[發(fā)明專利]一種基于紅外光源的光聲光譜氣體檢測(cè)裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310256245.6
• 申請(qǐng)日: 2013-06-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104251819A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許雪梅;李奔榮;楊兵初;蔣禮;尹林子;丁一鵬;曹粲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/17
• 分類號(hào): G01N21/17;G01N21/25
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

所屬技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外光源和光聲光譜技術(shù)能對(duì)多種氣體進(jìn)行濃度檢測(cè)的氣體檢測(cè)裝置。

背景技術(shù)

氣體檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療診斷、化工化學(xué)以及近幾年較熱的變壓器故障診斷等領(lǐng)域，由此，近年來(lái)對(duì)痕量氣體的靈敏檢測(cè)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。光聲光譜是利用光聲效應(yīng)檢測(cè)吸收物濃度的一種光譜技術(shù)，由于其高靈敏度、高選擇性、大動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍和能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量多種氣體成分等突出優(yōu)點(diǎn)，受到研究學(xué)者們的日益關(guān)注并逐步廣泛應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的氣體檢測(cè)。

光聲光譜屬于一種無(wú)背景的光譜測(cè)量技術(shù)，具有探測(cè)靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大以及光聲光譜探測(cè)器的響應(yīng)率幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)方法不同，光聲技術(shù)是檢測(cè)物體吸收光能后產(chǎn)生的熱能中以聲壓形式表現(xiàn)出來(lái)的那部分能量，而在20世紀(jì)70年代隨著聲弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的不斷積累和發(fā)展，高靈敏度微音器和壓電陶瓷的出現(xiàn)，光聲光譜(PAS)技術(shù)得到廣泛的重視，尤其在微量氣體檢測(cè)方面，PAS技術(shù)獲得了廣泛的研究和發(fā)展，因此即使在高反射弱吸收的情況下，很小的吸收能也可以被聲波檢測(cè)器檢測(cè)。

但是，現(xiàn)今研制的光聲光譜氣體分析儀大多使用激光作為光源，成本較高的同時(shí)發(fā)射譜寬也有極大的限制，從而限制著所檢測(cè)的氣體種類。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于紅外光源的光聲光譜氣體檢測(cè)裝置，可對(duì)多種氣體進(jìn)行濃度檢測(cè)。利用紅外光源的廉價(jià)性和寬光譜特點(diǎn)，可以大程度節(jié)縮氣體分析儀成本并實(shí)現(xiàn)多種氣體檢測(cè)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案：

本發(fā)明裝置分四個(gè)模塊：光源模塊、光聲腔模塊、信號(hào)采集模塊。

光源模塊：使用鋁膜凹面鏡對(duì)紅外光源發(fā)散光束進(jìn)行匯聚，選用一個(gè)焦距為10cm的凸透鏡和兩個(gè)焦距為2cm的凸透鏡組成透鏡組對(duì)光線進(jìn)行級(jí)聯(lián)收束準(zhǔn)直，其排列順序?yàn)?cm焦距透鏡-10cm焦距透鏡-2cm焦距透鏡，經(jīng)過(guò)收束后的光束變成寬度約為40mm的平行光，經(jīng)過(guò)濾光片濾波后光束入射進(jìn)入光聲池。

光聲腔模塊：所述諧振腔為圓柱型，兩邊連通同軸緩沖室，諧振腔腔長(zhǎng)為10cm，腔內(nèi)徑為1.4cm，緩沖室長(zhǎng)度為5cm，緩沖室直徑為5cm。光聲腔入射端貼合高透射石英，尾端放置鍍銀反射鏡，形成一次反射。

信號(hào)采集模塊：諧振腔中間位置上部緊密貼合微音器。微音器輸出端連接前置放大器，再與SR830型號(hào)鎖相放大器相連，最后鎖相放大器與PC連接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

有益效果：本發(fā)明基于光聲光譜氣體檢測(cè)的原理，使用低成本紅外光源，設(shè)計(jì)了靈敏度較好的光聲光譜氣體檢測(cè)裝置，該裝置避開(kāi)了昂貴的激光發(fā)射裝置，成本得到節(jié)縮，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)性好，由于紅外光源的寬譜特性，能方便的對(duì)多種氣體進(jìn)行檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

其中：1、紅外光源，2、凹面反射鏡，3、厚凸透鏡，4、薄凸透鏡，5、厚凸透鏡，6、緩沖室，7、進(jìn)氣口，8、諧振腔，9、出氣口，10、反射鏡，11、微音器，12、濾光盤，13、斬波器，14、DSP，15、無(wú)刷直流電機(jī)，16、前置放大器，17、鎖相放大器，18、計(jì)算機(jī)，19、紅外對(duì)管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施過(guò)程對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，整個(gè)氣體檢測(cè)裝置分三大模塊：光源模塊、光聲腔模塊、信號(hào)采集模塊。

光源采用JSIR450型號(hào)穩(wěn)態(tài)紅外光源1，其輸出波長(zhǎng)覆蓋500-10000nm，滿足多種氣體測(cè)量所需照射波長(zhǎng)，其發(fā)散光束由凹面反射鏡2進(jìn)行匯聚并經(jīng)過(guò)焦距為2cm的凸透鏡3匯聚準(zhǔn)直，得到的光束光斑較大，因此再由焦距為10cm的凸透鏡4收束并再由焦距為2cm的凸透鏡匯聚準(zhǔn)直，得到寬度為4mm的平行光。

其后光路再設(shè)置有濾光盤12和斬波器13進(jìn)行濾波和光調(diào)制。DSP14控制無(wú)刷直流電機(jī)15驅(qū)動(dòng)斬波器，進(jìn)而控制斬波器13斬波頻率對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。

濾光盤12設(shè)6個(gè)濾光片鑲嵌孔，根據(jù)待測(cè)氣體選取合適的濾光片進(jìn)行安裝。

斬波器的斬波頻率為1643HZ，與光聲腔形成共振，放大聲波信號(hào)。

諧振腔8為圓柱型，采用黃銅材料，兩邊連通同軸緩沖室6，諧振腔8腔長(zhǎng)為10cm，腔內(nèi)徑為1.4cm，緩沖室6長(zhǎng)度為5cm，直徑為5cm。光聲腔入射端貼合高透射石英，尾端放置鍍銀反射鏡10，形成一次反射。

諧振腔中間位置緊貼微音器11EK-3303，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)由前置放大器16輸入雙相鎖相放大器17，其型號(hào)為SR830，參考信號(hào)由紅外對(duì)管19檢測(cè)光調(diào)制頻率輸入鎖相放大器17。最后由計(jì)算機(jī)收集信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出對(duì)應(yīng)氣體濃度。