CN1302276C - 一种光学气体鉴别*** - Google Patents
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Abstract
一种光学气体鉴别***，包括测量单元(20)、已调制光源(10)、麦克风(22)和信号放大器(30)。光源(10)包括多个激光二极管(12)并可以发出具有特定波长的已调制光。气体鉴别***通过使用信号处理器(70)和具有各种信号模型的数据库(60)可以确定目标信号。
Description
技术领域
本发明涉及光声分光学，具体涉及包含测量混合物中两种或更多种气体或水蒸气的应用以及实时气体监控。
背景技术
目前是以暴露在某一频率辐射能(例如红外辐射能)中的分子吸收能量并达到更高级的分子振动和旋转从而达到更高温度和压强的趋势来进行声光学测量。在对辐射能进行幅度调制时，从能量吸收中导致的散逸热的波动产生相应的温度和压强波动。可以用灵敏的麦克风产生表示压强波动的电输出。声信号和作为结果的电输出的幅度与吸收气体的辐射强度以及浓度值成正比。
例如美国专利4,557,603(Oehler等人)、美国专利4,818,882(Nexo等人)、美国专利5,933,245(Wood等人)、美国专利6,006,585(Forster)以及美国专利6,148,658(Chou等人)中提出的这些装置是已知的。这些设备具有一些共同的组件。特别地，激光或其他能源产生辐射能，可以通过热学(开/关)方式或者限幅设备对辐射能进行调制。已调制的能量提供给一个吸收辐射能的包含气体或气体混合物的单元，导致该气体中温度随着调制频率而波动。温度感觉并不直接，但是单元中的灵敏麦克风能检测到伴随温度波动的相当的压强波动。在调制频率处检测麦克风输出，以便提供与气体浓度成比例的电信号。
有时需要确定气体混合物中的一种或多种气体的浓度。虽然可以利用两个或更多感测***并且将其中一个***投入给研究中的每个气体实现这种需要，但是好几个***中组件的共享将可降低费用。因此，已经提出了涉及使用单个光声学单元来检测两种或更多气体的数个提议。
例如，Nexo等人的专利公开了一种具有三组过滤开口并且相邻的开口之间具有不同间距的打孔磁盘，用于同时把红外线过滤成为“分别由N2O、CO2以及麻醉剂吸收的”不同波长，并且以三个不同的频率调制这些波长。与各种气体相应的信号可以通过麦克风信号的电过滤而分开。
Oehler等人的专利公开了一种具有不同干扰滤波器的机械光调制器和单色器，能实现气体混合物的多种成分的同步和分离检测。Oehler指出：通过使用适合测量气体或干扰成分的最大值或脉冲波前的一个以上窄带滤波器，可以极大消除其他气体分量对测量的干扰。可从接连引入到射线路径的不同窄带滤波器执行的测量中确定不同成分的浓度。
这些***的一个缺点是需要在非常窄的频带中提供辐射能。这需要用于产生能量的激光，或者是用来把不同窄带滤波器接连引入到光源和光声单元之间的光路径中的设备。这两种方法中的任一种方法都会增加***成本。另外，在这些***范围内很难区分重叠或者重合吸收带的两种气体，或者，很难确定是否存在未知吸收气体。
因此，本发明的一个目的是提供分别测量具有可能彼此重叠或重合的吸收线或频带的几种气体的浓度值的能力，或者提供检测吸收带或谱线可能与期望感测的一些气体的吸收带或谱线重叠或重合的另一气体的存在的能力。
本发明的***不会遇到诸如质谱分析之类的其它分析技术的问题和缺点。目前的很多化学分析技术经常由于它们既缓慢又昂贵而不能令人满意。
为了截断主要污染源并改善总体空气质量，道路上车辆辐射污染检查也很重要。此外，一种快速、可靠且精确的检测方法和检测仪将是与这种空气污染源斗争的重要工具。
