光输出，增强光声信号。

进一步地，所述光声池两端的窗口采用O圈、窗口片密封。

进一步地，所述出气管路上设有质量流量计、针阀和抽气泵。

进一步地，进气管路上设有颗粒过滤器。

进一步地，激光二极管控制系统包括电流控制系统和温度控制系统。

进一步地，LabVIEW上位机控制数据采集卡，向激光二极管控制系统输入电压调制信号，该频率为光声池共振频率。

进一步地，麦克风信号板设置前置放大电路，用于采集光声信号并将其转为电信号。

进一步地，锁相放大器采集麦克风信号板输出的电信号，提取共振频率处的信号并放大。

进一步地，LabVIEW上位机控制数据采集卡，采集锁相放大器的输出信号，存储并分析，实时反馈二氧化氮浓度。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、采用激光二极管作为光源，相较于其他类型激光器降低了成本。

2、采用麦克风采集声波信号，相较于其他类型声传感器降低了成本。

3、采用LabVIEW上位机实现高精度光源调制，代替常规的斩波器，降低仪器复杂程度。

4、采用数据采集卡结合LabVIEW上位机实现参数控制和数据采集，操作方便、步骤简单、自动化程度高，满足外场大气观测与实验室使用需求。

5、采用多模光纤组件，实现高功率准直激光出射，增强光声信号。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的光声池结构示意图；

图中：1-光声池，2-后缓冲室，3-共振管，4-出气管路，5-进气管路，6-麦克风信号板，7-锁相放大器，8-数据采集卡，9-LabVIEW上位机，10-激光二极管控制系统，11-激光二极管，12-反射镜，13-颗粒过滤器，14-质量流量计，15-针阀，16-抽气泵，17-多模光纤组件，18-前缓冲室；19-光声池盖，20-小O圈，21-窗口片，22-垫片，23-窗口片盖，24-大O圈，25-卡套管接头，26-麦克风信号板盖，27-麦克风信号板O圈。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种基于光声光谱技术的二氧化氮分析仪，系统上分为光路系统、气路系统、电路系统。其中：

所述光路系统包括激光二极管11、多模光纤组件17、光声池1和反射镜12；激光二极管11出射激光为多模光，波长为450nm，为二氧化氮气体的一个特征吸收峰；多模光纤组件17包括多模光纤和多模光纤准直器，选择与激光二极管适配数值孔径与芯径的多模光纤，实现激光高功率耦合，与多模光纤适配的多模光纤准直器实现出射光准直；光声池1的结构如图2所示，内部为H型空腔，两侧竖直部分别为前缓冲室18和后缓冲室2，中间水平部为共振管3，前缓冲室18、后缓冲室2能减弱气体流动和光热效应的噪声，共振管3能实现光声耦合，增强光声效应；前缓冲室18和后缓冲室2均设有密封的透明窗口，前缓冲室18的窗口与多模光纤组件17对准，后缓冲室2窗口处放置反射镜12；前缓冲室18、后缓冲室2的密封结构如图2所示，由依次组装的光声池盖19、小O圈20、窗口片21、垫片22、窗口片盖23组合形成密封结构并保护窗口片，该结构再与大O圈24组合安装在前缓冲室18、后缓冲室2外侧，实现两端缓冲室的密封。

所述气路系统包括进气管路5、出气管路4、质量流量计14、针阀15、抽气泵16；进气管路5与光声池前缓冲室18连接，出气管路4与光声池后缓冲室2连接，如图2所示，光声池进气管路5、出气管路4通过卡套管接头25固定密封；质量流量计14、针阀15、抽气泵16依次设置在出气管路4上；质量流量计14测量气路流量，针阀15控制流量，抽气泵16用于进样。

进一步地，进气管路5设置颗粒过滤器13，防止颗粒物污染光声池1。

所述电路系统包括激光二极管控制系统10、麦克风信号板6、锁相放大器7、数据采集卡8、LabVIEW上位机9；其中，LabVIEW上位机9与数据采集卡8连接，数据采集卡8与锁相放大器7、激光二极管控制系统10连接，激光二极管控制系统10与激光二极管11连接，麦克风信号板6放置在光声池共振管3上方，与锁相放大器7连接，激光二极管控制系统10控制激光二极管11的光强周期性变化。具体地，如图2所示，共振管3上方设有细孔，用于麦克风信号板6接收光声信号，麦克风信号板盖26、麦克风信号板O圈27实现细孔处的密封。

本发明的工作过程为：激光二极管控制系统10包括电流控制系统和温度控制系统，电流控制系统实现激光二极管11的电流调制，温度控制系统将激光二极管11温度自动控制在安全范围；LabVIEW上位机9通过数据采集卡8向激光二极管控制系统10输入正弦电压调制信号，该信号频率为共振频率，激光二极管控制系统10实现激光二极管11的光强周期性变化；产生的激光经准直后依次通过前缓冲室18、共振管3、后缓冲室2，经反射镜12反射再次通过共振管3，增强光声效应；光声池3具有特定的共振频率，通过气路系统通入含一定浓度二氧化氮的气体，麦克风信号板6采集光声信号，并将该信号经前置放大电路转为电信号，锁相放大器7采集麦克风信号板6输出的信号，改变激光二极管11光强变化频率与锁相放大器7解调频率，选择解调频率为共振频率(最大信号的频率即为共振频率)，实现在噪声中提取所需信号，该信号大小与二氧化氮浓度成正比，数据采集卡8采集锁相放大器7的信号，LabVIEW上位机9实时存储采集信号，并反馈二氧化氮浓度，完成二氧化氮分析。

对于本领域的普通技术人员来说，在应用实施例的基础上经过简单的变形或改进后可探测二氧化氮之外的气体，或者搭建多光路同时探测两种及以上的气体。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：包括光路系统、电路系统和气路系统；

所述光路系统包括激光二极管、多模光纤组件、光声池和反射镜；所述光声池内部为H型空腔，水平部为共振管，两侧竖直部分别为前缓冲室和后缓冲室；激光二极管与多模光纤组件连接；多模光纤组件与前缓冲室的窗口对准，用于传输激光二极管产生的激光送入光声池；所述反射镜放置在后缓冲室的窗口后，用于反射从后缓冲室出射的激光；

所述气路系统包括进气管路、出气管路、质量流量计、针阀和抽气泵；进气管路与光声池前缓冲室连接，出气管路与光声池后缓冲室连接，质量流量计、针阀、抽气泵依次设置在出气管路上；

所述电路系统包括激光二极管控制系统、麦克风信号板、锁相放大器、数据采集卡和LabVIEW上位机；其中，LabVIEW上位机与数据采集卡连接，数据采集卡与锁相放大器、激光二极管控制系统连接，激光二极管控制系统与激光二极管连接，麦克风信号板放置在光声池共振管上方，与锁相放大器连接，激光二极管控制系统控制激光二极管的光强周期性变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：所述光路系统的多模光纤组件包括多模光纤和多模光纤准直器。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：所述光路系统的激光二极管的波长为450nm，该光为多模光。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：所述光声池两端的窗口采用O圈、窗口片密封。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：所述电路系统的激光二极管控制系统包括电流控制系统和温度控制系统。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光二极管的光声光谱二氧化氮分析仪，其特征在于：所述进气管路上设置有颗粒过滤器。