一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置。激光器发出的光通过电光强度调制器、光声池后，垂直入射到光电探测器，其信号线与装有数据采集卡的电脑相连；信号发生器的信号线分别与电光强度调制器和锁相放大器的参考信号端相连；麦克风与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端经锁相放大器与电脑相连。光声池两端的气体缓冲室可有效的缓冲气流带来的噪声。采用电光调制对激光强度进行调制，提高了系统的信噪比。通过检测光声信号的幅值，可计算出气溶胶颗粒在一定波长下的光吸收系数。本实用新型克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更精确，为研究气溶胶对大气辐射以及环境气候的影响提供了有效的技术手段。
【专利说明】一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及气溶胶光吸收系数检测装置，具体涉及一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置。
【背景技术】
[0002]近几年我国的灰霾天气产生的范围和频率日益增大，严重影响了人类的健康与活动，大气气溶胶是灰霾天产生的主要因素，是环境监测中的重要组成部分。气溶胶离子对光的吸收影响辐射在大气中的传播，造成能见度降低，引起温室效应，对全球气候变化的预期具有至关重要的作用。气溶胶粒子对光的吸收还造成大气中一些气溶胶粒子间以及气溶胶粒子和气体间的光化学反应，产生了很多尚不可测的影响。因此研究气溶胶光学吸收系数的装置具有重大现实意义。
[0003]光声光谱法是基于光声效应的，气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能而导致吸收媒质温度升高，如果将入射光在声频范围内进行光强或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波，通过探测声波强度可以求出气体浓度。相对于常用的直接吸收光谱测量来说，光声光谱法直接检测气体吸收的光能，无背景吸收，是一种绝对检测的方法，检测灵敏度高。光声光谱法用于气体检测的应用已有很多，近几年，国内外将这种方法应用到对气溶胶光学特性的研究。美国的NIST和国内的中国科学技术大学已经开展了相关的研究和应用。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，是在典型的圆柱形纵向共振模式的光声结构基础上，搭建气溶胶光吸收系数的检测装置。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]本实用新型包括激光器、电光强度调制器、光声池、光电探测器、麦克风、前置放大器、锁相放大器、电脑和信号发生器；激光器发出的光通过电光强度调制器、光声池后，垂直入射到光电探测器，光电探测器的信号线与装有数据采集卡的电脑相连；信号发生器的信号线分别与电光强度调制器和锁相放大器的参考信号端相连；装在光声池中的麦克风信号线与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与锁相放大器的检测信号端相连，锁相放大器的信号输出端与电脑相连。
[0007]所述的光声池为圆柱腔体，光声池的两端分别对称开有相同尺寸的缓冲室，一个缓冲室的圆柱腔体上开有进气口，另一个缓冲室的圆柱腔体上开有出气口，两个缓冲室用共振腔连通，共振腔中部的圆柱腔体侧面开有麦克风安装座，麦克风安装在麦克风安装座内，麦克风传感面伸入至共振腔中，两个缓冲室的开口端分别装有盖板，两块盖板分别开窗口，位于缓冲室一侧的两窗口分别贴有石英片，两个窗口、两个缓冲室和共振腔的中心线位于同一轴线上。
[0008]所述的共振腔的长度L。与缓冲室的长度Ld的关系为L。= 2Ld ;缓冲室的直径R与共振腔的直径r的关系为R>4r。
[0009]本实用新型具有的有益效果是:
[0010]本实用新型是在典型的圆柱形纵向共振模式的光声结构基础上，搭建气溶胶光吸收系数的检测装置。光声池两端的气体缓冲室可以有效的缓冲气流带来的噪声。采用电光调制对激光强度进行调制，避免了传统机械斩波器带来的噪声，提高了系统的信噪比。通过检测光声信号的幅值，可以计算出气溶胶颗粒在一定波长下的光吸收系数。本实用新型将光声光谱法用于气溶胶光吸收系数的检测，克服了直接吸收法散射光的影响，检测结果更精确，为研究气溶胶对大气辐射以及环境气候的影响提供了有效的技术手段。本实用新型具有测量精度高、可探测极限小、光带宽、实时在线测量的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型的结构框图。