快速、经济并且可靠的检测仪和方法很重要的其它示例是在与天然气管道紧邻的取样空气中来确定是否存在泄漏。包含某些密度大的非液相层化学药品(DNALP)的土壤取样，比如氯苯和其它污染物质，也需要一种快速、经济并且可靠的检测方法、***和检测仪来检测这些污染物质的存在。
作为另一示例，在军事或安全领域中，需要一种快速、可靠和精确的检测仪和方法来确定***或化学战化合物的存在。前述仅仅是需要没有质谱分析或气相层析缺陷的可靠、便宜检测仪的一些示例。
发明内容
为了实现这些目前以及其它目的，本发明提供一种气体鉴别设备。该设备包含各种波长的一个辐射能源，当发射的光能被吸收时，该设备测量光声学信号，然后将它们与收集的光声学信号模型进行比较。
具体地说，该设备包括：包含有气体混合物的光声学单元；用于用具有特定波长的已调制光照射该气体混合物的光源；用于检测在该气体混合物中出现的压强波动的麦克风；存储有该气体混合物的各种信号模型的数据库；和用于比较来自所述麦克风的输出信号与数据库中的信号模型的信号处理器，其中光源包括具有不同波长的多个激光二极管和支撑所述激光二极管的光部件。
光声学单元具有一个壁结构，该壁最好是铝或其它金属，它密封一个普通的立方形状。该单元包括一个用于存储一种取样气体的空间，并且该单元体在前后窗口具有开口，并且，具有一个或多个用于允许取样气体进出的阀门。在光源中的激光二极管通过旋转或平移而移动。同时，该单元包括一个温度传感器，并使用温度校正。激光二极管的功率可以在3mW到50W的范围内调整，并且发射激光二极管的波长为5nm到1650nm。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个气体鉴别设备的视图。
图2和图3示出了一个气体鉴别设备的一些光源的视图。
图4示出了一个气体鉴别设备的测量单元的视图。
具体实施方式
参见图1，下面将全面说明本发明。如图所示，本发明的一个光声学分析器可以包括：一个光源10，用于提供已调制光能；一个单元20，用于存储取样气体；一个预放大器30，用于放大麦克风22检测的信号；一个锁定放大器40，用于检测来自预放大器30的唯一信号；一个温度传感器23，位于单元20中；一个副处理器50，用于处理来自温度传感器23中的温度校正；一个数据库60，用于存储各种混合气体信号模型；一个主处理器70，用于比较副处理器50的处理信号并分析信号模型；一个控制和显示器80，用于控制电源90和光源10并显示分析结果；以及一个电源90，用于向光源和其他组件供电。
光源10与发射单一波长的各个激光二极管相关，每个激光二极管是一个连续波(CW)型并且发射从3mW到50W的功率。激光二极管的功率可以自由调整。
单元20包含取样气体，并且包括：用于照射波束光源10的一个穿透窗；用于检测压强波动的一个麦克风22以及用于测量单元20内温度的一个温度传感器23。
预放大器30放大来自麦克风22中的电信号用于进一步分析。
锁定放大器40滤出放大的电信号的噪声并且只提取光声学信号。
副处理器50使用温度传感器23输出信号来校正锁定放大器40输出信号。
主处理器70利用储存的数据库60中经过温度校正的光声学信号分析和比较这些信号。数据库60存储气体的许多光声学信号模型并能确定气体的浓度、类别和混合比。可以使用统计方法来进行定量分析和定性分析。
控制和显示器80控制整个流程并显示处理顺序和结果。
这种气体鉴别设备可以是便携式的。
参见图2，一个圆柱状光源部件11具有发射不同波长的一些激光二极管，光源部件11通过一个支架轴13固定。因为控制和显示器80能旋转光源部件11，所以用户能选择不同的波长照射单元20。通过转动支架轴13可以旋转光源部件11。为了改变波长和激光功率，可以安装一个或多个不同的光源部件11，或者，可以更换光源部件11。
