本发明专利技术公开了一种光声光谱痕量气体测量装置和方法，利用双谐振腔结构的光声池进行测量，两个谐振腔长度和半径均有差异，但谐振频率相同。同一种待测气体从光声池两端的缓冲气室进入，从两谐振腔中间的缓冲气室流出。两个谐振腔的差分共振光声信号来间接测量气体浓度，可以明显的减弱固体光声效应引起的相关噪声的影响，提高光声信号的探测信噪比，从而进一步提高痕量气体的探测极限。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体浓度测量系统领域，具体是一种光声光谱痕量气体测量装置和方 法。
技术介绍
光谱探测技术分为发射光谱技术和吸收光谱技术，光声光谱（photo-acoustic spectroscopy)和差分吸收光谱技术（DOAS) -样，属于吸收光谱技术，是间接吸收光谱技 术的一种。光声光谱的特点是具有高的灵敏度和选择特性，是一种重要的极限检测方法。 光声光谱技术的基本原理是基于光声效应，即当一束与待测气体吸收频率接近的 光断续地照射一个密闭容器内的气体时，容器内会有声波产生，这一现象叫气体的光声效 应。当光线待测气体分子或者原子吸收处于共振频率的光时，气体分子处于激发态。受激 分子与周围基态分子相互作用或者自身弛豫，由激发态跃迀回基态，多余能量以无辐射跃 迀变为热量。热量辐射出来以后，变为气体内能（正比于温度）。一个密闭空间内的气体温 度变化引起压强变化。如果对入射光进行周期性的调制（波长调制或者光强度周期调制）， 则可引起气压周期性变化，如果调制频率在声频附近，则产生声压，声压强度正比于气体 浓度。用探测器检测声波可间接测出气体浓度。 传统光声光谱检测系统包括光源，调制装置，光声池，传声器，解调装置等，如图1 所示。斩波器在一定频率下对光源光强进行调制，调制后的光线入射到光声池中，调制光的 波长处于被待测气体强烈吸收的波段，引起待测气体周期性的吸收光并产生弛豫，产生光 声信号。当经过优化设计后的光声池的某一阶谐振频率与光源调制频率相等时，即发生共 振，光声信号被增益。利用一个灵敏的麦克风对光声信号进行探测，再经过前置放大后，利 用锁相放大器进行探测。测出的光声信号正比于待测气体浓度，这样就可以间接测出气体 浓度。光源，光声池和传声器是整个系统的核心器件。 如图2所示，光声光谱仪所用光源分相干光源和非相干光源，探测单种气体，多用 激光，单色性好，强度高。探测多种气体时，用非相干光源+滤光片+单色仪实现波长选择。 光声池分共振光声池和非共振光声池，非共振光声池结构简单，体积小，造价低，但测量极 限不如共振模式。当入射光的调制频率和光声池的某一阶简正模式的共振频率相等时，即 可对光声信号进行增益放大，此时光声池工作于共振模式。对光声信号的增益用光声腔的 Q值表示。由于光声信号一般都很弱，容易淹没于噪声信号中，现在对痕量气体的探测普遍 采用一阶纵向共振光声池以提高信噪比。 如图3所示，软边界光声共振腔是直径10-20mm，长度为IOOmrn左右的圆柱形腔。 这种腔可以形成一阶纵波共振模式，振动频率为v/2L，V是声速，L是有效腔长。一阶纵波 共振模式振荡时，驻波的波幅在腔长的中心处，腔两端位置为波节。 由于待测气体往往是痕量气体，光声信号往往非常微弱，甚至淹没在背景噪声中。 气体光声光谱系统中的噪声可以分为相关噪声和非相关噪声两大类，利用锁相放大技术可 以有效的抑制非相关噪声，但是相关噪声由于和光声信号同频率，目前仍然是影响系统极 限检测灵敏度的主要因素。相关噪声主要包括斩波器噪声，窗片和池壁吸收产生的噪声。一 般相关噪声比非相关噪声大得多，当相关噪声得到较好的抑制时非相关噪声才得以显现。 研究人员已经采用了很多措施来抑制噪声，提高信噪比，比如：腔体用导热率较好的金属材 料制成（如黄铜），降低固体光声效应的影响。共振腔的两端各有一个气体缓冲气室用以消 除窗片吸收光能。缓冲气室长度为共振腔的一半，半径为共振腔半径的三倍以上（经检验 这样噪音隔离效果最好）。两个进出光的窗片采用布儒斯特角放置，且放置于驻波声场的波 节处，这样使产生的窗片吸收噪声最小。进出气口位于驻波声场的波节处以减小涡流噪声。 但是，尽管采用了如上的降噪方案，由于麦克风的宽带响应特性，仍然难以根本性 的消除噪声的影响。相关噪声中，尤其是窗片和池壁吸收产生的噪声是主要噪声。其机理 是源于固体光声效应。