[0012]图2是光声池的结构示意图。
[0013]图3是电光强度调制器组成示意图。
[0014]图中:1、激光器,2、电光强度调制器,3、光声池,4、光电探测器,5、麦克风,6、前置放大器，7、锁相放大器，8、电脑，9、信号发生器， 10、石英片，11、缓冲室，12、共振腔，13、麦克风安装座，14、进气口，15、出气口，16、电光晶体，17、偏振器，18、高压放大器。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步说明。
[0016]光声光谱是基于光声效应的，气体吸收光能后发生无辐射跃迁，产生热能而导致吸收媒质温度升高，如果将入射光在声频范围内进行光强或波长调制，使媒质温度发生相同频率的周期性变化，从而产生声波。通过探测声波强度可以求出气体(或气溶胶)的浓度或吸收系数。
[0017]由光声信号产生机理及声场分布理论,可以求出光声信号的表达式为
[0018]Spa = SfflCcell a Pc (I)
[0019]Spa——光声信号幅值(V);
[0020]Sm——麦克风灵敏度(V/Pa)；
[0021 ] Ccell——池常数(Pa.cm.W-1);
[0022]α-气溶胶吸收系数(cnT1);
[0023]P——光功率的峰峰值(W);
[0024]c——被测气溶胶的浓度。
[0025]由公式(I)可推导出气溶胶的吸收系数α:
[0026]SmCcellPc(2)
[0027]气溶胶的浓度c已知，麦克风5的灵敏度Sm利用Β&Κ声学校准平台进行标定。光功率的峰峰值P通过采集光电探测器4的电压幅值计算得到。池常数Cm11衡量了光声系统将气体吸收的光能转化为声能的能力，可通过本装置对已知浓度的标准气体的检测来标定。光声信号Spa需要本装置测量得到。[0028]由于光声信号Spa相对于噪声很微弱，难以直接探测到，因此需要锁相放大器将光声信号还原出来。锁相放大器基于互相关检测的原理，利用噪声信号与周期信号不存在相关性的特点，通过计算待检信号与参考信号在零点的相关运算的方法来抑制噪声并提取出特定频率(即参考信号的频率)的周期信号，而其他频率的信号被抑制下来。
[0029]光声池的尺寸设计为:L。= 100mm, Ld = 50mm, r = 6mm, R = 30mm。理论上，一阶
纵向共振频率
【权利要求】
1.一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于:包括激光器(I)、电光强度调制器(2)、光声池(3)、光电探测器(4)、麦克风(5)、前置放大器(6)、锁相放大器(7)、电脑(8)和信号发生器(9);激光器(I)发出的光通过电光强度调制器(2)、光声池(3)后，垂直入射到光电探测器(4)，光电探测器(4)的信号线与装有数据采集卡的电脑(8)相连；信号发生器(9)的信号线分别与电光强度调制器(2)和锁相放大器(7)的参考信号端相连；装在光声池(3)中的麦克风(5)信号线与前置放大器(6)的输入端相连,前置放大器(6)的输出端与锁相放大器(7 )的检测信号端相连,锁相放大器(7 )的信号输出端与电脑(8 )相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于:所述的光声池(3)为圆柱腔体，光声池(3)的两端分别对称开有相同尺寸的缓冲室，一个缓冲室的圆柱腔体上开有进气口( 14)，另一个缓冲室的圆柱腔体上开有出气口( 15)，两个缓冲室用共振腔(12)连通，共振腔(12)中部的圆柱腔体侧面开有麦克风安装座(13)，麦克风(5)安装在麦克风安装座(13)内，麦克风(5)传感面伸入至共振腔(12)中，两个缓冲室的开口端分别装有盖板，两块盖板分别开窗口，位于缓冲室一侧的两窗口分别贴有石英片(10)，两个窗口、两个缓冲室和共振腔(12)的中心线位于同一轴线上。
3.根据权利要求2所述的一种基于光声光谱的气溶胶光学吸收系数检测装置，其特征在于:所述的共振腔(12)的长度L。与缓冲室的长度Ld的关系为L。= 2Ld ;缓冲室的直径R与共振腔的直径r的关系为R>4r。
【文档编号】G01N21/25GK203534957SQ201320651001
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】张建锋, 陈哲敏, 裘越 申请人:浙江省计量科学研究院