CN104458634A - 一种用于气体检测的脉冲式多通道光声光谱装置 - Google Patents

Abstract

一种用于气体检测的脉冲式多通道光声光谱装置，主要包括光源模块、光声信号产生模块和控制及信号处理模块。在控制及信号处理模块产生的电脉冲调制下光源模块中红外光源发射脉冲光束，经由抛物面反光镜反射后形成平行光束，然后入射至光声信号产生模块。光声信号产生模块包含有若干个圆柱形光声腔，光声腔的轴心围绕光源模块的光轴呈圆周阵列分布，使得射入每个光声腔的光强相等。光声腔的入光孔处安装有滤光片，出光孔处安装有反光镜。每个光声腔对应的光声传感器安装于光声腔室中部，产生的光声信号经信号线缆传输至控制及信号处理模块，计算各气体的浓度值。

Description

一种用于气体检测的脉冲式多通道光声光谱装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种脉冲控制的多通道光声光谱检测装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力***中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测等等。目前，较为常见的用于气体检测的方法主要包括：气敏传感器法、红外吸收光谱法、色谱法、光声光谱法等。其中气敏传感器法检测的精度较低，且对混合气体易产生交叉干扰，红外吸收光谱法需要的气样量大，且精度低；色谱法需要载气增加了维护量，对于在线监测不太适用。

光声光谱检测方法基于气体的光声效应，其机理是气体分子吸收特定波长的光能后，随即以无辐射跃迁的方式退激，释放出的热能使气体在封闭的腔室里产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例关系，然后加以改变进入光声池中的光的波长，就可以检测不同气体组分的浓度值，是一种高精度的检测方法。

然而现阶段的光声光谱气体检测装置也存在分离元件多等缺点，如存在机械式的斩光器、旋转式的滤光片盘，不利于现场使用；如专利200680024392.9“光声光谱仪设备”采用旋转的机械斩波器调制光源，采用旋转的机械式滤光片盘调换滤光片；此外目前的设备只有一个光声腔，在检测中需要选择不同滤光片对待测混合气体中的不同成分逐一检测，所需时间较长，同时对于不能稳定存在的气体成分难以检测。此外，目前的光声光谱气体检测装置由于光源、斩光器、滤光片盘等的限制，还存在体积庞大的缺点，无法作为传感器与多通道的微机电***(MEMS)组合应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种脉冲控制的气体多通道光声光谱检测装置。本发明结构简单紧凑、无机械转动部件，稳定性好，可用于对多种气体组分进行浓度值检测。

光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

本发明用于气体检测的脉冲式多通道光声光谱装置，主要包括光源模块、光声信号产生模块和控制及信号处理模块。

所述光声信号产生模块安装在光源模块之后，使得光源模块产生的光束垂直的射入光声信号产生模块，光束的中心线与光声信号产生模块的中心线同轴；所述控制及信号处理模块与光声信号产生模块、光源模块有电连接，用来控制光源信号产生模块和光源模块。

所述的光源模块包括红外热光源和抛物面反光镜。红外热光源位于抛物面反光镜的焦点处，红外热光源产生的光经抛物面反光镜反射后形成平行光束，然后入射到光声信号产生模块中光声池的光声腔中。所述抛物面反光镜上镀有一层金属膜，以增大红外波段的光辐射反射率。由于光束照射在光声腔壁上会增加背景噪声降低***的信噪比，而光束的发散角直接影响照射在光声腔壁上光的照射度，根据光学器件的展光度原理，压缩光束发散角，需要增大光束的直径，这就要求抛物面反光镜的直径增大；而另一方面光声腔中气体吸收光能后产生的压力波随光声腔体积增大而减小，并且光声腔体积的增大也进一步增加了待测样品的体积。因此，本发明采用大口径抛物面反光镜以增大光束直径，同时采用多通道光声腔以减小光声腔体积。所述红外热光源采用电脉冲进行光调制，在控制及信号处理模块产生的电脉冲调制下发射脉冲光束，同时电脉冲传输至控制及信号处理模块中的锁相放大器作为参考信号。

