CN101813618A - 基于光声效应的多种气体同时检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光声效应的多种气体同时检测装置，包括：一第一电源和一第二电源；一第一光源和一第二光源，该第一光源和第二光源的输入端分别与第一电源和一第二电源连接；一气室，该气室接收第一光源和第二光源的入射光，在该气室中放置有一话筒；一前置放大器，该前置放大器接收话筒的信号；一计算机，该计算机对前置放大器的信号进行单频幅值提取，单频幅值与气体浓度直接相关。

Description

基于光声效应的多种气体同时检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及多种气体检测装置，它解决了以往的测量耗时长、反应不灵敏、操作复杂、设备维护繁琐的问题，特别是提供一种基于光声效应的多种气体同时检测装置及检测方法。

背景技术

现有的检测仪种类很多，原理可分为：定电位电解法、碘量法、电导率法。定电位电解法中使用的电化学传感器寿命通常为两年，无论使用与否必须更换，而该传感器是国外产品，价格昂贵。电导率法、碘量法在使用前必须配置各自必须的电导液、碘标准液，故使用不方便。

国际上也做过以光声效应为基础的多种气体检测的工作，典型的是2008年美国加利福尼亚大学制作的多种气体检测装置。他们用多个光源，但是在进行气体检测时是通过一个电源依次向单个光源供电(也就是说每次只有一个光源发光)，光束通过透镜汇聚和斩波器调制后进入气室，产生的光声信号经锁相处理后传输给电脑，得到一种气体的浓度，然后使电源给下一个光源供电，重复以上过程，逐一得到各种气体浓度。这种方法虽然实现了多种气体检测，但是***比较复杂，造价昂贵，而且存在测量时间长的缺点。而本发明是多个光源同时供电，同时测量，一次数据处理得到多种气体浓度。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种基于光声效应的多种气体同时检测装置及检测方法，其是基于光声效应的多种气体同时检测方法，它解决了以往的测量浓度耗时长、反应不灵敏、操作复杂、设备维护繁琐的问题。

本发明提供一种基于光声效应的多种气体同时检测装置，包括：

一第一电源和一第二电源；

一第一光源和一第二光源，该第一光源和第二光源的输入端分别与第一电源和一第二电源连接；

一气室，该气室接收第一光源和第二光源的入射光，在该气室中放置有一话筒；

一前置放大器，该前置放大器接收话筒的信号；

一计算机，该计算机对前置放大器的信号进行单频幅值提取，单频幅值与气体浓度直接相关。

其中所述话筒的数量为1-2个。

其中话筒为高灵敏度话筒。

其中气室包括：两个圆柱形平行的钢管，该钢管两端分别由两细管连接，在细管的中间分别开有进气口和出气口，在两个圆柱形平行的钢管的一端分别开有窗口。

其中气室中的钢管的中间分别开有圆孔，用于放置话筒。

本发明还提供一种基于光声效应的多种气体同时检测方法，该方法使用权利要求1所述的检测装置，包括如下步骤：

步骤1：启动第一、第二电源，同时驱动第一、第二光源发射不同频率调制光，该调制光经气室的窗口进入气室，使气室中的气体分子吸收此波长的调制光，并通过无辐射跃迁的形式把能量释放出来，使气体温度升高气压增大，调制光产生周期性的气压变化，进而产生声信号；

步骤2：气室中产生的声信号由气室中的话筒转化为电信号之后并经前置放大器放大；

步骤3：经前置放大器放大的电信号输入计算机，计算机进行单频幅值提取；

其中在较低浓度时，单频幅值与气体浓度的关系，根据公式：

U＝R_c×R_M×W₀×c×K    (1)

其中U是测量的电压值，R_c是气室的响应，R_M是话筒的灵敏度，W₀是激光器的平均功率，c是待测气体浓度，K是待测气体的吸收系数。

其中确定公式(1)中的比例系数时，令α＝R_c×R_M×W₀×K，用标准浓度c₀气体进行测量，得到U₀的电信号，从U₀＝α×c₀得到α值，之后测量中U与浓度c 成正比例函数关系。

其中所述的光源和电源的数量对应，该光源和电源的数量为2-8对。

其中各电源产生的脉冲频率为不相同。

附图说明

为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实例及附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的检测装置示意图；

图2为激光器光谱及其对应的气体分子吸收强度谱；

图3为气体检测结果样图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种基于光声效应的多种气体同时检测装置，包括：

一第一电源1和一第二电源2，两电源均产生矩形脉冲电压信号，但是频率不相同，电源的工作频率取决于气室的共振频率；

一第一光源3和一第二光源4，该第一光源3和第二光源4的输入端分别与第一电源1和第二电源2连接，光源应该选择光谱范围窄且工作时波长漂移小的，以免其它气体也产生光声信号，使待测气体的浓度值偏大，此外光源的发散角应尽量小；

