CN203534957U - 一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置。激光器发出的光通过电光强度调制器、光声池后，垂直入射到光电探测器，其信号线与装有数据采集卡的电脑相连；信号发生器的信号线分别与电光强度调制器和锁相放大器的参考信号端相连；麦克风与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端经锁相放大器与电脑相连。光声池两端的气体缓冲室可有效的缓冲气流带来的噪声。采用电光调制对激光强度进行调制，提高了***的信噪比。通过检测光声信号的幅值，可计算出气溶胶颗粒在一定波长下的光吸收系数。本实用新型克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更精确，为研究气溶胶对大气辐射以及环境气候的影响提供了有效的技术手段。

Description

一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置

技术领域

本实用新型涉及气溶胶光吸收系数检测装置，具体涉及一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置。

背景技术

近几年我国的灰霾天气产生的范围和频率日益增大，严重影响了人类的健康与活动，大气气溶胶是灰霾天产生的主要因素，是环境监测中的重要组成部分。气溶胶离子对光的吸收影响辐射在大气中的传播，造成能见度降低，引起温室效应，对全球气候变化的预期具有至关重要的作用。气溶胶粒子对光的吸收还造成大气中一些气溶胶粒子间以及气溶胶粒子和气体间的光化学反应，产生了很多尚不可测的影响。因此研究气溶胶光学吸收系数的装置具有重大现实意义。

光声光谱法是基于光声效应的，气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能而导致吸收媒质温度升高，如果将入射光在声频范围内进行光强或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波，通过探测声波强度可以求出气体浓度。相对于常用的直接吸收光谱测量来说，光声光谱法直接检测气体吸收的光能，无背景吸收，是一种绝对检测的方法，检测灵敏度高。光声光谱法用于气体检测的应用已有很多，近几年，国内外将这种方法应用到对气溶胶光学特性的研究。美国的NIST和国内的中国科学技术大学已经开展了相关的研究和应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，是在典型的圆柱形纵向共振模式的光声结构基础上，搭建气溶胶光吸收系数的检测装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型包括激光器、电光强度调制器、光声池、光电探测器、麦克风、前置放大器、锁相放大器、电脑和信号发生器；激光器发出的光通过电光强度调制器、光声池后，垂直入射到光电探测器，光电探测器的信号线与装有数据采集卡的电脑相连；信号发生器的信号线分别与电光强度调制器和锁相放大器的参考信号端相连；装在光声池中的麦克风信号线与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与锁相放大器的检测信号端相连，锁相放大器的信号输出端与电脑相连。

所述的光声池为圆柱腔体，光声池的两端分别对称开有相同尺寸的缓冲室，一个缓冲室的圆柱腔体上开有进气口，另一个缓冲室的圆柱腔体上开有出气口，两个缓冲室用共振腔连通，共振腔中部的圆柱腔体侧面开有麦克风安装座，麦克风安装在麦克风安装座内，麦克风传感面伸入至共振腔中，两个缓冲室的开口端分别装有盖板，两块盖板分别开窗口，位于缓冲室一侧的两窗口分别贴有石英片，两个窗口、两个缓冲室和共振腔的中心线位于同一轴线上。

所述的共振腔的长度L_c与缓冲室的长度L_d的关系为L_c＝2L_d；缓冲室的直径R与共振腔的直径r的关系为R>4r。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型是在典型的圆柱形纵向共振模式的光声结构基础上，搭建气溶胶光吸收系数的检测装置。光声池两端的气体缓冲室可以有效的缓冲气流带来的噪声。采用电光调制对激光强度进行调制，避免了传统机械斩波器带来的噪声，提高了***的信噪比。通过检测光声信号的幅值，可以计算出气溶胶颗粒在一定波长下的光吸收系数。本实用新型将光声光谱法用于气溶胶光吸收系数的检测，克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更精确，为研究气溶胶对大气辐射以及环境气候的影响提供了有效的技术手段。本实用新型具有测量精度高、可探测极限小、光带宽、实时在线测量的优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是光声池的结构示意图。

图3是电光强度调制器组成示意图。

图中：1、激光器，2、电光强度调制器，3、光声池，4、光电探测器，5、麦克风，6、前置放大器，7、锁相放大器，8、电脑，9、信号发生器，10、石英片，11、缓冲室，12、共振腔，13、麦克风安装座，14、进气口，15、出气口，16、电光晶体，17、偏振器，18、高压放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