窗片和池壁受强度调制的激发光而被交变加热，部分热能通过热传 导方式仍然对相关噪声是影响系统极限检测灵敏度的主要因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，以解决现有技术基 于光声池的气体浓度测量装置存在窗片和池壁吸收产生的噪声的问题。 为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为： 一种光声光谱痕量气体测量装置，包括有光源、光声池、斩波器、前置放大器、锁相 放大器、数字信号处理单元、光功率计，其特征在于：所述光声池的内腔由两个光声腔同轴 连通构成，在光声池内形成与光声池同轴并分别位于光声池内前、后端及中间位置的三个 缓冲气室，以及与光声池同轴且连通相邻缓冲气室的两个一阶纵向共振谐振腔，两谐振腔 长度和半径不同，但具有相同的谐振频率，光声池池壁中设置有分别同向垂直连通至谐振 腔中间点处的声孔，声孔内分别设置有传声器，光声池池壁中还设置有分别与前、后端缓冲 气室内连通的进气口，以及分别与中间缓冲室内连通的出气口，所述光源出射光经过斩波 器入射至光声池，在光声池中经过三个缓冲气室和两个谐振腔后，从光声池出射至光功率 计，待测气体从光声池进气口进入光声池后，再从出气口流出光声池，光声池声孔中的传声 器信号输出端与前置放大器输入端连接，前置放大器输出端与锁相放大器输入端连接，锁 相放大器输出端与数字信号处理单元输入端连接。 -种光声光谱痕量气体测量方法，其特征在于：光源的激励光经过斩波器调制后 入射到光声池，在光声池内依次经过前端的缓冲气室、第一个谐振腔、中间的缓冲气室、第 二个谐振腔、后端的缓冲气室后出射至光功率计，同时待测气体从光声池进气口分别进入 光声池内前、后端的缓冲气室后，分别经过两谐振腔进入中间的缓冲气室，最后待测气体从 出气口流出光声池，斩波器在一定频率下对激励光光强进行调制，调制光的波长处于被待 测气体强烈吸收的波段，引起待测气体周期性的吸收光并产生弛豫，从而产生光声信号； 当光束调制频率与谐振腔的一阶共振简正模式的谐振频率达到一致时，两个谐振 腔同时共振，此时利用传声器采集两个谐振腔中光声信号驻波声场的波腹，即谐振腔中间 位置的声场，传声器采集的两个共振信号的差分放大信号与待测气体浓度成正比； 传声器将采集的两个共振信号依次通过前置放大器、锁相放大器放大处理后送入 数字信号处理单元处理，得到差分放大信号，进而可得到待测气体浓度。 本专利技术是基于一阶纵向共振光声光谱技术，利用同一被调制的激励光源通过相同 共振频率的双谐振腔设计，两个谐振腔长度和半径均有差异，但谐振频率相同。待测气体从 光声池两端的缓冲气室进入，从中间的缓冲气室流出。通过探测两个谐振腔的差分共振光 声信号来间接测量气体浓度，可以明显的减弱固体光声效应引起的相关噪声的影响，提高 光声信号的探测信噪比，从而进一步提高痕量气体的探测极限。【附图说明】 图1为光声光谱检测痕量气体装置结构原理图。 图2为现有技术纵向共振光声池剖面图。 图3为一阶纵向共振光声池中驻波声场的形成不意图。 图4为本专利技术光声池结构示意图。【具体实施方当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光声光谱痕量气体测量装置，包括有光源、光声池、斩波器、前置放大器、锁相放大器、数字信号处理单元、光功率计，其特征在于：所述光声池的内腔由两个光声腔同轴连通构成，在光声池内形成与光声池同轴并分别位于光声池内前、后端及中间位置的三个缓冲气室，以及与光声池同轴且连通相邻缓冲气室的两个一阶纵向共振谐振腔，两谐振腔长度和半径不同，但具有相同的谐振频率，光声池池壁中设置有分别同向垂直连通至谐振腔中间点处的声孔，声孔内分别设置有传声器，光声池池壁中还设置有分别与前、后端缓冲气室内连通的进气口，以及分别与中间缓冲室内连通的出气口，所述光源出射光经过斩波器入射至光声池，在光声池中经过三个缓冲气室和两个谐振腔后，从光声池出射至光功率计，待测气体从光声池进气口进入光声池后，再从出气口流出光声池，光声池声孔中的传声器信号输出端与前置放大器输入端连接，前置放大器输出端与锁相放大器输入端连接，锁相放大器输出端与数字信号处理单元输入端连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋，
申请(专利权)人：安徽皖仪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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