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一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置的制作方法

文檔序號:5951979閱讀:207來源:國知局
專利名稱:一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種氣體傳感裝置,特別涉及一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置。
背景技術(shù)
光聲氣體檢測技術(shù)利用特定波長的光激發(fā)待測氣體產(chǎn)生光聲信號,光聲信號實(shí)質(zhì)上是一種聲波,其聲壓大小與氣體濃度有關(guān),可利用聲傳感器檢測該信號幅值以獲取氣體 的濃度信息。光聲氣體檢測技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好的特點(diǎn)。但由于光聲信號較弱,在實(shí)際應(yīng)用中常受到各種噪聲的干擾,如環(huán)境噪聲、氣體流動噪聲等。為了提高信噪比,通常采用共振式光聲池增強(qiáng)信號,光聲池的性能直接影響到光聲系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性?,F(xiàn)有的共振式光聲池多為圓柱形縱向共振光聲池。其工作時(shí),光聲信號在圓柱兩端面來回反射,形成駐波。但光聲信號傳播過程中,始終沿圓柱側(cè)面腔壁方向,與腔壁接觸產(chǎn)生粘滯損耗,導(dǎo)致其品質(zhì)因數(shù)較小,通常在60以內(nèi)。2008年5月29日公開的美國專利US20080121018A1中所提及一種橢圓光聲傳感器,它意欲使入射光穿過橢圓形光聲池的一條焦線,利用橢圓結(jié)構(gòu)的聚焦性質(zhì),將發(fā)散的光聲信號匯聚至另一條焦線,并通過調(diào)整光聲信號頻率,使到達(dá)匯聚位置的光聲信號同相疊加增強(qiáng),同時(shí),在聚焦位置處放置一個(gè)聲傳感器接收信號。以上方案工作時(shí),光聲信號經(jīng)金屬腔壁反射,傳播路徑集中在腔體內(nèi)部。光聲信號與腔壁接觸所產(chǎn)生的粘滯損耗較小,能得到較高的品質(zhì)因數(shù),但仍存在不足之處。首先,其僅采用一個(gè)聲傳感器,無法抑制實(shí)際應(yīng)用中的環(huán)境噪聲,限制了系統(tǒng)的信噪比;其次,許多實(shí)際應(yīng)用場合中氣體處于流動狀態(tài),而流動的氣體將引入壓力的變化,造成干擾;其無法分辨氣體流動引起的噪聲和待測信號,只能在工作時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥,這不僅增加了控制系統(tǒng)的成本,也提高了檢測所需時(shí)間,降低效率。另外,其將聲傳感器置于光聲池內(nèi)部,不僅造成了安裝的不方便;而且聲傳感器的形狀缺陷將影響聲場的分布,影響檢測效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處,提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,并且能夠抑制噪聲的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所米用的技術(shù)方案是一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,包含光源、一個(gè)橢圓光聲池、兩個(gè)聲傳感器、與所述兩個(gè)聲傳感器輸出端電連接的差分放大器,與差分放大器輸出端電連接的鎖相放大器,與所述光源輸入端電連接的光源驅(qū)動,與光源驅(qū)動輸入端電連接的函數(shù)發(fā)生器,所述函數(shù)發(fā)生器輸出端與鎖相放大器輸入端電連接;所述光源產(chǎn)生的入射光與橢圓光聲池的一條焦線重合;所述聲傳感器對稱分布于橢圓光聲池長軸兩端;工作時(shí),入射光中心波長對準(zhǔn)待測氣體吸收譜線,經(jīng)函數(