光声光谱是基于光声效应的，气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能而导致吸收媒质温度升高，如果将入射光在声频范围内进行光强或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波。通过探测声波强度可以求出气体（或气溶胶）的浓度或吸收系数。

由光声信号产生机理及声场分布理论，可以求出光声信号的表达式为

S_PA＝S_mC_cellαPc    （1）

S_PA——光声信号幅值（V）；

S_m——麦克风灵敏度（V/Pa)；

C_cell——池常数（Pa·cm·W^-1）；

α——气溶胶吸收系数（cm^-1）；

P——光功率的峰峰值（W）；

c——被测气溶胶的浓度。

由公式（1）可推导出气溶胶的吸收系数α：

$\mathrm{\α}=\frac{S_{\mathrm{PA}}}{S_m{C}_{\mathrm{cell}}\mathrm{Pc}}---\left(2\right)$

气溶胶的浓度c已知，麦克风5的灵敏度S_m利用B&K声学校准平台进行标定。光功率的峰峰值P通过采集光电探测器4的电压幅值计算得到。池常数C_cell衡量了光声***将气体吸收的光能转化为声能的能力，可通过本装置对已知浓度的标准气体的检测来标定。光声信号S_PA需要本装置测量得到。

由于光声信号S_PA相对于噪声很微弱，难以直接探测到，因此需要锁相放大器将光声信号还原出来。锁相放大器基于互相关检测的原理，利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点，通过计算待检信号与参考信号在零点的相关运算的方法来抑制噪声并提取出特定频率（即参考信号的频率）的周期信号，而其他频率的信号被抑制下来。

光声池的尺寸设计为：L_c＝100mm,L_d＝50mm,r＝6mm,R＝30mm。理论上，一阶纵向共振频率

v为声速（340m/s)。对于以上给出的光声池实例，理论的共振频率f=1700Hz，由于受加工条件及麦克风安装座13及缓冲室11的影响，实验测量的实际值为1650Hz。信号发生器的调制信号和参考信号fr的频率设置为1650Hz。

如图1所示，本实用新型包括激光器1、电光强度调制器2、光声池3、光电探测器4、麦克风5、前置放大器6、锁相放大器7、电脑8和信号发生器9。激光器1发出的光通过电光强度调制器2、光声池3后，垂直入射到光电探测器4，光电探测器4的信号线与装有数据采集卡的电脑8相连；信号发生器9的信号线分别与电光强度调制器2和锁相放大器7的参考信号端相连；装在光声池3中的麦克风5信号线与前置放大器6的输入端相连，前置放大器6的输出端与锁相放大器7的检测信号端相连，锁相放大器7的信号输出端与电脑8相连。

本装置激光器为532nm的固体激光器，型号为MLL-FN-532，功率为200mW。光电探测器型号为PDA100A，麦克风选用EK-23111硅微麦克风，前置放大器型号为SR550，锁相放大器为SR830，信号发生器为DS360，数据采集卡采用NI的4472。电光强度调制器是在电光晶体16的基础上搭建起来的，具体实现如图3所示。图中电光晶体16型号为EO-AM-NR-C4，偏振器17采用格兰汤普森偏振器，高压放大器18型号为HVA200。

如图3所示，电光晶体在外加电场的作用下，相位延迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化，从而使得偏振器的出射光的振幅受到调制。由于所用激光器的光接近线偏振光，直接入射到电光晶体16进行调制，若为自然光，则需先通过偏振器起偏，再入射到电光晶体进行调制。信号发生器9产生调制信号，经过高压放大器18放大后，对电光晶体16输入调制电压，入射光经过电光晶体16的调制，通过偏振器17后，出射光强度呈周期变化，光强的变化频率与调制信号的频率一致，从而实现对激光的强度调制。

