專利名稱：一種氫氣濃度的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種氫氣濃度的光聲檢測方法，特別涉及到通過測量共振式光聲池共振頻率的變化量來確定混合氣體中氫氣濃度的方法。
背景技術(shù)：
氫氣不僅是一種重要的工業(yè)原料，在宇航器燃料箱監(jiān)控、氫冷發(fā)電機檢漏、大型電力變壓器在線故障診斷以及可燃性氣體檢測等領(lǐng)域氫氣都是一種重要的標(biāo)志性氣體。
目前，較為廣泛使用的氫氣傳感器根據(jù)其傳感機制可以分為基于電化學(xué)、氣敏陶瓷和熱導(dǎo)率測量的三類。電化學(xué)氫氣傳感器利用電解池原理將氣體的濃度轉(zhuǎn)換為電信號，其突出不足在于使用壽命較短。氣敏陶瓷氫氣傳感器則主要是利用金屬氧化物型半導(dǎo)體的氣敏特性，其工作溫度較高、動態(tài)范圍較小。并且上述兩類氫氣傳感器在氣體選擇性和工作穩(wěn)定性上也都存在明顯缺欠。相比之下，熱導(dǎo)式氫氣傳感器利用氫氣具有較高熱導(dǎo)率的特性通過熱敏元件的溫度變化來確定氫氣的濃度，其使用壽命較長、動態(tài)范圍也較大，但其在靈敏度和工作穩(wěn)定性之間必須有所取舍。
氣體的光聲光譜檢測技術(shù)也是一種有效的氣體檢測手段。近年來隨著激光光源的發(fā)展和應(yīng)用，光聲光譜檢測技術(shù)顯示出時間響應(yīng)快、檢測靈敏度高、動態(tài)范圍大、選擇性好等優(yōu)點，但其檢測對象僅限于對紅外波段有光吸收的氣體，對在該波段不存在光吸收的氫氣不具備檢測能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易的氫氣檢測方法，以實現(xiàn)利用光聲光譜技術(shù)對紅外波段沒有吸收的氫氣的檢測，為氫氣濃度檢測提供一種實時、高靈敏度、高穩(wěn)定性、大動態(tài)范圍的手段。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，通過測量共振式光聲池共振頻率的變化量來確定共振式光聲池內(nèi)包含紅外吸收氣體的混合氣體中氫氣的濃度。
本發(fā)明采用紅外可調(diào)諧激光器為光源，激光輸出經(jīng)過一個頻率可調(diào)的光強度調(diào)制器后，入射到含有氫氣和其它紅外吸收氣體的共振式光聲池內(nèi)，吸收氣體吸收激光能量后產(chǎn)生光聲信號并被微音器檢測。通過連續(xù)掃描光強度調(diào)制器(例如斬波器)的調(diào)制頻率，并同時測量相應(yīng)的光聲信號，得到光聲信號隨共振式光聲池工作頻率變化的曲線。根據(jù)該曲線中光聲信號的峰值可以確定相應(yīng)氫氣濃度下的共振式光聲池共振頻率。
本發(fā)明中混合氣體的平均分子量靈敏地依賴于氫氣的濃度，而共振式光聲池的共振頻率又取決于混合氣體的平均分子量，于是可得共振式光聲池共振頻率與氫氣濃度之間呈近似線性對應(yīng)關(guān)系。利用已知濃度氫氣對測量系統(tǒng)進行標(biāo)定后，即可以根據(jù)共振式光聲池的共振頻率確定混合氣體中氫氣的濃度。
本發(fā)明的效果和益處是，采用了共振式光聲池，可實現(xiàn)氣體的連續(xù)流動檢測；根據(jù)共振式光聲池共振頻率的變化確定氫氣的濃度，大大提高了檢測的靈敏度和穩(wěn)定性；被測氣體與電信號完全隔離，可實現(xiàn)較高濃度的測量。此外，氫氣檢測不需要改變普通共振式光聲光譜儀的結(jié)構(gòu)，只要在一定范圍內(nèi)運行調(diào)制頻率掃描程序即可以實現(xiàn)，因而在不影響原系統(tǒng)檢測能力的同時拓展了光聲光譜技術(shù)的檢測范圍；而且將氫氣檢測結(jié)果用于修正其它紅外吸收氣體光聲幅度測量結(jié)果，可提高其它氣體的檢測精度。


附圖是氫氣濃度的光聲檢測方法的裝置示意圖。
圖中1紅外可調(diào)諧激光器；2激光束；3頻率可調(diào)光強度調(diào)制器；4共振式光聲池；5混合氣體；6微音器；7鎖相放大器；8計算機。
具體實施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。