光声信号产生模块包括光声池和微音器。所述光声池由两个或多个圆柱形光声腔，以及每个光声腔上安装的滤光片组成。所述光声腔的轴心围绕光源模块的中心光轴呈圆周阵列分布。光声腔的数量由待检测的气体种类来决定。每个光声腔相对光轴呈对称分布，使得接收到的光强相等，且光束与光声腔中轴线平行。所述光声腔的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口。所述的入光口处安装有滤光片，所述的出光口安装有出光口抛物面反光镜。每个光声腔入光口上装设的滤光片可以通过不同波长的光束，即每个光声腔分别用于检测不同的气体。所述每个光声腔的中部位置都装设有微音器。所述微音器的接收面的轴心垂直于光声腔的侧壁。所述出光口抛物面反光镜的焦点在光声腔的几何中心处，使由出光孔射出的平行红外光反射回光声腔，并汇聚于光声腔的几何中心处。所述出光口抛物面反光镜的直径大于光声腔的直径，以减少抛物反射镜面边界处对光束的杂散反射。

特别地，因为气样中待检测气体存在交叉影响，按照传统的检测方式，测定完成一种吸收波段的光声信号后，再改变光的波长进行检测，两个信号通过算法来求解出存在交叉干扰的每种气体的浓度值。而实际上所述两次检测时的气体成分有可能已经发生变化，这种求解存在着明显的误差；本发明利用多个光声腔，每个光声腔的入口端利用滤光片作为窗片，同时对多波段信号进行检测，可以降低误差。

每个所述的光声腔轴向两端都开有进气口和出气口，位于垂直于每个光声腔轴向的侧壁上，可以设定相邻光声腔的进气口与出气口分别相连，使得整个光声信号产生模块对外部只有一个总进气口和总出气口；也可以是某个或某几个光声腔的进气口和出气口相连，而其余几个光声腔的进气口和出气口相连，以分别检测不同的气体；如部分光声腔可用于背景检测，可以通入背景载气，如空气、氮气或SF6等其他背景气，其输出的光声信号可以用以检测探测器的稳定性以及周边环境温度的变化等，另一部分光声腔用于检测样品气体的组分含量。

所述的控制及信号处理模块包括锁相放大器及DSP控制板，其中锁相放大器有多个信号输入通道，每个信号输入通道通过信号线缆连接至微音器。产生的光声信号经DSP进行处理，计算得到各气体的浓度值。本发明可以同时对待检测气样中的多种组分进行检测，并可进行背景差分、交叉分析等处理，有效缩短了检测时间，提高了检测精度。无机械旋转器件，寿命和稳定性。

所述微音器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为1mHz～102.4kHz，灵敏度为2nV～1V，增益精确度为±1％，动态存储>100dB，具有GPIB和RS232两种接口。

本发明比较传统红外光源使用的机械斩波器有着频率稳定、参考信号无相位频移等优点，同时不需要滤光片盘，较少了旋转控制部件，并且减少了机械转动部件的使用，有利于提高整套装置的寿命。另外本发明利用多个光声腔，每个光声腔的入口端利用滤光片作为窗片，同时对多波段信号进行检测，在测量具有交叉干扰多组分气体时具有明显的优势。同时本发明可以以较小的体积实现多种气体组分同时测量，有益于与MEMS等技术的结合应用。

附图说明

图1为本发明脉冲式多通道光声光谱检测装置结构示意图；

图2a、图2b、图2c为本发明光声光谱检测装置光声池结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明脉冲式多通道光声光谱检测装置结构示意图。如图1所示，本发明装置主要包括光源模块1、光声信号产生模块2和控制及信号处理模块3。光源模块1由红外光源1-1及抛物面反光镜1-2构成。光声信号产生模块2包括光声池2-1和微音器2-4。所述红外光源1-1发出的光在控制及信号处理模块3产生的电脉冲调制下发射出脉冲光束，经由抛物面反光镜1-2反射后形成平行光束，然后入射至光声信号产生模块2中的光声腔2-2中。光声腔2-2内安装的微音器2-4把待测气体吸收红外光所产生的光声信号转换为电信号，然后输出至控制及信号处理模块3进行信号处理，计算出待测气体中各组分的浓度值。所述微音器2-4安装在光声腔2-2的侧壁上，微音器2-4接收面的轴心垂直于光声腔2-2侧壁，并且位于光声腔2-2中心处；微音器2-4产生的光声电信号经DSP进行处理，计算得到各气体的浓度值。

所述的红外光源1-1固定安装于抛物面反光镜1-2的焦点处。抛物面反光镜面镀有一层金属膜，以增大红外波段的光辐射反射率。控制及信号处理模块3中的DSP控制板产生的脉冲调制后的直流电压通过电缆线3-2传至红外光源1-1的端口处，使红外光源1-1产生脉冲平行光束。