一气室5，该气室5接收第一光源3和第二光源4的调制光，其中气室5包括：两个圆形的BaF₂材料的窗口51，两个圆柱形平行的钢管52，钢管52的中间开有圆孔56，钢管52两端分别由细管53连接，在细管53的中间分别开有进气口54和出气口55；

话筒6，该话筒6置于气室5中的圆孔56处并密封，所述话筒6的数量为1-2个，其中话筒6为高灵敏度话筒，在选择话筒是两个参数至关重要：1.灵敏度，话筒的灵敏度越高，同样强度声信号会产生比较大的电信号，探测装置的整体灵敏度同样会提高，2.信噪比，话筒在进行声电转换时不可避免的会引入噪声，信噪比越高，相当于噪声对有效信号的干扰越小，探测装置的灵敏度也会提高；

一前置放大器7，该前置放大器7接收话筒6的信号，并对电信号进行放大；

一计算机8，该计算机8中的声卡起到关键性作用，其对前置放大器7的信号进行单频幅值提取，单频幅值与气体浓度直接相关。

请结合参阅图1所示，本发明提供一种基于光声效应的多种气体同时检测方法，该方法使用前述的检测装置，包括如下步骤：

步骤1：启动第一、第二电源1、2，同时驱动第一、第二光源3、4发射不同频率调制光，该调制光经气室5的窗口51进入气室5，使气室5中的气体分子吸收此波长的调制光，并通过无辐射跃迁的形式把能量释放出来，使气体温度升高气压增大，调制光产生周期性的气压变化，进而产生声信号；各电源产生的脉冲电压频率为不相同；所述的光源和电源的数量对应，该光源和电源的数量为2-8对(本实施例为2对)；

步骤2：气室5中产生的声信号由气室5中的话筒6转化为电信号之后并经前置放大器7放大；

步骤3：经前置放大器7放大的电信号输入计算机8，计算机8进行单频幅值提取；

其中在较低浓度时，单频幅值与气体浓度的关系，根据公式：

U＝R_c×R_M×W₀×c×K    (1)

其中U是测量的电压值，R_c是气室的响应，R_M是话筒的灵敏度，W₀是激光器的平均功率，c是待测气体浓度，K是待测气体的吸收系数。

其中确定公式(1)中的比例系数时，令α＝R_c×R_M×W₀×K，用标准浓度c₀气体进行测量，得到U₀的电信号，从U₀＝α×c₀得到α，之后测量中U与浓度c成正比例函数关系。

图2给出了第一光源3和第二光源4的光谱分别为12和11及其对应的SO₂和CO气体的吸收谱分别为10和9。

图3给出了以SO₂和CO为探测气体的实验测量结果，13为SO₂的峰，14的为CO的峰。

下面通过实施实例来具体说明测量步骤：

将各部件按照图1所示连接，一般的技术人员都能完成以上操作。

第一光源1和第二光源2发出的激光通过气室窗口51进入气室5，气室5内的相应气体分子吸收激光并通过无辐射跃迁的方式把能量释放产生声波，高灵敏度话筒6的型号为

NT5，前置放大器7选用ICON公司的NEOPreAmp低噪声前置放大器，通过话筒将声信号转换为电信号传输给计算机8，经过计算机声卡进行模数转换和单频信号信息提取，包括其频率和幅值，并由计算机8对数据进行储存和显示。

本发明的工作过程为：

打开光源电源、前置放大器电源和计算机电源；

待测气体进入气室；

通过计算机设定声卡采集数据的参数；

给光源供电，ls钟后开始采集程序；

数秒后，程序自动停止，同时计算机对数据进行处理，计算出待测气体浓度值并保存数据；

关闭各个设备电源，测量结束。

本检测方法与现有的检测方法相比具有如下优点：

检测灵敏度高；

便于维护；

电源和气室易于集成，使用方便；

光源选用了先进的半导体激光器，光谱窄，体积小，便于集成和实用；

对于多种气体同时测量同时分析，大大减少了测量时间。

实施例

选用自制的量子级联激光器作为第一和第二光源，其波长分别为7.36微米和4.6微米，与其它光源相比，量子级联激光器具有以下优点：1.体积小，不需要复杂的装置就可以实现多束不同波长激光从同一个气室窗口入射进气室；2.光谱范围窄，在检测时光不易被其它气体吸收而产生干扰信号；3.可选波长范围广，量子级联激光器在制作过程中通过工艺参数的调节，可以覆盖多种气体的中红外吸收峰，所以应用前景广阔。

第一电源1产生220Hz的脉冲电压驱动第一光源3发光，同时，第二电源2产生324Hz的脉冲电压驱动第二光源4发光，气室5中的SO₂吸收波长为7.36微米的调制光产生220Hz的声信号，气室5中的CO吸收波长为4.6微米的光产生324Hz的声信号，经过一系列处理，计算机8显示出频率为220Hz和324Hz的信号幅值，两个幅值分别与SO₂和CO的浓度相关。