步驟一、不含氫氣的混合氣體的共振頻率測量首先向共振式光聲池4充入含有紅外吸收氣體的混合氣體5。根據(jù)混合氣體5中紅外吸收氣體的光譜吸收特性調(diào)整紅外可調(diào)諧激光器1的輸出波長，使激光束2的波長與紅外吸收氣體較強的吸收譜線重合，激光束2經(jīng)過由計算機8控制的頻率可調(diào)光強度調(diào)制器3，入射到充有混合氣體5的共振式光聲池4中?；旌蠚怏w5中紅外吸收氣體吸收激光能量并通過無輻射躍遷的弛豫過程產(chǎn)生與光強度調(diào)制頻率相同的光聲信號，光聲信號通過微音器6檢測，經(jīng)鎖相放大器7改善信噪比并放大后輸入到計算機8中。計算機8控制頻率可調(diào)光強度調(diào)制器3連續(xù)改變調(diào)制頻率，同時測量相應(yīng)調(diào)制頻率下光聲信號，即可得到光聲信號隨共振式光聲池4工作頻率變化的曲線。根據(jù)該曲線中光聲信號的峰值可以確定此時共振式光聲池4的共振頻率。
步驟二、共振頻率變化量與氫氣濃度對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定向共振式光聲池4充入含有已知濃度的氫氣和紅外吸收氣體的混合氣體5。經(jīng)過與步驟一中描述的相似過程測量共振式光聲池共振頻率的變化量選擇的特定波長的激光束2經(jīng)過由計算機8控制的頻率可調(diào)光強度調(diào)制器3后入射到充有混合氣體5的共振式光聲池4中；混合氣體5中紅外吸收氣體吸收激光能量產(chǎn)生光聲信號，光聲信號通過微音器6和鎖相放大器7檢測并輸入計算機8；計算機8控制光強度調(diào)制器3連續(xù)改變調(diào)制頻率，同時測量相應(yīng)調(diào)制頻率下光聲信號，得到光聲信號隨共振式光聲池4工作頻率變化的曲線；由該曲線確定出該氫氣濃度所對應(yīng)的共振式光聲池4的共振頻率，從而得到共振頻率的變化量。通過對多個不同濃度氫氣混合氣體-共振頻率變化量的測量，可以檢驗測量的線性度和動態(tài)范圍，確定出共振頻率變化量與氫氣濃度的對應(yīng)關(guān)系。
步驟三、根據(jù)共振頻率的變化量確定混合氣體中氫氣的濃度向共振式光聲池4中充入含有未知濃度的氫氣和紅外吸收氣體的混合氣體5。以步驟一或步驟二中所描述的方法測量共振式光聲池4的共振頻率，并利用步驟二所得到的共振頻率變化量與氫氣濃度的對應(yīng)關(guān)系，得到相應(yīng)的氫氣濃度。
權(quán)利要求
1.一種氫氣濃度的檢測方法，其特征是紅外可調(diào)諧激光器(1)發(fā)出的激光束(2)經(jīng)頻率可調(diào)光強度調(diào)制器(3)后入射到載有混合氣體(5)的共振式光聲池(4)內(nèi)，混合氣體(5)中紅外吸收氣體所產(chǎn)生的光聲信號被微音器(6)檢測；通過連續(xù)改變光強度調(diào)制頻率而得到光聲信號幅度隨共振式光聲池(4)工作頻率變化的曲線，從而確定出共振式光聲池(4)的共振頻率；根據(jù)混合氣體(5)中氫氣對平均分子量的影響而導(dǎo)致的共振式光聲池(5)共振頻率的變化規(guī)律來確定氫氣的濃度。
全文摘要
本發(fā)明屬于微量氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種氫氣濃度的光聲檢測方法，特別涉及到通過測量共振式光聲池共振頻率的變化量來確定混合氣體中氫氣濃度的方法。其特征是紅外可調(diào)諧激光器發(fā)出的激光束經(jīng)頻率可調(diào)光強度調(diào)制器后入射到載有混合氣體的共振式光聲池內(nèi)，混合氣體中紅外吸收氣體所產(chǎn)生的光聲信號被微音器檢測；通過連續(xù)改變光強度調(diào)制頻率而得到光聲信號幅度隨共振式光聲池工作頻率變化的曲線，從而確定共振頻率；根據(jù)混合氣體中氫氣對平均分子量的影響而導(dǎo)致的共振式光聲池共振頻率的變化規(guī)律來確定氫氣的濃度。本發(fā)明的效果和益處是為氫氣濃度檢測提供一種實時、高靈敏度、高穩(wěn)定性、大動態(tài)范圍的手段，并且拓展了光聲光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍。
文檔編號G01N21/39GK1727875SQ20051004690
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者張望, 于清旭 申請人:大連理工大學(xué)