一種用于氣體檢測的脈沖式多通道光聲光譜裝置制造方法
【專利摘要】一種用于氣體檢測的脈沖式多通道光聲光譜裝置，主要包括光源模塊、光聲信號產生模塊和控制及信號處理模塊。在控制及信號處理模塊產生的電脈沖調制下光源模塊中紅外光源發射脈沖光束，經由拋物面反光鏡反射后形成平行光束，然后入射至光聲信號產生模塊。光聲信號產生模塊包含有若干個圓柱形光聲腔，光聲腔的軸心圍繞光源模塊的光軸呈圓周陣列分布，使得射入每個光聲腔的光強相等。光聲腔的入光孔處安裝有濾光片，出光孔處安裝有反光鏡。每個光聲腔對應的光聲傳感器安裝于光聲腔室中部，產生的光聲信號經信號線纜傳輸至控制及信號處理模塊，計算各氣體的濃度值。
【專利說明】一種用于氣體檢測的脈沖式多通道光聲光譜裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣體檢測裝置，特別涉及一種脈沖控制的多通道光聲光譜檢測裝置。

【背景技術】
[0002]氣體檢測技術在工業化生產及日常生活中有著極其廣泛的應用，諸如油氣管道的泄漏檢測、電力系統中的變壓器油中溶解氣體檢測、化工企業的排放廢氣檢測以及空氣中的痕量污染氣體檢測等等。目前，較為常見的用于氣體檢測的方法主要包括:氣敏傳感器法、紅外吸收光譜法、色譜法、光聲光譜法等。其中氣敏傳感器法檢測的精度較低，且對混合氣體易產生交叉干擾,紅外吸收光譜法需要的氣樣量大,且精度低；色譜法需要載氣增加了維護量，對于在線監測不太適用。
[0003]光聲光譜檢測方法基于氣體的光聲效應，其機理是氣體分子吸收特定波長的光能后，隨即以無輻射躍遷的方式退激，釋放出的熱能使氣體在封閉的腔室里產生壓力波，壓力波的強度與氣體分子的濃度成比例關系，然后加以改變進入光聲池中的光的波長，就可以檢測不同氣體組分的濃度值，是一種高精度的檢測方法。
[0004]然而現階段的光聲光譜氣體檢測裝置也存在分離元件多等缺點，如存在機械式的斬光器、旋轉式的濾光片盤，不利于現場使用；如專利200680024392.9“光聲光譜儀設備”采用旋轉的機械斬波器調制光源，采用旋轉的機械式濾光片盤調換濾光片；此外目前的設備只有一個光聲腔，在檢測中需要選擇不同濾光片對待測混合氣體中的不同成分逐一檢測，所需時間較長，同時對于不能穩定存在的氣體成分難以檢測。此外，目前的光聲光譜氣體檢測裝置由于光源、斬光器、濾光片盤等的限制，還存在體積龐大的缺點，無法作為傳感器與多通道的微機電系統(MEMS)組合應用。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種脈沖控制的氣體多通道光聲光譜檢測裝置。本發明結構簡單緊湊、無機械轉動部件，穩定性好，可用于對多種氣體組分進行濃度值檢測。
[0006]光聲光譜技術基于光聲效應。光聲效應由氣體分子吸收電磁波而產生，氣體分子吸收特定波長的電磁波后至激發態，隨即以釋放熱能的方式退激，釋放出的熱能在氣體中產生壓力波，壓力波的強度與氣體分子的濃度成比例，通過檢測吸收不同波長而產生的壓力波的強度，可得到不同氣體組分的濃度。
[0007]本發明用于氣體檢測的脈沖式多通道光聲光譜裝置，主要包括光源模塊、光聲信號產生模塊和控制及信號處理模塊。
[0008]所述光聲信號產生模塊安裝在光源模塊之后，使得光源模塊產生的光束垂直的射入光聲信號產生模塊，光束的中心線與光聲信號產生模塊的中心線同軸；所述控制及信號處理模塊與光聲信號產生模塊、光源模塊有電連接，用來控制光源信號產生模塊和光源模塊。