图2为本发明光声光谱检测装置光声池结构示意图。如图2a、2b、2c所示分别表示光声腔的数量为2、4、6个时的截面图。所述的光声信号产生模块2中的光声池2-1的制作材料为黄铜或者不锈钢。本发明实施例含有两个或者两个以上的圆柱形的光声腔2-2，光声腔的数量由待检测的气体的种类决定。光声腔2-2的轴心围绕光源模块1的光轴呈圆周阵列等角度分布。光声腔2-2的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口。入光口处安装有滤光片，出光口处安装有抛物面反光镜。滤光片通过压圈进行固定，并使用密封胶进行密封。出光孔抛物面反光镜的焦点在光声腔的几何中心处，使由出光孔射出的平行红外光反射回光声腔，并汇聚于光声腔的几何中心处。所述出光口抛物面反光镜的直径大于光声腔的直径。垂直于每个光声腔轴向的光声腔两端侧壁上开有进气口和出气口，相邻的光声腔的进气口与出气口可以分别相连，整个光声信号产生模块对外部只有一个进气口和出气口。

Claims (3)

1.一种用于气体检测的脉冲式多通道光声光谱装置，其特征在于，所述的光声光谱装置包括光源模块(1)、光声信号产生模块(2)和控制及信号处理模块(3)；所述光声信号产生模块(2)安装在光源模块(1)之后，使得光源模块(1)产生的光束垂直的射入光声信号产生模块(2)，光束的中心线与光声信号产生模块(2)的中心线同轴；所述控制及信号处理模块(3)与光声信号产生模块(2)、光源模块(1)有电连接，用来控制光声信号产生模块(2)和光源模块(1)；所述的光源模块(1)包括红外光源(1-1)和抛物面反光镜(1-2)；所述的红外光源(1-1)固定安装于抛物面反光镜(1-2)的焦点处，由控制及信号处理模块(3)产生的电脉冲进行光辐射强度调制，形成脉冲光束；脉冲光束经由抛物面反光镜(1-2)反射后形成平行光束，然后入射至光声信号产生模块(2)光声池的光声腔(2-2)中；所述抛物面反光镜(1-2)镜面镀有一层红外波段的高反射膜；抛物面反光镜(1-2)抛物面直径略大于光声池的直径；所述的光声池由两个或多个圆柱形的光声腔(2-2)，以及与每个光声腔(2-2)上安装的滤光片组成；所述光声腔(2-2)的轴心围绕光源模块(1)的中心光轴呈圆周阵列分布；光声腔(2-2)的数量由待检测的气体种类决定，每个光声腔分别用于检测不同的气体；每个光声腔相对光源模块(1)的光轴呈对称分布，使得接收到的光强相等，且光束与光声腔(2-2)的中轴线平行；所述光声腔(2-2)的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口；所述的入光口安装有滤光片，所述的出光口安装有出光口抛物面反光镜；每个光声腔入光口上装设的滤光片能够通过不同波长的光束；每个光声腔(2-2)的中部位置的侧壁上装设有微音器(2-4)；微音器的接收面的轴心垂直于光声腔的侧壁，所述出光口抛物面反光镜(1-2)的焦点在光声腔(2-2)的几何中心处，使由出光孔射出的平行红外光反射回光声腔，并汇聚于光声腔(2-2)的几何中心处；所述出光口抛物面反光镜(1-2)的直径大于光声腔(2-2)的直径，以减少抛物反射镜面边界处对光束的杂散反射；在每个所述的光声腔(2-2)垂直于其轴向的两端侧壁上开有进气口和出气口。相邻的所述光声腔的进气口与出气口分别相连，整个光声信号产生模块对外部只有一个进气口和出气口。

2.根据权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的光声腔(2-2)中的微音器(2-4)把待测气体吸收红外光所产生的光声信号转换为电信号，然后输出至控制及信号处理模块(3)进行信号处理，计算出待测气体中各组分的浓度值；每个光声腔的入口端利用滤光片作为窗片，同时对多波段信号进行检测，测量具有交叉干扰的多组分气体。

3.根据权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于，所述的控制及信号处理模块(3)包括锁相放大器及DSP控制板；所述的DSP控制板产生的脉冲调制后的直流电压通过电缆线(3-2)连接至红外光源(1-1)；所述的锁相放大器包括有多个信号输入通道，每个信号输入通道通过信号线缆连接至微音器(2-4)。