光声池及多组分气体检测系统

技术领域

本发明涉及光声光谱气体检测技术领域，具体地，涉及一种光声池及多组分气体检测系统。

背景技术

随着激光技术的发展，光学气体检测技术被越来越多的研究者发展起来，其中，光声光谱技术因其较高的检测灵敏度、较小的体积以及良好的气体选择性受到了研究者的广泛关注。为了获得更大的声信号，声学共振技术被应用在光声光谱领域，共振型光声池就是为了形成声学共振所设计的结构，当入射光束的调制频率满足光声池的共振频率时，所激发出的声波将在光声池腔体内产生共振，形成声驻波，测量波腹位置的声压即可得到最大的声信号。

现有技术中的光声池通常为“圆柱型”结构，包括“一字型”光声池、“H型”光声池以及“T型”光声池等。但由于它们的光束入射窗口普遍位于圆柱体两端，只存在单一的轴向光束通路，不便于多光束的入射，继而不利于进行多组分气体检测系统的集成。尤其是对于中远红外光束与近红外光束同时使用的场景，由于两种光束波长差距较大，且耦合方式不同，因此二者较难进行合束，即便能够合束，其损耗也会很大，或需要多种光器件的组合，增大系统复杂度。同时，由于较细的腔体具有更强的声放大能力，因此在满足光束正常通过的前提下应尽可能减小腔体的直径，而在光束直径不一的工作条件下，常规光声池的内径无法变化，往往无法达到高效的声学放大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本发明提供了一种光声池及多组分气体检测系统，通过增加入射窗口的数量，可以使不同直径的入射光束选择不同直径的腔体入射，解决了单一入射窗口无法实现多光束入射的情况，从而避免了因为光束合束引起的光功率损耗，实现了在多组分气体检测过程中更高效地放大声压信号。

(二)技术方案

本发明实施例第一个方面提供了一种光声池，包括：池体；第一腔体，设于池体内；缓冲室，设于第一腔体的两端，且与第一腔体连通；第二腔体，贯穿于第一腔体设置，且与第一腔体贯通；所述第一腔体和所述第二腔体一体成型，共同形成谐振腔体；第一腔体、缓冲室和第二腔体均为圆柱型结构，缓冲室的直径大于第一腔体的直径；光学玻璃窗片，安装于缓冲室的两端和第二腔体的两端，用于为激光光束提供入射口并密封缓冲室和第二腔体；其中，激光光束的调制频率为谐振腔体的共振频率的二分之一；微音器开孔，设于谐振腔体内。在光学玻璃窗片的密封作用下，光声池内部处于密闭状态，激光光束经光学玻璃窗片入射，进入第一腔体和第二腔体的内部，调节激光光束的调制频率达到第一腔体和第二腔体的共振频率的二分之一时，第一腔体和第二腔体的内部产生声驻波效应，此时，声压信号最大。

本发明实施例提供的光声池通过增加入射窗口的数量，解决了单一入射窗口无法实现多光束入射的情况，同时能更高效地放大声压信号，适用于多组分气体检测的环境，该光声池尺寸小，结构简单，易于加工。

在本发明一实施例中，第二腔体的直径小于第一腔体的直径，微音器开孔设于第二腔体的一端。根据声学理论，较细的圆柱形腔体具有更强的声压信号放大能力，因此第二腔体的直径小于第一腔体的直径有助于进一步提高沿第二腔体传播的激光光束所激发的声压信号，在此情况下将微音器开孔设于第二腔体的一端，有助于更好的探测声压信号。在多光束入射的情况下，对于较细的入射光束，可以选取直径较小的第二腔体入射，而对于较粗的入射光束，可以选择直径较大的第一腔体入射。

本发明实施例提供的光声池通过设置不同直径的腔体，可以使不同直径的入射光束选择不同直径的腔体入射，从而避免了因为光束合束引起的光功率损耗，提高了不同直径光束的声激发效率，有效解决了多光束与光声池耦合难的问题。

在本发明一实施例中，第一腔体的轴线和缓冲室的轴线重合；第一腔体和缓冲室关于第二腔体的轴线对称，第二腔体关于第一腔体的轴线对称。对称设置的池体结构可以增加整个装置的稳定性，且能降低结构的加工难度。

