采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光聲光譜技術(shù)和漫反射積分腔應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用漫反 射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用，例如煤 炭燃燒的過程中會(huì)產(chǎn)生大量N0,對(duì)環(huán)境及人身都有巨大危害，因此工業(yè)上常在煙道中通入 NH3，使其與NO進(jìn)行反應(yīng)，生成隊(duì)及H 20,達(dá)到消除NO的目的。然而順3成本較高，過量會(huì)導(dǎo) 致浪費(fèi)，不足又會(huì)導(dǎo)致NO過濾不徹底，因而對(duì)順 3濃度的準(zhǔn)確測(cè)量就尤為重要。
[0003] 光聲光譜技術(shù)（Photoacoustic spectroscopy-PAS)作為一種新型氣體傳感技術(shù)， 具有靈敏度高，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)。近年來，低噪聲、高靈敏度的微音器及微弱信號(hào)電子檢 測(cè)技術(shù)的發(fā)展，更使得光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)靈敏度的大幅度提升成為可能。另一方面，為 使裝置的氣體檢測(cè)限更低，在傳統(tǒng)PAS技術(shù)的基礎(chǔ)上，增加光聲池的光程是提高探測(cè)靈敏 度的有效手段。對(duì)于傳統(tǒng)光聲池，光線入射后，大部分光能從出射窗口出射，未被池內(nèi)氣體 吸收，光能的利用率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決光聲光譜技術(shù)在對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)光聲池光能的利用率 較低的問題，現(xiàn)提供采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法及裝置。
[0005] 采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法，該方法是基于下述裝置 實(shí)現(xiàn)的，所述裝置包括：鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1、正弦波信號(hào)發(fā)生器2、耦合器3、電流控制器4、 溫度控制器5、可調(diào)諧二極管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射長(zhǎng)方腔8和信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11 ;
[0006] 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1的鋸齒波信號(hào)輸出端連接耦合器3的鋸齒波信號(hào)輸入端，
[0007] 正弦波信號(hào)發(fā)生器2的正弦波信號(hào)輸出端連接耦合器3的正弦波信號(hào)輸入端，
[0008] 耦合器3的耦合信號(hào)輸出端連接電流控制器4的耦合信號(hào)輸入端，
[0009] 電流控制器4的電流信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的電流信號(hào)輸入端，
[0010] 溫度控制器5的溫控信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的溫控信號(hào)輸入端，
[0011] 可調(diào)諧二極管激光器6輸出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7將 其入射光透射至漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)，
[0012] 漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)充有待測(cè)量的氣體，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11位于漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)， 且用于采集漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)的氣壓信號(hào)；
[0013] 所述方法包括：
[0014] 步驟一：將鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生的掃描鋸齒波信號(hào)和正弦波信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn) 生的調(diào)制正弦波信號(hào)通過耦合器3耦合到電流控制器4上，
[0015] 步驟二：通過電流控制器4與溫度控制器5控制可調(diào)諧二極管激光器6的工作電 流和工作溫度，使得可調(diào)諧二極管激光器6輸出激光，且該激光的中心波長(zhǎng)能夠完整地掃 描過待測(cè)量氣體吸收線，
[0016] 步驟三：將可調(diào)諧二極管激光器6輸出的激光經(jīng)楔形玻璃片7透射入漫反射長(zhǎng)方 腔8內(nèi)，漫反射長(zhǎng)方腔8的入射光被腔內(nèi)壁多次反射直至形成均勻光場(chǎng)，使得入射光在腔內(nèi) 的光程延長(zhǎng)，
[0017] 步驟四：利用信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11采集漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)的氣壓變化信號(hào)，并將該氣 壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即：調(diào)制信號(hào)，
[0018] 步驟五：利用正弦波信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn)生的調(diào)制正弦波信號(hào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 獲得調(diào)制信號(hào)的二次諧波分量，即待測(cè)氣體調(diào)制信號(hào)的第二階傅立葉展開系數(shù)S s (ω。)，
[0019] 步驟六：利用待測(cè)氣體調(diào)制信號(hào)的第二階傅立葉展開系數(shù)Ss(co。）獲得待測(cè)量氣 體的濃度N s，
[0020] Ns= Ss(?0)Nr/Sr(?0)
[0021] 其中，SJco。）為標(biāo)定氣體濃度為隊(duì)時(shí)，標(biāo)定氣體調(diào)制信號(hào)的第二階傅立葉展開系 數(shù)。
