基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置及方法

1.本发明涉及一种光声光谱气体检测装置及方法，具体涉及一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置及方法。


背景技术：

2.随着科学与技术的不断发展，吸收光谱学随之迈上发展的“高速路”。作为吸收光谱学的一个重要分支，光声光谱技术主要是检测气体吸收光能后产生的热能以声压形式表现出的那部分能量，是一种理想的无背景噪声信号技术，具有优异的灵敏度和良好的选择性，是痕量气体检测的理想选择。
3.光声池是光声光谱实验的核心部分，它的设计直接影响到探测信号的灵敏度大小。目前光声池主要采用共振式，而现有的共振光声池主要的几何形状为圆柱形、球形以及方形。其中，圆柱形光声池声学损耗较大、q值较低；方形光声池中声波衰减情况严重；球形光声池以其高q值，低声学损耗得到学者们的广泛关注。随着光声池的不断发展，为了增大光与物质的作用路径，一种漫反射球形共振光声池应运而生。同时，近年来可以抑制非相干噪声的差分特性也得到了学者们的广泛研究。
4.基于漫反射球形共振光声池的光声光谱技术是一种高灵敏度的痕量气体检测技术。首先，选择一个可调谐分布反馈式半导体激光器作为光声信号的激发光源，将一束经过调制的激光光束通过准直器送入充满待测样品的漫反射球形共振光声池内部来激发待测样品。当激光光束入射到球体内部时，随着时间的积累，光束在球内部被均匀的反射，最终球体内部光束变为相当均匀的漫射光束，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，通过灵敏的微音器检测所产生的周期性压力波动，并通过前置放大器放大得到光声信号。最终，使用相关解调的方法去解调所产生的光声信号，进而反演出待测样品的浓度大小。
5.为了拓展光声光谱气体技术的检测范围，需要提高其灵敏度，但目前基于漫反射球形共振光声池光声光谱系统灵敏度进一步提高时，存在两大问题：
6.1、现有光声池的共振频率一般在1khz以上，因此随着光声池共振频率的升高，系统的低频噪声将得到显著降低。为了使得共振频率高于1khz，漫反射球形共振光声池的球体直径不能太大。而这一约束条件就限制了漫反射球形共振光声池的等效光路的增加，其等效光路长度l
ep
的表达式如下所示：
[0007][0008]
其中，d为球体直径，ρ为球体内部涂料的漫反射率。
[0009]
因此，在漫反射球形共振光声池的设计过程中，需平衡等效光路与池体共振频率之间的关系，故而系统的性能没法得到最大程度的提升，而这一问题无法得到一个完美的解决办法。
[0010]
2、光声池内部一般采用聚四氟乙烯(ptfe)，俗称“塑料王”，其对外部噪音减少阻隔能力是有限的。虽然ptfe内胆外部一般包裹铝合金球体，但是由于铝合金球体的厚度有限，故漫反射球形共振光声池的整体隔噪能力一般，从而导致基于漫反射球形共振光声池光声光谱系统的噪声普遍较大。在同等条件下，噪声越大其信噪比越小，从而导致系统的探测性能越差。因此，基于漫反射球形共振光声池光声光谱系统灵敏度无法得到进一步提高。