shù)發(fā)生器和光源驅(qū)動調(diào)制入射光的波長或光強(qiáng),可在橢圓光聲池內(nèi)激發(fā)出光聲信號;光聲信號經(jīng)橢圓光聲池內(nèi)壁多次反射,趨于長軸匯聚,在長軸兩端產(chǎn)生相位差為180°的兩個(gè)聲壓信號,并利用對稱置于長軸兩端的聲傳感器接收所述信號,聲傳感器所產(chǎn)生的電信號大小與氣體濃度有關(guān),通過差分放大器和鎖相放大器對兩個(gè)聲傳感器輸出信號進(jìn)行檢測,能夠在抑制共模噪聲的同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體傳感功能。所述橢圓光聲池一條焦線處有兩個(gè)聲濾波管;所述兩個(gè)聲濾波管的端面分別裝有窗口片,且窗口片表面 法線與聲濾波管軸線夾角為布儒斯特角;所述兩個(gè)聲濾波管軸線與橢圓光聲池焦線同軸,且兩個(gè)聲濾波管軸線長度為光聲信號波長四分之一的奇數(shù)倍;工作時(shí),經(jīng)調(diào)制的入射光穿過窗口片,將窗口片表面法線與聲濾波管軸線設(shè)置成布儒斯特角以保證透射光能最大;由于入射光同樣會引起窗口片產(chǎn)生固體光聲信號,該信號與氣體被激發(fā)所產(chǎn)生的光聲信號性質(zhì)相同,無法區(qū)分,將引起背景干擾;而通過聲濾波管,將窗口片產(chǎn)生的固體光聲信號隔離在檢測區(qū)域之外,進(jìn)一步抑制干擾;所述橢圓光聲池包含兩個(gè)進(jìn)氣孔與兩個(gè)出氣孔,兩進(jìn)氣孔對稱分布于橢圓光聲池端面短軸兩側(cè),中心與短軸端點(diǎn)間隔> Imm ;兩個(gè)出氣孔對稱分布于橢圓光聲池另一端面短軸兩側(cè),中心與短軸端點(diǎn)間隔> Imm;工作時(shí),氣體流動將導(dǎo)致橢圓光聲池內(nèi)壓力波動,該壓力波動也會造成噪聲干擾;而通過對稱設(shè)置進(jìn)氣孔和出氣孔,使這種由氣體流動產(chǎn)生的壓力波動對放置在長軸兩端的聲傳感器影響相同,通過差分放大器能夠消除這種共模的噪聲干擾。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是(I)現(xiàn)有技術(shù)中如美國專利US20080121018A1只有一個(gè)聲傳感器,并且放在光聲池內(nèi)部,不僅造成了安裝的不方便;而且聲傳感器的形狀缺陷將影響聲場的分布,影響檢測效果。而本發(fā)明有兩個(gè)聲傳感器,對稱分布于橢圓光聲池長軸兩端,橢圓光聲池工作時(shí),能夠在長軸兩端產(chǎn)生相位差為180°的兩路信號,并由對稱置于長軸兩端的聲傳感器接收這兩路信號,通過差分放大器能夠消除共模的噪聲,并進(jìn)一步增強(qiáng)了信號,提高系統(tǒng)信噪比。(2)此外,本發(fā)明所采用橢圓光聲池在入射光光路上具有聲濾波管,能夠?qū)⒂纱翱谄a(chǎn)生的固體光聲信號隔離在檢測區(qū)域外,進(jìn)一步了降低系統(tǒng)背景干擾。(3)而且,本發(fā)明所采用的橢圓光聲池在上下兩端面的短軸兩端分別對稱設(shè)置兩個(gè)進(jìn)氣孔和兩個(gè)出氣孔;這種設(shè)置能夠使氣體流動所導(dǎo)致的壓力變化對兩個(gè)對稱分布于長軸兩端的聲傳感器作用相同,并可利用差分放大器消除這種干擾,從而使系統(tǒng)能夠工作在氣體流動狀態(tài)下,降低檢測所需時(shí)間,提高了工作效率。


圖I是本發(fā)明的基本原理不意圖;圖2是本發(fā)明所米用的橢圓光聲池原理圖;圖3是本發(fā)明實(shí)施例中所采用橢圓光聲池共振時(shí)長軸上聲壓分布曲線;;圖4是本發(fā)明所采用的橢圓光聲池外部結(jié)構(gòu)圖;圖5是本發(fā)明所采用的橢圓光聲池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖;圖6是本發(fā)明實(shí)施例所中采用的聲濾波管長度與消聲量關(guān)系曲線;圖中1為光源,2為入射光,3為橢圓光聲池,3a、3e為第一窗口片和第二窗口片,3b、3f為第一聲濾波管和第二聲濾波管,3c、3d為第一進(jìn)氣孔和第二進(jìn)氣孔,3g、3h為第一出氣孔和第二出氣孔,4a、4b為第一聲傳感器和第二聲傳感器,5為差分放大器,6為鎖相放大器,7為函數(shù)發(fā)生器,8為光源驅(qū)動。
