[發明專利]一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 202011626794.4
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112834430B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 武紅鵬;董磊;衛婷婷;文欽佐·路易吉·斯帕格諾;安杰洛·桑保羅;彼得羅·帕蒂米斯科;瑪麗萊納·吉利奧
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/01;G01N21/03;G01N21/09
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 張向瑩

1.一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置的氣體檢測方法，其特征在于：所述基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置包括：脈沖光聲信號的激勵光源部分、光聲系統模塊(3)和數據采集及處理部分；所述脈沖光聲信號的激勵光源部分包括激光器(1)、激光驅動器(5)、加法器(6)、激光波長調制函數發生器(7)、激光波長掃描函數發生器(8)；所述激光驅動器(5)的輸入端與加法器(6)輸出端相連接，所述激光驅動器(5)的輸出端與激光器(1)輸入端相連接，所述加法器(6)的第一輸入端、第二輸入端分別與激光波長調制函數發生器(7)、激光波長掃描函數發生器(8)的信號輸出端相連接；所述光聲系統模塊(3)包含共振光聲池(31)和氣體控制模塊(32)，其中共振光聲池(31)包括共振聲學腔(311)、位于共振聲學腔(311)兩端的激光入射窗口(312)及激光出射窗口(313)、位于共振光聲池(31)一側壁上的聲電換能器件(314)以及位于共振光聲池(31)另一側壁上的氣體輸入端口(315)和氣體輸出端口(316)；所述聲電換能器件(314)為靈敏的駐極體電容麥克風，用來探測共振聲學腔(311)中積累的聲波能量，所述聲電換能器件(314)位于共振光聲池(31)對稱中心位置，所述氣體輸入端口(315)和氣體輸出端口(316)分別位于共振光聲池(31)靠近激光入射窗口(312)以及激光出射窗口(313)位置；所述氣體控制模塊(32)包括一號針閥(321)、氣體質量流量計(322)、氣體壓力計(323)和二號針閥(324)，且沿氣體流動方向依次設置一號針閥(321)、氣體質量流量計(322)、共振光聲池(31)、氣體壓力計(323)、二號針閥(324)，其中，氣體質量流量計(322)與氣體輸入端口(315)連接，氣體壓力計(323)與氣體輸出端口(316)連接；所述數據采集及處理部分包括光聲信號預處理電路模塊(4)、鎖相放大器(9)、數據采集卡(10)、單片機或微型計算機(11)；所述光聲信號預處理電路模塊(4)的輸入端與聲電換能器件(314)輸出端相連接，光聲信號預處理電路模塊(4)輸出端與鎖相放大器(9)的信號輸入端相連接，所述鎖相放大器(9)的參考信號端與激光波長調制函數發生器(7)同步信號輸出端相連接，鎖相放大器(9)的信號輸出端與數據采集卡(10)相連接，所述數據采集卡(10)與單片機或微型計算機(11)相連接；

所述激光波長掃描函數發生器(8)輸出自定義掃描波形，具體為一段上升的斜波和一段水平的波形和一段下降的斜波以及一段水平的波形，一段上升和一段下降的波形均用來掃描目標氣體的特征吸收線，在每一段上升斜波后的一段水平波形以及在每一段下降斜波后的一段水平波形均用來等待聲波在共振光聲池(31)中阻尼振蕩的完成，所述自定義掃描波形的頻率變化決定著激光器(1)輸出激光波長的掃描速率，以確保有效激發拍頻信號的產生；

所述檢測方法包括以下步驟：

(a)、沿氣體流動方向依次安裝一號針閥(321)、氣體質量流量計(322)、共振光聲池(31)、氣體壓力計(323)、二號針閥(324)；將待測氣體從氣體輸入端口(315)充入共振光聲池(31)的共振聲學腔(311)內，并使其經氣體輸出端口(316)向外輸出；一號針閥(321)、氣體質量流量計(322)、氣體壓力計(323)、二號針閥(324)將協同作用實現對共振聲學腔(311)內氣體壓強及流速的精確控制；

(b)、激光波長掃描函數發生器(8)輸出自定義掃描波形，通過加法器(6)傳輸至激光驅動器(5)，然后激光驅動器(5)驅使激光器(1)的工作電流快速掃描通過目標氣體的特征吸收線，從而使目標氣體短時間內吸收激光能量并基于光聲效應釋放準脈沖式的聲波信號；進行第n次測量時，激光波長調制函數發生器(7)輸出頻率為f的正弦波形的調制信號，通過加法器(6)傳輸至激光驅動器(5)，使得激光器(1)以偏離第n-1次測量獲得的共振光聲池(31)共振頻率f_n-1的調制頻率f進行波長調制；所述的激光器(1)以偏離共振光聲池(31)共振頻率f_n的調制頻率f進行波長調制；其調制頻率f與共振光聲池(31)的共振頻率f_n存在10-200Hz的差值，以保證拍頻信號的產生；

設定激光波長調制函數發生器(7)的輸出頻率f時用到的共振光聲池(31)共振頻率f_n，在首次測量時為共振光聲池的標稱共振頻率，即出廠測試頻率；后續測量過程中，將由單片機或微型計算機(11)軟件自動調用上一次的共振頻率測量結果，即第n次測量時設定激光波長調制函數發生器(7)輸出頻率為f時，用到的共振光聲池(31)共振頻率為f_n-1；

(c)、聲波信號被共振光聲池(31)內安裝的聲電換能器件(314)探測并轉變為電流信號向外輸出；

(d)、聲電換能器件(314)輸出的電流信號被光聲信號預處理電路模塊(4)放大并轉變為電壓信號傳輸至鎖相放大器(9)；

(e)、鎖相放大器(9)以激光波長調制函數發生器(7)輸出調制信號的頻率f對光聲信號預處理電路模塊(4)輸出的電壓信號進行解調，從而獲得頻率為|f–f_n|的拍頻信號，即f_拍＝|f-f_n|；

(f)、由數據采集卡(10)采集鎖相放大器(9)解調后的拍頻信號，通過單片機或微型計算機(11)中的計算軟件分析拍頻信號的幅值P，并通過公式(1)計算獲得目標氣體濃度C：

(1)

其中，C₀為已知目標氣體濃度，P為實際測量拍頻信號第一個峰值點的幅值，P₀為C₀濃度下的拍頻信號第一個峰值點的幅值；

通過單片機或微型計算機(11)中的計算軟件分析第n次測量獲得的拍頻信號的頻率f_拍，并通過公式f_拍＝|f-f_n|，結合已知的調制頻率f的數值，計算獲得本次測量時共振光聲池(31)的共振頻率f_n；

由數據采集卡(10)采集鎖相放大器(9)解調后的第n次測量獲得的拍頻信號；所述拍頻信號有多個峰值，對這些信號峰值點進行e指數擬合，可得到第n次測量獲得的拍頻信號的衰蕩時間τ，依據上述獲得的共振光聲池(31)的共振頻率f_n，并依據公式(2)獲得共振光聲池(31)的品質因數Q：

Q＝π·f_n·τ (2)。