技术实现要素：

[0011]
针对目前基于漫反射球形共振光声池光声光谱系统灵敏度无法得到进一步提升的问题，本发明提供了一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置及方法。本发明通过增强光声信号，同时抑制低频噪声的双重作用来提高系统的检测灵敏度。
[0012]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0013]
一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，包括分布反馈式半导体激光器、激光准直器、差分漫反射球形共振光声池、第一微音器、第二微音器、差分放大器、控制与数据采集系统和计算机，其中：
[0014]
所述差分漫反射球形共振光声池包括第一漫反射球和第二漫反射球，第一漫反射球设置有进气口和入光口，第二漫反射球设置有出气口，第一漫反射球和第二漫反射球之间通过连接管连通；
[0015]
所述第一微音器和第二微音器分别放置在差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球和第二漫反射球的两端；
[0016]
所述分布反馈式半导体激光器输出经过调制的激光，经激光准直器准直后由入光口入射到差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球内，差分漫反射球形共振光声池内的待测目标气体吸收激光能量后引起差分漫反射球形共振光声池产生振动，而从在第一漫反射球和第二漫反射球内产生光声信号，利用第一微音器和第二微音器分别检测第一漫反射球和第二漫反射球内的两路光声信号，并将所检测到的两路光声信号传输给差分放大器进行差分运算，控制与数据采集系统对差分运算后的光声信号进行采集并由计算机进行处理，反演出待测目标气体的浓度。
[0017]
一种利用上述装置进行基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测的方法，包括如下步骤：
[0018]
步骤一：激光控制器控制分布反馈式半导体激光器的输出波长以及激光器的输出功率；利用低频的锯齿波和高频的正弦波所产生的叠加信号来对分布反馈式半导体激光器的激光光源进行调制；采用控制与数据采集系统对差分漫反射球形共振光声池的共振频率和基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置的调制深度进行扫描与优化；
[0019]
步骤二：分布反馈式半导体激光器输出的激光经过激光准直器变成一束平行的准直光束，准直光束入射到含有待测目标气体的差分漫反射球形共振光声池内激发待测目标气体；
[0020]
步骤三：激光在第一漫反射球内激发待测目标气体引起光声效应的产生，利用第一微音器和第二微音器探测第一漫反射球和第二漫反射球内所产生的光声信号，并传递到差分放大器中进行差分运算，最终传输到控制与数据采集系统；
[0021]
步骤四：控制与数据采集系统对声信号进行采集并由计算机进行处理，反演出待
测目标气体的浓度。
[0022]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0023]
1、本发明结合可以抑制非相干噪声的差分特性，设计出一种基于差分漫反射球形共振光声池的光声光谱检测系统，系统核心是由两个漫反射球和一个连接管构成差分漫反射球形共振光声池。当经过调制的激光光束入射到充满待测样品的差分漫反射球形共振光声池的激发腔后，激发腔内待测样品吸收入射激光产生周期性的声波信号，声信号通过中间的连接管传递到另外一个充满待测样品的漫反射球内部，从而引起另外一个漫反射球振动，利用两个灵敏的微音器分别检测两个漫反射球内部产生的声信号并传输给锁相端进行解调，最终利用电脑端进行数据处理。在这个过程当中，激光光束在作为激发腔的漫反射球内部发生漫反射，由于ptfe高的漫反射率，随着时间的积累，最终球体内部光束变为相当均匀的漫射光束。根据朗伯比尔定律可知，随着光与物质的作用路径不断增加，即光程增加，吸收强度和光声信号也随之增加，差分特性又进一步实现光声信号双倍增强的效果，同时差分模式又具有抑制气体流动噪声以及激发光束多次反射带来的光噪声等非相干噪声的特性。
[0024]
2、本发明的探测装置具有信号强度大、噪声抑制能力强、系统灵敏度高、光路免调节、体积小等优点。
附图说明
[0025]
图1为基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置的结构示意图；
[0026]
图2为差分漫反射球形共振光声池的结构示意图；
[0027]
图3为采用差分漫反射球形共振光声池光声光谱气体检测装置对乙炔气体进行检测的实验结果。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0029]