具體實(shí)施例方式如圖I所不,本發(fā)明的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置由光源I,橢圓光聲池3,第一聲傳感器4a、第二聲傳感器4b,差分放大器5,鎖相放大器6,函數(shù)發(fā)生器7,光源驅(qū)動8組成。光源I發(fā)出的入射光2與橢圓光聲池3 —條焦線重合;第一聲傳感器4a和第二聲傳感器4b分別置于橢圓光聲池3長軸的兩端;第一聲傳感器4a和第二聲傳感器4b輸出端與差分放大器5輸入端電連接;差分放大器5輸出端與鎖相放大器6輸入端電連接;光源I輸入端與光源驅(qū)動8電連接;函數(shù)發(fā)生器7輸出端分別與光源驅(qū)動8輸入端和鎖相放大器6輸入端電連接。工作時(shí),入射光2中心波長對準(zhǔn)待測氣體吸收譜線,經(jīng)函數(shù)發(fā)生器7和光源驅(qū)動8調(diào)制入射光2的波長或光強(qiáng),可在橢圓光聲池3內(nèi)激發(fā)出光聲信號,光聲信號激發(fā)橢圓光聲 池3共振;在橢圓光聲池3的長軸兩端產(chǎn)生相位差為180°的聲壓信號,通過兩個(gè)置于橢圓光聲池3長軸兩端的第一聲傳感器4a和第二聲傳感器4b檢測所述聲壓信號,第一聲傳感器4a和第二聲傳感器4b所產(chǎn)生的電信號大小與氣體濃度有關(guān),通過差分放大器5和鎖相放大器6對聲傳感器輸出信號進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)氣體傳感功能。如圖2所示,本發(fā)明所采用的橢圓光聲池3是一種聲學(xué)共振腔,其共振行為發(fā)生在
橢圓橫截面內(nèi)。聲波從焦點(diǎn)Fl發(fā)出,經(jīng)橢圓光聲池3的池壁反射后通過焦點(diǎn)F2 ;多次反射
后,聲波傳播方向逐漸趨于橢圓長軸兩端;通過調(diào)整函數(shù)發(fā)生器7輸出信號頻率可以調(diào)整
光聲信號頻率,使其在橢圓光聲池3內(nèi)同相疊加,并在長軸兩端產(chǎn)生相位差為180°的聲壓
信號,實(shí)現(xiàn)共振效果;這種共振行為不受橢圓光聲池3的尺寸影響,而共振頻率f與橢圓光
聲池3橢圓平面的尺寸有關(guān),因此可以根據(jù)檢測的需要方便地調(diào)整橢圓光聲池3的尺寸,其
共振頻率可以由下式表示s Kc/ = W =F其中K為常數(shù),其值為第一類變型Mathieu函數(shù)導(dǎo)函數(shù)的零點(diǎn),與橢圓長短軸長度有關(guān);c是聲速;a是橢圓半長軸長度;b是橢圓半短軸長度。如在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中,采用長軸為0. lm,短軸為0. 08m,高度為0. 02m的橢圓光聲池,其中一種共振模式的共振頻率f = 12517Hz,其長軸上聲壓分布如圖3所示;在長軸兩端即橫坐標(biāo)為Om和0. Im的位置存在相位差為180°的聲壓信號;因此,通過兩個(gè)置于橢圓光聲池3長軸兩端的第一聲傳感器4a和第二聲傳感器4b檢測所述聲壓信號,并利用差分放大器5和鎖相放大器6對第一聲傳感器4a、第二聲傳感器4b的輸出信號進(jìn)行處理,能夠在消除共模的噪聲的同時(shí),進(jìn)一步增強(qiáng)信號,提高系統(tǒng)信噪比;如圖4、圖5所示,本發(fā)明所采用的橢圓光聲池3 —條焦線處設(shè)置有第一聲濾波管3b和第二聲濾波管3f,所述第一聲濾波管3b和第二聲濾波管3f的軸線與橢圓光聲池3焦線同軸,且入射光2與第一聲濾波管3b、第二聲濾波管3f的軸線重合。第一聲濾波管3b和第二聲濾波管3f的軸線長度為光源I所激發(fā)出的光聲信號波長四分之一的奇數(shù)倍。第一聲濾波管3b的端面裝有第一窗口片3a,第二聲濾波管3f的端面裝有第二窗口片3e,且第一窗口片3a和第二窗口片3e表面法線與第一聲濾波管3b、第二聲濾波管3f軸線夾角為布儒斯特角,以保證透射光能最大。工作時(shí),入射光2穿過第一窗口片3a和第二窗口片3e,引起第一窗口片3a和第二窗口片3e產(chǎn)生固體光聲信號,造成背景干擾;而第一聲濾波管3b和第二聲濾波器3f由于自身截面積與橢圓光聲池截面積相差較大,能夠?qū)⑺鲇傻谝淮翱谄?a和第二窗口片3e產(chǎn)生的固體光聲信號反射,將其隔離在橢圓光聲池3外;其隔離能力可由消聲量TL表示,如下式