[0009]所述的光源模塊包括紅外熱光源和拋物面反光鏡。紅外熱光源位于拋物面反光鏡的焦點處，紅外熱光源產生的光經拋物面反光鏡反射后形成平行光束，然后入射到光聲信號產生模塊中光聲池的光聲腔中。所述拋物面反光鏡上鍍有一層金屬膜，以增大紅外波段的光福射反射率。由于光束照射在光聲腔壁上會增加背景噪聲降低系統的信噪比，而光束的發散角直接影響照射在光聲腔壁上光的照射度，根據光學器件的展光度原理，壓縮光束發散角，需要增大光束的直徑，這就要求拋物面反光鏡的直徑增大；而另一方面光聲腔中氣體吸收光能后產生的壓力波隨光聲腔體積增大而減小，并且光聲腔體積的增大也進一步增加了待測樣品的體積。因此，本發明采用大口徑拋物面反光鏡以增大光束直徑，同時采用多通道光聲腔以減小光聲腔體積。所述紅外熱光源采用電脈沖進行光調制，在控制及信號處理模塊產生的電脈沖調制下發射脈沖光束，同時電脈沖傳輸至控制及信號處理模塊中的鎖相放大器作為參考信號。
[0010]光聲信號產生模塊包括光聲池和微音器。所述光聲池由兩個或多個圓柱形光聲腔，以及每個光聲腔上安裝的濾光片組成。所述光聲腔的軸心圍繞光源模塊的中心光軸呈圓周陣列分布。光聲腔的數量由待檢測的氣體種類來決定。每個光聲腔相對光軸呈對稱分布，使得接收到的光強相等，且光束與光聲腔中軸線平行。所述光聲腔的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光口。所述的入光口處安裝有濾光片，所述的出光口安裝有出光口拋物面反光鏡。每個光聲腔入光口上裝設的濾光片可以通過不同波長的光束，即每個光聲腔分別用于檢測不同的氣體。所述每個光聲腔的中部位置都裝設有微音器。所述微音器的接收面的軸心垂直于光聲腔的側壁。所述出光口拋物面反光鏡的焦點在光聲腔的幾何中心處，使由出光孔射出的平行紅外光反射回光聲腔，并匯聚于光聲腔的幾何中心處。所述出光口拋物面反光鏡的直徑大于光聲腔的直徑，以減少拋物反射鏡面邊界處對光束的雜散反射。
[0011]特別地，因為氣樣中待檢測氣體存在交叉影響，按照傳統的檢測方式，測定完成一種吸收波段的光聲信號后，再改變光的波長進行檢測，兩個信號通過算法來求解出存在交叉干擾的每種氣體的濃度值。而實際上所述兩次檢測時的氣體成分有可能已經發生變化，這種求解存在著明顯的誤差；本發明利用多個光聲腔，每個光聲腔的入口端利用濾光片作為窗片，同時對多波段信號進行檢測，可以降低誤差。
[0012]每個所述的光聲腔軸向兩端都開有進氣口和出氣口，位于垂直于每個光聲腔軸向的側壁上，可以設定相鄰光聲腔的進氣口與出氣口分別相連，使得整個光聲信號產生模塊對外部只有一個總進氣口和總出氣口；也可以是某個或某幾個光聲腔的進氣口和出氣口相連，而其余幾個光聲腔的進氣口和出氣口相連，以分別檢測不同的氣體；如部分光聲腔可用于背景檢測，可以通入背景載氣，如空氣、氮氣或SF6等其他背景氣，其輸出的光聲信號可以用以檢測探測器的穩定性以及周邊環境溫度的變化等，另一部分光聲腔用于檢測樣品氣體的組分含量。
[0013]所述的控制及信號處理模塊包括鎖相放大器及DSP控制板，其中鎖相放大器有多個信號輸入通道，每個信號輸入通道通過信號線纜連接至微音器。產生的光聲信號經DSP進行處理，計算得到各氣體的濃度值。本發明可以同時對待檢測氣樣中的多種組分進行檢測，并可進行背景差分、交叉分析等處理，有效縮短了檢測時間，提高了檢測精度。無機械旋轉器件，壽命和穩定性。