本发明提供了一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，如图1所示，所述装置包括分布反馈式半导体激光器1、激光准直器2、差分漫反射球形共振光声池3、第一微音器4、第二微音器5、差分放大器6、控制与数据采集系统7和计算机8，其中：
[0030]
所述差分漫反射球形共振光声池3包括第一漫反射球和第二漫反射球，第一漫反射球设置有进气口和入光口，第二漫反射球设置有出气口，第一漫反射球和第二漫反射球之间通过连接管连通；
[0031]
所述第一微音器4和第二微音器5分别放置在差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球和第二漫反射球的两端；
[0032]
所述分布反馈式半导体激光器1输出经过调制的激光，经激光准直器2准直后经入光口入射到差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球内，差分漫反射球形共振光声池3内的待测目标气体吸收激光能量后引起差分漫反射球形共振光声池3产生振动，而从在差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球和第二漫反射球内产生光声信号，利用第一微
音器4和第二微音器5分别检测差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球和第二漫反射球内的两路光声信号，并将所检测到的两路光声信号传输给差分放大器6进行差分运算，控制与数据采集系统7对差分运算后的光声信号进行采集并由计算机8进行处理，反演出待测目标气体的浓度。具体实现过程如下：
[0033]
步骤一：激光控制器控制分布反馈式半导体激光器1的输出波长以及激光器的输出功率；利用低频的锯齿波和高频的正弦波所产生的叠加信号来对分布反馈式半导体激光器1的激光光源进行调制；采用控制与数据采集系统对差分漫反射球形共振光声池3的共振频率和基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置的调制深度进行扫描与优化。
[0034]
步骤二：分布反馈式半导体激光器1输出的激光经过激光准直器2变成一束平行的准直光束，准直光束入射到含有待测目标气体的差分漫反射球形共振光声池3内激发待测目标气体。
[0035]
步骤三：激光在差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球内激发待测目标气体引起光声效应的产生，利用第一微音器4、第二微音器5探测第一漫反射球和第二漫反射球内所产生的光声信号，并传递到差分放大器6中进行差分运算，最终传输到控制与数据采集系统7。
[0036]
步骤四：控制与数据采集系统7对声信号进行采集并由计算机8进行处理，反演出待测目标气体的浓度。
[0037]
本发明中，所述第一漫反射球和第二漫反射球的球体直径需《26mm，此时差分漫反射球形共振光声池3的共振频率大于1khz。
[0038]
本发明中，所述第一漫反射球和第二漫反射球之间的连接管长度为1～15mm，直径为1～10mm。
[0039]
本发明中，所述第一漫反射球和第二漫反射球的声探测孔直径为0.2～5mm。
[0040]
本发明中，为了避免气体流动噪声所带来的干扰以及实现漫反射球形共振光声池3的高性能，所述差分漫反射球形共振光声池3的进气口和出气口直径均为1～6mm。
[0041]
本发明中，所述入光口的位置没有具体要求。在实际生产加工设计中，如将第一微音器4的探测口设为0
°
端口，则入光口一般位于第一漫反射球的90
°
端口。
[0042]
本发明中，所述差分漫反射球形共振光声池3的池内气压处于50～500torr之间，具体气压值根据所测量的气体分子弛豫时间来确定。
[0043]
本发明中，所述差分漫反射球形共振光声池3需保持恒定温度，差分漫反射球形共振光声池3的整体温度需保持在20～35℃之间。
[0044]
本发明中，所述第一微音器4和第二微音器5需放置在差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球和第二漫反射球的两端位置，且第一微音器4和第二微音器5与差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球和第二漫反射球距离需《1mm。
[0045]
本发明中，所述第一微音器4和第二微音器5的型号、性能参数均需完全一致。
[0046]
本发明中，为提高系统信噪比可使用大功率激光光源或对激光的功率进行放大，激光功率应＞10mw。
[0047]
本发明中，所述差分漫反射球形共振光声池3的漫反射涂料包括但不局限于ptfe(例如spectraflect、spectralon、infragold和baso4等各种高漫反射率涂料)。
[0048]
采用差分漫反射球形共振光声池光声光谱气体检测装置对乙炔气体进行检测，采
用1530nm激光，差分漫反射球形共振光声池3的第一漫反射球和第二漫反射球的直径均为24mm，相比普通光声池，实验获得的光声信号提高了1.84倍，噪声降为原来的50％，最终信噪比提高了3.68倍，相关实验结果如图3所示。