在本发明一实施例中，第一腔体与第二腔体垂直设置，垂直结构的设置便于加工。

在本发明一实施例中，缓冲室的侧壁设有导气口，用于进气和排气；导气口处设有气阀，用于控制导气口的进气量和排气量。

在本发明一实施例中，光学玻璃窗片的材料包括氟化钙材料。

在本发明一实施例中，光学玻璃窗片包括平面镜、反光镜和透镜。

在本发明一实施例中，池体的材料包括金属材料。

在本发明一实施例中，金属材料包括铜。

本发明实施例第二个方面提供了一种多组分气体检测系统，包括：激光器阵列，用于发射激光光束；控制电路，与激光器阵列电连接，用于控制激光器阵列按照预设顺序发射激光光束；光声池，用于为光声过程提供发生场所、隔绝外界气氛环境，并放大光声过程所产生的声压信号，光声池为如权利要求1～9中任一项的光声池；微音器，安装于微音器开孔处，用于探测声压信号；信号预处理电路，与微音器电连接，用于对声压信号进行预处理；锁相放大器，与信号预处理电路电连接，用于提取并输出声压信号；计算机，与锁相放大器电连接，用于根据声压信号计算多组分气体的浓度信息，完成多组分气体浓度的检测。

本发明实施例提供的多组分气体检测系统，基于光声池的结构体系，每一种激光器对应一种待测气体，使用时分复用的工作方式能避免不同种类气体测试信号间的相互干扰。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种光声池及多组分气体检测系统，至少具有以下有益效果：

(1)本发明实施例提供的光声池通过增加入射窗口的数量，解决了单一入射窗口无法实现多光束入射的情况，能更高效的放大声压信号，适用于多组分气体检测的环境；该光声池尺寸小，结构简单，易于加工。

(2)本发明实施例提供的光声池通过设置不同直径的腔体，可以使不同直径的入射光束选择不同直径的腔体入射，从而避免了因为光束合束引起的光功率损耗，提高了不同直径光束的声激发效率，有效解决了多光束与光声池耦合难的问题。

(3)本发明实施例提供的多组分气体检测系统，基于光声池的结构体系，每一种激光器对应一种待测气体，使用时分复用的工作方式，能够使该检测系统在多组分气体检测过程中更精确地完成气体浓度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示意性示出了本发明实施例提供的光声池的结构图。

图2示意性示出了本发明实施例提供的多组分气体检测系统的结构图。

图3示意性示出了本发明实施例提供的光声池腔体内部发生共振时的声场分布图。

【附图标记】

1-光声池；11-池体；12-第一腔体；13-缓冲室；14-第二腔体；15-光学玻璃窗片；16-微音器开孔；17-导气口；

2-激光器阵列；

3-控制电路；

4-微音器；

5-信号预处理电路；

6-锁相放大器；

7-计算机；

8-第一波腹，81-第一波节；

9-第二波腹，92-第二波节。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

图1示意性示出了本发明实施例提供的光声池的结构图。

如图1所示，本发明的第一实施例提供的光声池1，可以包括：池体11、第一腔体12、缓冲室13、第二腔体14、光学玻璃窗片15和微音器开孔16。

其中，从图1所示的方向看，第一腔体12横向设于池体11内。

缓冲室13设于第一腔体12的两端，且与第一腔体12连通。

第二腔体14纵向贯穿于第一腔体12设置，且与第一腔体12贯通；第一腔体12和第二腔体14一体成型，共同形成谐振腔体；该第一腔体12、缓冲室13和第二腔体14均为圆柱型结构，该缓冲室13的直径大于第一腔体12的直径。

光学玻璃窗片15安装于缓冲室13的两端和第二腔体14的两端，用于为激光光束提供入射口并密封缓冲室13和第二腔体14；其中，激光光束的调制频率为谐振腔体的共振频率的二分之一。

微音器开孔16设于第一腔体12或第二腔体内14。

在光学玻璃窗片15的密封作用下，光声池1内部处于密闭状态，激光光束经光学玻璃窗片15入射，进入第一腔体12和第二腔体14的内部，调节激光光束的调制频率达到谐振腔体的共振频率的二分之一时，第一腔体12和第二腔体14的内部产生声驻波效应，此时，声压信号最大。

本发明实施例提供的光声池1通过增加入射窗口的数量，解决了单一入射窗口无法实现多光束入射的情况，能更高效地放大声压信号，适用于多组分气体检测的环境，该光声池1尺寸小，结构简单，易于加工。

在上述实施例的基础上，第二腔体14的直径小于第一腔体12的直径，微音器开孔16设于第二腔体14的一端；根据声学理论，较细的圆柱形腔体具有更强的声压信号放大能力，因此第二腔体14的直径小于第一腔体12的直径有助于进一步提高沿第二腔体14传播的激光光束所激发的声压信号，在此情况下将微音器开孔16设于第二腔体14的一端，有助于更好的探测声压信号。因此在多光束入射的情况下，对于较细的入射光束，可以选取直径较小的第二腔体14入射，而对于较粗的入射光束，可以选择直径较大的第一腔体12入射。