[0014]所述微音器的頻率響應范圍是0.1Hz?30kHz，靈敏度大于20mV/Pa。所述鎖相放大器的頻率范圍為ImHz?102.4kHz，靈敏度為2nV?IV，增益精確度為±1%，動態存儲>100dB,具有GPIB和RS232兩種接口。
[0015]本發明比較傳統紅外光源使用的機械斬波器有著頻率穩定、參考信號無相位頻移等優點，同時不需要濾光片盤，較少了旋轉控制部件，并且減少了機械轉動部件的使用，有利于提高整套裝置的壽命。另外本發明利用多個光聲腔，每個光聲腔的入口端利用濾光片作為窗片，同時對多波段信號進行檢測，在測量具有交叉干擾多組分氣體時具有明顯的優勢。同時本發明可以以較小的體積實現多種氣體組分同時測量，有益于與MEMS等技術的結合應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明脈沖式多通道光聲光譜檢測裝置結構示意圖；
[0017]圖2a、圖2b、圖2c為本發明光聲光譜檢測裝置光聲池結構示意圖。

【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0019]圖1為本發明脈沖式多通道光聲光譜檢測裝置結構示意圖。如圖1所示，本發明裝置主要包括光源模塊1、光聲信號產生模塊2和控制及信號處理模塊3。光源模塊I由紅外光源1-1及拋物面反光鏡1-2構成。光聲信號產生模塊2包括光聲池2-1和微音器2-4。所述紅外光源1-1發出的光在控制及信號處理模塊3產生的電脈沖調制下發射出脈沖光束，經由拋物面反光鏡1-2反射后形成平行光束，然后入射至光聲信號產生模塊2中的光聲腔2-2中。光聲腔2-2內安裝的微音器2-4把待測氣體吸收紅外光所產生的光聲信號轉換為電信號，然后輸出至控制及信號處理模塊3進行信號處理，計算出待測氣體中各組分的濃度值。所述微音器2-4安裝在光聲腔2-2的側壁上，微音器2-4接收面的軸心垂直于光聲腔2-2側壁,并且位于光聲腔2-2中心處；微音器2-4產生的光聲電信號經DSP進行處理，計算得到各氣體的濃度值。
[0020]所述的紅外光源1-1固定安裝于拋物面反光鏡1-2的焦點處。拋物面反光鏡面鍍有一層金屬膜，以增大紅外波段的光輻射反射率。控制及信號處理模塊3中的DSP控制板產生的脈沖調制后的直流電壓通過電纜線3-2傳至紅外光源1-1的端口處，使紅外光源1-1產生脈沖平行光束。
[0021]圖2為本發明光聲光譜檢測裝置光聲池結構示意圖。如圖2a、2b、2c所示分別表示光聲腔的數量為2、4、6個時的截面圖。所述的光聲信號產生模塊2中的光聲池2-1的制作材料為黃銅或者不銹鋼。本發明實施例含有兩個或者兩個以上的圓柱形的光聲腔2-2，光聲腔的數量由待檢測的氣體的種類決定。光聲腔2-2的軸心圍繞光源模塊I的光軸呈圓周陣列等角度分布。光聲腔2-2的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光口。入光口處安裝有濾光片，出光口處安裝有拋物面反光鏡。濾光片通過壓圈進行固定，并使用密封膠進行密封。出光孔拋物面反光鏡的焦點在光聲腔的幾何中心處，使由出光孔射出的平行紅外光反射回光聲腔，并匯聚于光聲腔的幾何中心處。所述出光口拋物面反光鏡的直徑大于光聲腔的直徑。垂直于每個光聲腔軸向的光聲腔兩端側壁上開有進氣口和出氣口，相鄰的光聲腔的進氣口與出氣口可以分別相連，整個光聲信號產生模塊對外部只有一個進氣口和出氣口。