本发明是基于光声效应实现对气体浓度的检测，在测量过程中不会对待测气体浓度造成任何影响，在实验装置中不需要液体，使装置的可靠性得到改善。早在1880年，Bell首先在固体中观察到光声转换现象，并在给美国科学进展协会的报告中描述了有关试验结果，称这种光声转换的物理现象为光声效应。光声效应是用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号。由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小。

在探测气体浓度较低时，光声效应的强度由如下公式决定：

U＝R_c×R_M×W₀×c×K

其中U是测量的电压值，R_c是气室的响应，R_M是话筒的灵敏度，W₀是激光器的平均功率，c是待测气体浓度，K是待测气体的吸收系数。

气室的响应是气室本身的性质，一旦腔室结构固定，响应就是定值；话筒的灵敏度当然是越高越好，但实际应用中应该考虑成本问题；气体的吸收系数在一定温度范围内变化微乎其微，可以忽略；所以最终对检测精度影响最大的是激光器的平均功率，激光器峰值功率和占空比都与平均功率成线性关系，因此激光器的性能对检测灵敏度有直接影响。所以我们今后的研究重点将放在激光器性能的提高，来进一步提高检测极限。

另外，一些其他的方法也可以进一步提高光声效应的检测灵敏度：

可以通过延长光束在气室内的光程来提高光声效应强度，例如怀特池，可以将光程增加到原来的几十倍，相应的声信号强度也同比增大几十倍；

对于发散角大的光源，可以在光源前面加一个透镜使光束变为平行光进入气室，这样可以提高光能量的利用率；

可以选用灵敏度更高的话筒，同样的声信号在转化成电信号时将更大；

普通计算机自带的声卡都是16位的，利用它来进行数据处理是足够的；如果采用24位甚至更高位数的声卡或者专业的数据采集卡，当然会大幅度提高检测灵敏度；也可以采用两个及以上的独立的锁相放大器(或者与其类似的装置)来分别采集不同频率的信号幅值，但这样，设备成本将大幅提高；

气室有自身的共振频率，当激光器的激发频率与这个频率相同时声信号将产生最大值，与共振频率偏差越大，声信号越弱，因此在进行多种气体检测时，多个激光器的激发频率应该在可分辨的前提下，在气室的共振频率为中心向两边均匀分布。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光声效应的多种气体同时检测装置，包括：

一第一电源和一第二电源；

一第一光源和一第二光源，该第一光源和第二光源的输入端分别与第一电源和一第二电源连接；

一气室，该气室接收第一光源和第二光源的入射光，在该气室中放置有话筒；

一前置放大器，该前置放大器接收话筒的信号；

一计算机，该计算机对前置放大器的信号进行单频幅值提取，单频幅值与气体浓度直接相关。

2.根据权利要求1所述的基于光声效应的多种气体同时检测装置，其中所述话筒的数量为1-2个。

3.根据权利要求1或2所述的基于光声效应的多种气体同时检测装置，其中话筒为高灵敏度话筒。

4.根据权利要求1所述的基于光声效应的多种气体同时检测装置，其中气室包括：两个圆柱形平行的钢管，该钢管两端分别由两细管连接，在细管的中间分别开有进气口和出气口，在两个圆柱形平行的钢管的一端分别开有窗口。

5.根据权利要求1或4所述的基于光声效应的多种气体同时检测装置，其中气室中的钢管的中间分别开有圆孔，用于放置话筒。

6.一种基于光声效应的多种气体同时检测方法，该方法使用权利要求1所述的检测装置，包括如下步骤：

步骤1：启动第一、第二电源，同时驱动第一、第二光源发射不同频率调制光，该调制光经气室的窗口进入气室，使气室中的气体分子吸收此波长的调制光，并通过无辐射跃迁的形式把能量释放出来，使气体温度升高气压增大，调制光产生周期性的气压变化，进而产生声信号；

步骤2：气室中产生的声信号由气室中的话筒转化为电信号之后并经前置放大器放大；

步骤3：经前置放大器放大的电信号输入计算机，计算机进行单频幅值提取；

其中在较低浓度时，单频幅值与气体浓度的关系，根据公式：

U＝R_c×R_A4×W₀×c×K                    (1)

其中U是测量的电压值，R_c是气室的响应，R_M是话筒的灵敏度，W₀是激光器的平均功率，c是待测气体浓度，K是待测气体的吸收系数。

7.根据权利要求6所述的基于光声效应的多种气体同时检测方法，其中确定公式(1)中的比例系数时，令α＝R_c×R_M×W₀×K，用标准浓度c₀气体进行测量，得到U₀的电信号，从U₀＝α×c₀得到α值，之后测量中U与浓度c成正比例函数关系。

8.根据权利要求6所述的基于光声效应的多种气体同时检测方法，其中所述的光源和电源的数量对应，该光源和电源的数量为2-8对。

9.根据权利要求6或8所述的基于光声效应的多种气体同时检测方法，其中各电源产生的脉冲频率为不相同。

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