参见图3，立方体的光源状部件11安装了发射不同波长的一些激光二极管，光源部件11通过支架轴13固定。因为控制和显示器80能上下左右平移光源部件11，所以用户可以选择不同的波长照射单元20。另外，为了改变波长和激光功率，可以安装一个或多个不同的光源部件11，或者，可以彼此更换不同的光源部件11。
每个激光二极管12发射单一波长，并且它的发射功率可以在3mW到50W的范围内调整。因此，通过选择激光二极管，可以调整激光光束的波长和发射功率。激光二极管12可以发射5nm到1650nm的一个波长，并且对于不同的取样气体，激光二极管的组合也不同。不同组合的结果，可以获得相对强而有效的光声学信号，并且可以通过调整光源功率或通过调整从光源部件11到单元20的距离来改变光束的强度。
通过电气电路来进行激光二极管12的功率调整和频率调制。
如前所述，通过光源部件11的平移或旋转来选择波长。因此，选定的已调制激光光束可以用任何光学透镜对准到单元20。当光源部件11正在移动时，暂停所有的测量处理，以使测量准确。
而且，可以固定光源部件11而以同样方式移动测量单元20。在这种情况下，当单元20正在移动时，暂停所有的测量处理，以使测量准确。
利用上面的方法，不必使用任何光学滤波器或单色仪，则仅仅使用光源部件20就可以实现各个波长和功率光束设定。
图4是一个气体鉴别设备的测量单元20的视图。测量单元包括一个单元体21、一个麦克风22、一个温度传感器23、一个前窗24、一个后窗25和两个阀门26、27。单元体21是测量单元20的框架，并且它为储存的取样气体提供空间并且为安装组成元件提供基础。单元20的内部空间在外形上是圆柱状，并且单元的尺寸取决于谐振频率。在本发明中，谐振频率范围从100Hz到1000Hz。并且，内部测量单元20的表面被机械抛光以便有效反射光束。麦克风22安装在单元体21中，用来检测压强波动并且把压强波动转换成为电信号。温度传感器23安装在单元体21中，以便检测内部单元的温度并向副处理器50发送已测量信息。为了提高灵敏度，可以安装两个或更多麦克风。前窗24用于密封取样气体，并且是一个红外发射窗口。后窗25密封取样气体，并且也是一个红外发射窗口，或者为了提高吸收率，可以将其制成镜子来反射光束。两个阀门26、27分别接纳或排出取样气体并且清洁内部单元20。
Claims (8)
1.一种光学气体鉴别***，包括：
包含有气体混合物的光声学单元；
用于用具有特定波长的已调制光照射该气体混合物的光源；
用于检测在该气体混合物中出现的压强波动的麦克风；
存储有该气体混合物的各种信号模型的数据库；和
用于比较来自所述麦克风的输出信号与数据库中的信号模型的信号处理器，
其中光源包括具有不同波长的多个激光二极管和支撑所述激光二极管的光部件。
2.根据权利要求1所述的光学气体鉴别***，其中该单元包含用于允许透射光通过的两个窗口和用于分别引入和排出气体混合物的气阀。
3.根据权利要求1所述的光学气体鉴别***，其中包括多个激光二极管的光源通过旋转而移动。
4.根据权利要求1所述的光学气体鉴别***，其中包括多个激光二极管的光源通过平行方式移动。
5.根据权利要求3或4所述的光学气体鉴别***，其中光源中的激光二极管具有不同的发射功率。
6.根据权利要求1或2所述的光学气体鉴别***，进一步包括温度传感器，其中该信号处理器用温度传感器的温度信号校准来自麦克风的输出信号。
7.根据权利要求1或2所述的光学气体鉴别***，其中激光二极管的发射功率在3mW到50W范围内变化。
8.根据权利要求1或2所述的光学气体鉴别***，其中激光具有从5nm到1650nm的特定波长。
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