【權利要求】
1.一種用于氣體檢測的脈沖式多通道光聲光譜裝置，其特征在于，所述的光聲光譜裝置包括光源模塊(I)、光聲信號產生模塊(2)和控制及信號處理模塊(3);所述光聲信號產生模塊(2)安裝在光源模塊(I)之后，使得光源模塊(I)產生的光束垂直的射入光聲信號產生模塊(2)，光束的中心線與光聲信號產生模塊(2)的中心線同軸；所述控制及信號處理模塊(3)與光聲信號產生模塊(2)、光源模塊(I)有電連接，用來控制光聲信號產生模塊(2)和光源模塊(I);所述的光源模塊(I)包括紅外光源(1-1)和拋物面反光鏡(1-2);所述的紅外光源(1-1)固定安裝于拋物面反光鏡(1-2)的焦點處，由控制及信號處理模塊(3)產生的電脈沖進行光輻射強度調制，形成脈沖光束；脈沖光束經由拋物面反光鏡(1-2)反射后形成平行光束，然后入射至光聲信號產生模塊(2)光聲池的光聲腔(2-2)中；所述拋物面反光鏡(1-2)鏡面鍍有一層紅外波段的高反射膜；拋物面反光鏡(1-2)拋物面直徑略大于光聲池的直徑；所述的光聲池由兩個或多個圓柱形的光聲腔(2-2),以及與每個光聲腔(2-2)上安裝的濾光片組成；所述光聲腔(2-2)的軸心圍繞光源模塊(I)的中心光軸呈圓周陣列分布；光聲腔(2-2)的數量由待檢測的氣體種類決定，每個光聲腔分別用于檢測不同的氣體；每個光聲腔相對光源模塊(I)的光軸呈對稱分布，使得接收到的光強相等，且光束與光聲腔(2-2)的中軸線平行；所述光聲腔(2-2)的軸向兩端開有圓形通孔，分別為入光口和出光口 ；所述的入光口安裝有濾光片，所述的出光口安裝有出光口拋物面反光鏡；每個光聲腔入光口上裝設的濾光片能夠通過不同波長的光束；每個光聲腔(2-2)的中部位置的側壁上裝設有微音器(2-4);微音器的接收面的軸心垂直于光聲腔的側壁,所述出光口拋物面反光鏡(1-2)的焦點在光聲腔(2-2)的幾何中心處，使由出光孔射出的平行紅外光反射回光聲腔，并匯聚于光聲腔(2-2)的幾何中心處；所述出光口拋物面反光鏡(1-2)的直徑大于光聲腔(2-2)的直徑，以減少拋物反射鏡面邊界處對光束的雜散反射；在每個所述的光聲腔(2-2)垂直于其軸向的兩端側壁上開有進氣口和出氣口。相鄰的所述光聲腔的進氣口與出氣口分別相連，整個光聲信號產生模塊對外部只有一個進氣口和出氣口。
2.根據權利要求1所述的光聲光譜檢測裝置，其特征在于，所述的光聲腔(2-2)中的微音器(2-4)把待測氣體吸收紅外光所產生的光聲信號轉換為電信號，然后輸出至控制及信號處理模塊(3)進行信號處理，計算出待測氣體中各組分的濃度值；每個光聲腔的入口端利用濾光片作為窗片，同時對多波段信號進行檢測，測量具有交叉干擾的多組分氣體。
3.根據權利要求1所述的光聲光譜檢測裝置，其特征在于，所述的控制及信號處理模塊(3)包括鎖相放大器及DSP控制板；所述的DSP控制板產生的脈沖調制后的直流電壓通過電纜線(3-2)連接至紅外光源(1-1);所述的鎖相放大器包括有多個信號輸入通道，每個信號輸入通道通過信號線纜連接至微音器(2-4)。
【文檔編號】G01N21/3504GK104458634SQ201410697178
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】張國強, 邱宗甲, 李康 申請人:中國科學院電工研究所