權(quán)利要求
1.一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于包含光源(I)、一個(gè)橢圓光聲池(3)、第一聲傳感器(4a)、第二聲傳感器(4b)、與所述第一聲傳感器(4a)和第二聲傳感器(4b)的輸出端電連接的差分放大器(5),與差分放大器(5)輸出端電連接的鎖相放大器(6 ),與所述光源(I)輸入端電連接的光源驅(qū)動(8 ),與所述光源驅(qū)動(8 )輸入端電連接的函數(shù)發(fā)生器(7),所述函數(shù)發(fā)生器(7)輸出端與鎖相放大器(6)輸入端電連接;所述第一聲傳感器(4a)、第二聲傳感器(4b)對稱分布于橢圓光聲池(3)長軸兩端;所述光源(I)產(chǎn)生的入射光(2)與橢圓光聲池(3)的焦線重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于所述橢圓光聲池(3)的一條焦線處有第一聲濾波管(3b)、第二聲濾波管(3f),且第一聲濾波管(3b)、第二聲濾波管(3f)軸線與橢圓光聲池(3)的焦線同軸;所述光源(I)產(chǎn)生的入射光(2)與第一聲濾波管(3b)、第二聲濾波管(3f)的軸線重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于所述第一聲濾波管(3b)、第二聲濾波管(3f)的軸線長度為光源(I)所激發(fā)出的光聲信號波長四分之一的奇數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于所述第一聲濾波管(3b)的端面裝有第一窗口片(3a),第二聲濾波管(3f)的端面裝有第二窗口片(3e),且第一窗口片(3a)和第二窗口片(3e)表面法線與第一聲濾波管(3b)、第二聲濾波管(3f)的軸線夾角為布儒斯特角。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于所述橢圓光聲池(3)包含第一進(jìn)氣孔(3c)、第二進(jìn)氣孔(3d)及第一出氣孔(3g)、第二出氣孔(3h);第一進(jìn)氣孔(3c)和第二進(jìn)氣孔(3d)對稱分布于橢圓光聲池(3)端面短軸兩側(cè),中心與短軸端點(diǎn)間隔> Imm ;第一出氣孔(3g)和第二出氣孔(3h)對稱分布于橢圓光聲池(3)另一端面短軸兩側(cè),中心與短軸端點(diǎn)間隔> 1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于所述光源(I)為至少包含一個(gè)波長的光能被待測氣體吸收的光源。
全文摘要
一種基于橢圓光聲池的光聲氣體傳感裝置,其特征在于采用橢圓光聲池對光聲信號進(jìn)行放大;入射光與橢圓光聲池焦線同軸,由入射光激勵出的光聲信號趨于橢圓光聲池的長軸匯聚,通過調(diào)整光聲信號頻率使其在光聲池內(nèi)同相疊加,并在長軸兩端產(chǎn)生相位差為180°的聲信號;將兩個(gè)聲傳感器對稱置于橢圓光聲池長軸兩端,分別接收所述聲信號,聲傳感器產(chǎn)生的電信號與氣體濃度有關(guān),通過差分放大器和鎖相放大器對聲信號進(jìn)行檢測,實(shí)現(xiàn)氣體傳感功能。本發(fā)明靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單,并且能有效抑制環(huán)境噪聲和氣體流動噪聲。
文檔編號G01N21/17GK102735618SQ201210229130
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者唐熙堯, 楊遠(yuǎn)洪 申請人:北京航空航天大學(xué)
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