作为优选实施例，在本实施中提供的第一腔体12的半径为3mm，长度为30mm。

作为优选实施例，在本实施中提供的缓冲室13的半径为15mm，长度为10mm。

作为优选实施例，在本实施中提供的第二腔体14的半径为1mm，长度为26mm。

本发明实施例提供的光声池1通过设置不同直径的腔体，可以使不同直径的入射光束选择不同直径的腔体入射，从而避免了因为光束合束引起的光功率损耗，提高了不同直径光束的声激发效率，有效解决了多光束与光声池耦合难的问题。

在上述实施例的基础上，该第一腔体12的轴线和缓冲室13的轴线重合；第一腔体12和缓冲室13关于第二腔体14的轴线对称，第二腔体14关于第一腔体12的轴线对称，对称设置的池体结构可以增加整个装置的稳定性，且能降低结构的加工难度，第一腔体12与第二腔体14垂直设置，垂直结构的设置便于加工。

在上述实施例的基础上，该缓冲室13的侧壁设有导气口17，用于进气和排气，该导气口17处设有气阀，用于控制导气口的进气量和排气量。

在上述实施例的基础上，该光学玻璃窗片15包括平面镜、反光镜和透镜。作为优选实施例，在本实施中提供的光学玻璃窗片15采用高透光率的平面镜。

在上述实施例的基础上，该光学玻璃窗片15的材料包括氟化钙材料。

在上述实施例的基础上，该池体11的材料包括金属材料，例如可以为铜。

图2示意性示出了本发明实施例提供的多组分气体检测系统的结构图。

如图2所示，本发明实施例提供的多组分气体检测系统，可以包括：光声池1、激光器阵列2、控制电路3、微音器4、信号预处理电路5、锁相放大器6和计算机7。

其中，光声池1用于为光声过程提供发生场所、隔绝外界气氛环境，并放大光声过程所产生的声压信号。

激光器阵列2用于发射激光光束，每个激光器对应一种待测气体。

控制电路3与激光器阵列2电连接，用于控制激光器阵列2按照预设顺序发射激光光束。

微音器4安装于微音器开孔16处，用于探测声压信号。作为优选实施例，在本实施中提供的微音器4为电容式麦克风。

信号预处理电路5与微音器4电连接，用于对声压信号进行预处理。

锁相放大器6与信号预处理电路5电连接，用于提取并输出声压信号。作为优选实施例，在本实施中提供的锁相放大器6为数字锁相放大器，该数字锁相放大器具有数字信号输出功能，从而实现向计算机7输送声压信号。

计算机7与锁相放大器6电连接，用于根据声压信号计算多组分气体的浓度信息，完成多组分气体浓度的检测。

以四种气体检测为例，计算机7通过控制电路3控制激光器阵列2依次工作，每个激光器对应一种待测气体，系统以时分复用的方式工作，每个激光器按照顺序启动，发射周期性调制的窄宽激光光束，依据激光光束的不同直径分别由不同的光学玻璃窗片1 5入射进入光声池1的不同腔体内，调节激光光束的调制频率，使其与光声池1的共振频率相匹配，即调节激光光束的调制频率达到第一腔体12和第二腔体14的共振频率的二分之一时，第一腔体12和第二腔体14的内部产生声驻波效应，使激发出的声压信号得到共振放大。声压信号被放置于微音器开孔16处的微音器4进行探测，获得的声压信号将在信号预处理电路5中进行预处理，进而被传入锁相放大器6中进行解调，解调后的声压信号被发送至计算机7中进行气体浓度的计算。在存在两束激光光束沿同一腔体对射的情况下，需保证完全关闭一个激光器后再开启另一个激光器，以免激光器对射时产生相互干扰。

本发明实施例提供的多组分气体检测系统，基于光声池1的结构体系，每一种激光器对应一种待测气体，使用时分复用的工作方式能避免不同种类气体测试信号间的相互干扰。

图3示意性示出了本发明实施例提供的光声池腔体内部发生共振时的声场分布图。

如图3所示，本发明实施例提供的光声池1在发生共振时腔体内部有统一的共振模式，该共振模式可以理解为第一腔体12和第二腔体14两部分腔体独立共振模式的叠加。根据声学理论，较细的圆柱形腔体具有更强的声压信号放大能力，第二腔体14的直径小于第一腔体12的直径有助于进一步提高沿第二腔体14传播的激光光束所激发的声压信号，选取最低共振频率作为工作频率，在这一共振频率下，第一腔体12中的声压信号的波腹即第一波腹8位于该第一腔体12的中心，该第一腔体12与缓冲室13的交界处为第一波节81，第二腔体14中的声压信号的波腹即第二波腹9位于该第二腔体14的两端，该第二腔体14与第一腔体12的交界处为第二波节91。整个腔体即第一腔体12和第二腔体14的声压信号的最大位置处位于第二波腹9。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。