[0022] 采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的裝置，它包括：鋸齒波信號(hào)發(fā) 生器1、正弦波信號(hào)發(fā)生器2、耦合器3、電流控制器4、溫度控制器5、可調(diào)諧二極管激光器 6、楔形玻璃片7、漫反射長(zhǎng)方腔8、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11、鎖相放大器12、數(shù)據(jù)采集卡13和計(jì)算 機(jī)14 ;
[0023] 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1的鋸齒波信號(hào)輸出端同時(shí)連接耦合器3的鋸齒波信號(hào)輸入端 和數(shù)據(jù)采集卡13的鋸齒波信號(hào)輸入端，
[0024] 正弦波信號(hào)發(fā)生器2的正弦波信號(hào)輸出端同時(shí)連接耦合器3的正弦波信號(hào)輸入端 和鎖相放大器12的正弦波信號(hào)輸入端，
[0025] 親合器3的親合信號(hào)輸出端連接電流控制器4的親合信號(hào)輸入端，
[0026] 電流控制器4的電流信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的電流信號(hào)輸入端，
[0027] 溫度控制器5的溫控信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的溫控信號(hào)輸入端，
[0028] 可調(diào)諧二極管激光器6輸出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7將 其入射光透射至漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)，
[0029] 漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)充有待測(cè)量的氣體，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11位于漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)， 且用于采集漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)的氣壓信號(hào)，
[0030] 信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11的調(diào)制信號(hào)輸出端連接鎖相放大器12的調(diào)制信號(hào)輸入端，
[0031] 鎖相放大器12的解調(diào)信號(hào)輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡13的解調(diào)信號(hào)輸入端，
[0032] 數(shù)據(jù)采集卡13的解調(diào)信號(hào)輸出端連接計(jì)算機(jī)14的解調(diào)信號(hào)輸入端。
[0033] 上述計(jì)算機(jī)14中包括以下單元：
[0034] 信號(hào)采集單元：采集數(shù)據(jù)采集卡13輸出的解調(diào)信號(hào)，
[0035] 氣體濃度計(jì)算單元：利用解調(diào)信號(hào)獲得待測(cè)量氣體的濃度Ns，
[0036] Ns= Ss(?0)Nr/Sr(?0)
[0037] 其中，Ss(co。）為待測(cè)量氣體調(diào)制信號(hào)的第二階傅立葉展開系數(shù)，g卩：解調(diào)信號(hào)， S1^ ( ω。）為標(biāo)定氣體濃度為隊(duì)時(shí)，標(biāo)定氣體調(diào)制信號(hào)的第二階傅立葉展開系數(shù)。
[0038] 本發(fā)明所述的采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法及裝置，在 繼承傳統(tǒng)光聲光譜技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的高漫反射長(zhǎng)方腔應(yīng)用 于光聲光譜痕量氣體探測(cè)中，通過延長(zhǎng)光程，從而提高了氣體測(cè)量的靈敏度，提高了光能的 利用率，進(jìn)而降低了氣體濃度測(cè)量系統(tǒng)的成本，并具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、維護(hù)簡(jiǎn)單、可 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可對(duì)低濃度氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【附圖說明】
[0039] 圖1為采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法的流程圖；
[0040] 圖2為采用漫反射積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0041] 一：參照?qǐng)D1具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的采用漫反射 積分腔作為光聲池測(cè)量痕量氣體濃度的方法，該方法是基于下述裝置實(shí)現(xiàn)的，所述裝置包 括：鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1、正弦波信號(hào)發(fā)生器2、耦合器3、電流控制器4、溫度控制器5、可調(diào) 諧二極管激光器6、楔形玻璃片7、漫反射長(zhǎng)方腔8和信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11 ;
[0042] 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1的鋸齒波信號(hào)輸出端連接耦合器3的鋸齒波信號(hào)輸入端，
[0043] 正弦波信號(hào)發(fā)生器2的正弦波信號(hào)輸出端連接耦合器3的正弦波信號(hào)輸入端，
[0044] 耦合器3的耦合信號(hào)輸出端連接電流控制器4的耦合信號(hào)輸入端，
[0045] 電流控制器4的電流信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的電流信號(hào)輸入端，
[0046] 溫度控制器5的溫控信號(hào)輸出端連接可調(diào)諧二極管激光器6的溫控信號(hào)輸入端，
[0047] 可調(diào)諧二極管激光器6輸出的激光入射至楔形玻璃片7的斜面，楔形玻璃片7將 其入射光透射至漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)，
[0048] 漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)充有待測(cè)量的氣體，信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置11位于漫反射長(zhǎng)方腔8內(nèi)，