[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

本發明公開了一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置及方法，屬于氣體傳感技術領域。該氣體檢測裝置包括脈沖光聲信號的激勵光源模塊、光聲系統模塊、數據采集及處理部分；本發明通過探測解調激勵光源在光聲池內激發的脈沖式光聲信號獲得拍頻信號，實現對目標氣體濃度和光聲池電學參數的同步快速測量。解決了現有的基于共振型光聲池的氣體檢測裝置及方法存在的共振光聲池共振頻率等電學參數需要反復校準且裝置響應時間長的問題。可用于國防科研、航天航空、工業過程控制等眾多領域中的氣體在線監測。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術，具體涉及一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置及方法。

背景技術

光聲光譜技術已經廣泛應用于大氣環境監測、無創醫療診斷，工業廢氣測量等領域。相較于基于其他方法的痕量氣體檢測裝置，光聲光譜技術有以下幾點顯著的優勢：1零背景探測技術：只有當目標氣體與激勵光源作用后才能產生光聲信號；2沒有波長選擇性：該技術是聲學傳感器，不受波長限制，可探測從紫外到THz波段所有的激勵光源；3線性度好：一個校準點就可以獲得傳感器的響應信號值和氣體濃度的特征函數；4使用壽命長：光聲光譜裝置簡單，無易損部件。該技術目前已被應用于多領域實際工程測量中。

雖然傳統的基于光聲池光聲光譜技術已被應用于各個領域，但仍存在一些問題限制其被廣泛應用，其中最主要的兩點問題為：1由于傳統的基于光聲池光聲光譜技術采用2f波長調制技術，考慮數據處理及儀器響應時間，傳統的基于光聲光譜技術的氣體傳感裝置的單次采樣時間接近甚至超過一分鐘。這使得傳統的光聲光譜技術不能很好的被應用于快速在線痕量氣體測量領域；2共振光聲池僅能高效響應頻率等于共振光聲池共振頻率的光聲信號，因此激勵光聲信號的光源必須被嚴格以共振光聲池共振頻率進行調制。而共振光聲池的共振頻率與其幾何尺寸及制造工藝密切相關，因此，即使是同一批次生產的共振光聲池，在投入使用前也需要逐一測定其共振頻率。另外，當環境溫度以及氣體組分或濃度等外界因素發生變化時，共振光聲池的共振頻率也將產生漂移，若不及時校準共振光聲池的共振頻率將導致相關裝置的測量結果偏離實際值。此外，共振光聲池的品質因數也會隨外界因素的變化而變化，而品質因數會影響共振光聲池的響應時間，當激勵光波長掃描時間與共振光聲池響應時間相比明顯過短時，裝置采集到的信號將產生拖尾現象，從而造成探測結果的失真。為避免共振光聲池固有電學參數變化對探測結果造成的影響，傳統的基于共振光聲池的光聲光譜裝置在實際使用過程中通常需要暫停氣體檢測，并對共振光聲池固有電學參數進行校準，校準所需時間通常300s，這使得傳統的基于共振光聲池的光聲光譜技術無法實現痕量氣體的快速連續在線檢測。

本發明通過采用一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測方法，可實現共振光聲池固有電學參數與氣體濃度的同步測量，即在實現裝置固有參數自校準的同時，實現對目標氣體濃度的快速連續在線監測。

發明內容

針對現有技術中基于光聲池的傳統激光檢測技術響應時間較長、以及無法實時校準共振光聲池共振頻率和品質因數的問題，本發明提供一種基于光聲池聲脈沖激勵的氣體檢測裝置及方法，該方法不僅能夠實現氣體濃度的快速檢測，而且能夠同時實現對共振光聲池共振頻率和品質因數的測量。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：