如图2所示，所述的光声池3为圆柱腔体，光声池3的两端分别对称开有相同尺寸的缓冲室，一个缓冲室的圆柱腔体上开有进气口14，另一个缓冲室的圆柱腔体上开有出气口15，两个缓冲室用共振腔12连通，共振腔12中部的圆柱腔体侧面开有麦克风安装座13，麦克风5安装在麦克风安装座13内，麦克风5传感面伸入至共振腔12中，麦克风的传感面尽量与共振腔侧壁齐平，两个缓冲室的开口端分别装有盖板，盖板与两个缓冲室的开口端为螺纹连接，或者用螺钉连接，两块盖板分别开窗口，位于缓冲室一侧的两窗口分别贴有石英片10，两个窗口、两个缓冲室和共振腔12的中心线位于同一轴线上。

所述的共振腔12的长度L_c与缓冲室11的长度L_d的关系为L_c＝2L_d；缓冲室的直径R与共振腔的直径r的关系为R>4r。

本实用新型的检测步骤为：

步骤1）按照图1，调整好光路：激光器1发出的光，经电光晶体16、偏振器17后，出射到光声池3。光路通过光声池3的石英片10，出射到光电探测器4。光功率的信号线与装有数据采集卡的电脑8相连。

步骤2）按照图1进行电学信号连接：信号发生器9的信号线分别与高压放大器18的输入端和锁相放大器7的参考信号端相连，高压放大器18的输出端与电光晶体16的信号线相连。信号发生器产生的调制信号fr（方波或正弦波）一方面对电光强度调制器输出调制信号，另一方面作为参考信号输入到锁相放大器7。麦克风5的信号线与前置放大器6信号输入端相连，前置放大器6的信号输出端与锁相放大器7的信号输入端相连。锁相放大器7信号输出线与电脑8的数据采集卡相连。将信号发生器9的调制信号（参考信号）fr的频率与共振腔的一阶共振频率相同，设置为1650Hz。

步骤3）已知浓度c的气溶胶由进气口14通过，由出气口15抽出。打开电脑8上labview开发的软件，读取数据采集卡采集到的数据，提取出光声信号的幅值S_PA，光功率的峰峰值P，结合已知的池常数C_cell和麦克风灵敏度S_m，根据公式（2）计算出气溶胶的吸收系数α。待数据稳定后，记录此时α的值，即为浓度为c的气溶胶的对532nm的光的吸收系数。

本实用新型是在典型的圆柱形纵向共振模式的光声结构基础上，搭建气溶胶光吸收系数的检测装置。通过检测光声信号的幅值，可以计算出气溶胶颗粒在一定波长下的光吸收系数。本实用新型将光声光谱法用于气溶胶光吸收系数的检测，克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更精确，为研究气溶胶对大气辐射以及环境气候的影响提供了有效的技术手段。

Claims (3)

1.一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于：包括激光器（1）、电光强度调制器（2）、光声池（3）、光电探测器（4）、麦克风（5）、前置放大器（6）、锁相放大器（7）、电脑（8）和信号发生器（9）；激光器（1）发出的光通过电光强度调制器（2）、光声池（3）后，垂直入射到光电探测器（4），光电探测器（4）的信号线与装有数据采集卡的电脑（8）相连；信号发生器（9）的信号线分别与电光强度调制器（2）和锁相放大器（7）的参考信号端相连；装在光声池（3）中的麦克风（5）信号线与前置放大器（6）的输入端相连，前置放大器（6）的输出端与锁相放大器（7）的检测信号端相连，锁相放大器（7）的信号输出端与电脑（8）相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于：所述的光声池（3）为圆柱腔体，光声池（3）的两端分别对称开有相同尺寸的缓冲室，一个缓冲室的圆柱腔体上开有进气口（14），另一个缓冲室的圆柱腔体上开有出气口（15），两个缓冲室用共振腔（12）连通，共振腔（12）中部的圆柱腔体侧面开有麦克风安装座（13），麦克风（5）安装在麦克风安装座（13）内，麦克风（5）传感面伸入至共振腔（12）中，两个缓冲室的开口端分别装有盖板，两块盖板分别开窗口，位于缓冲室一侧的两窗口分别贴有石英片（10），两个窗口、两个缓冲室和共振腔（12）的中心线位于同一轴线上。

3.根据权利要求2所述的一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于：所述的共振腔（12）的长度L_c与缓冲室的长度L_d的关系为L_c＝2L_d；缓冲室的直径R与共振腔的直径r的关系为R>4r。

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