技术特征：
1.一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述装置包括分布反馈式半导体激光器、激光准直器、差分漫反射球形共振光声池、第一微音器、第二微音器、差分放大器、控制与数据采集系统和计算机，其中：所述差分漫反射球形共振光声池包括第一漫反射球和第二漫反射球，第一漫反射球设置有进气口和入光口，第二漫反射球设置有出气口，第一漫反射球和第二漫反射球之间通过连接管连通；所述第一微音器和第二微音器分别放置在差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球和第二漫反射球的两端；所述分布反馈式半导体激光器输出经过调制的激光，经激光准直器准直后由入光口入射到差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球内，差分漫反射球形共振光声池内的待测目标气体吸收激光能量后引起差分漫反射球形共振光声池产生振动，而从在第一漫反射球和第二漫反射球内产生光声信号，利用第一微音器和第二微音器分别检测第一漫反射球和第二漫反射球内的两路光声信号，并将所检测到的两路光声信号传输给差分放大器进行差分运算，控制与数据采集系统对差分运算后的光声信号进行采集并由计算机进行处理，反演出待测目标气体的浓度。2.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述第一漫反射球和第二漫反射球的球体直径<26mm，此时差分漫反射球形共振光声池的共振频率大于1khz。3.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述连接管的长度为1～15mm，直径为1～10mm。4.根据权利要求1或2所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述第一漫反射球和第二漫反射球的声探测孔直径为0.2～5mm。5.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述进气口和出气口直径均为1～6mm。6.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述差分漫反射球形共振光声池的池内气压处于50～500torr之间，整体温度保持在20～35℃之间。7.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述第一微音器和第二微音器与第一漫反射球和第二漫反射球的距离<1mm。8.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述激光的功率＞10mw。9.根据权利要求1所述的基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述差分漫反射球形共振光声池的漫反射涂料为ptfe、spectraflect、spectralon、infragold和baso4各种高漫反射率涂料中的一种。10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：激光控制器控制分布反馈式半导体激光器的输出波长以及激光器的输出功率；利用低频的锯齿波和高频的正弦波所产生的叠加信号来对分布反馈式半导体激光器的激光光源进行调制；采用控制与数据采集系统对差分漫反射球形共振光声池的共振频率和
基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置的调制深度进行扫描与优化；步骤二：分布反馈式半导体激光器输出的激光经过激光准直器变成一束平行的准直光束，准直光束入射到含有待测目标气体的差分漫反射球形共振光声池内激发待测目标气体；步骤三：激光在第一漫反射球内激发待测目标气体引起光声效应的产生，利用第一微音器和第二微音器探测第一漫反射球和第二漫反射球内所产生的光声信号，并传递到差分放大器中进行差分运算，最终传输到控制与数据采集系统；步骤四：控制与数据采集系统对声信号进行采集并由计算机进行处理，反演出待测目标气体的浓度。

技术总结
本发明公开了一种基于差分漫反射积分球的光声光谱气体检测装置及方法，分布反馈式半导体激光器输出的调制激光经激光准直器后入射到差分漫反射球形共振光声池的第一漫反射球内，待测目标气体吸收激光能量后引起差分漫反射球形共振光声池产生振动，而从在第一漫反射球和第二漫反射球内产生光声信号，利用第一微音器和第二微音器分别检测第一漫反射球和第二漫反射球内的两路光声信号，并将所检测到的两路光声信号传输给差分放大器进行差分运算，控制与数据采集系统对差分运算后的光声信号进行采集并由计算机进行处理，反演出待测目标气体的浓度。本发明的探测装置具有信号强度大、噪声抑制能力强、系统灵敏度高、光路免调节、体积小等优点。体积小等优点。体积小等优点。


技术研发人员：马欲飞 张楚 乔顺达 何应 刘晓楠
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/31