一种多腔式半开腔共振光声池及多种气体同时测量系统的制作方法

本发明属于痕量气体检测技术领域，涉及到一种多腔式半开腔共振光声池结构及基于此光声池的多种气体同时测量系统。

背景技术：

痕量气体检测技术在电力系统故障特征气体分析、医疗领域呼吸气检测和工业有害气体排放监测等应用中发挥着重要的作用。目前痕量气体检测方法主要有气相色谱法、半导体气敏传感器法、电化学传感器法、吸收光谱法和光声光谱法。气相色谱法可同时对多种气体进行高灵敏度的测量，但是气相色谱法需要搭配载气使用，并且色谱柱需要定期更换，仪器维护成本较高；半导体气敏传感器法和电化学传感器法成本较低，极限检测灵敏度分别可达ppm(parts-per-million)和ppb(parts-per-billion)量级，但是该两种传感器寿命较短，并且均存在气体间交叉干扰严重的问题；由于大部分气体分子在近、中红外光谱区具有吸收特征谱线，因此通过采用合适光源和红外吸收光谱分析方法，可实现大多数气体分子的浓度测量。红外吸收光谱的测量灵敏度与吸收程成正比关系，通常情况下吸收光谱法需要较长的吸收池。

随着激光技术的发展，光声光谱法已经成为一种灵敏度高、响应时间快和选择性强的气体检测方法。光声光谱法是一种通过直接测量气体因吸收光能而产生热能的光谱量热技术，是一种无背景的吸收光谱技术。基本原理可以概括为：当周期性的调制光源覆盖待测气体分子吸收谱线时，气体分子由基态跃迁到激发态，经过无辐射跃迁回到基态并放出热量，使气体分子周围空气发生周期性的膨胀从而产生声波。由于声波大小与待测气体浓度成正比，因此通过声波传感器探测光声信号的大小，即可获得待测气体的浓度信息。

目前基于光声光谱技术的痕量气体检测系统根据工作模型的不同可分为两类，分别是共振式光声系统和非共振式光声系统。共振式光声池可以实现声波共振放大，因此具有较高的灵敏度。在激光共振式光声系统中，激励光源的调制频率需要和光声池的共振频率匹配，利用声波传感器探测此频率下的光声信号，即可获得待测气体的浓度信息。由于激光器的线宽较窄，通常情况下，一种激光器只能测量一种待测气体，若要实现多气体测量，需要并联多个激光器使用。实验步骤为先打开一支经过周期性调制的激光器，测量完第一种待测气体后关闭此激光器，再打开第二种待测气体对应的激光器，以此类推，实现多气体的测量。该种方式增加了系统的复杂程度，并且增加了多气体测量的响应时间。文献liuk,meij,zhangw,etal.multi-resonatorphotoacousticspectroscopy[j].sensorsandactuatorsb:chemical,2017,251:632-636.中提出了一种多气体同时测量方案。该方案中的光声池具有三个谐振腔，三个谐振腔由于长度不同导致其一阶共振频率分别为1400hz、1510hz和1610hz。同时打开三支激光器分别测量二氧化碳、甲烷和水气，利用一个声波传感器同时探测三个谐振腔内的光声信号，实现三种气体的同时测量。然而，该光声池需要在每个谐振腔中间部位，也就是声波信号的波腹位置，开孔配合声波传感器的使用，从而增加了光声池的加工难度。同时两个缓冲室体积较大，增加了气体的平衡时间和系统的响应时间。因此设计一种易于加工安装和快速响应的多气体同时测量光声系统对于多气体检测领域具有重要的应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种多腔式半开腔共振光声池结构及基于此光声池的多种气体同时测量系统，旨在解决多气体同时快速测量问题。该方法不仅可以实现多种气体的同时快速测量，更是降低了光声池的加工难度，减小了气体的平衡时间和所需气样体积，为光声光谱检测技术在多气体检测领域的应用拓展了更大的空间。

本发明的技术方案：

一种多腔式半开腔共振光声池为半开腔式共振光声池结构，包括圆柱形金属壳体1、多个谐振腔2、缓冲室3、声波传感器敏感膜片4、光学玻璃窗片5、进气口6和出气孔7；

金属壳体1内包括多个谐振腔2，每个谐振腔2的长度不同，各自的共振频率不同，因此每个谐振腔2对应一种待测气体；金属壳体1为圆柱形筒体，其一侧端面固定有声波传感器敏感膜片4，多个谐振腔2内产生的不同频率的光声信号作用在声波传感器敏感膜片4上，从而引起声波传感器敏感膜片4的周期性振动；多个谐振腔2的另一侧设有缓冲室3，在缓冲室3的边缘位置安装有光学玻璃窗片5，让激励光顺利通过；在光声池靠近两端的侧壁分别设有进气口6和出气孔7，每个谐振腔靠近声波传感器敏感膜片4的位置同样设有进气口6,用于增加气体的交换效率。

调制频率与光声池共振频率匹配的激励激光，通过光学玻璃窗片5进入谐振腔2中，由于采用半开腔式共振光声池结构，因此谐振腔2内光声信号的波腹位置14位于谐振腔2的边缘位置，将声波传感器敏感膜片4固定于波腹位置14，谐振腔2不需要开孔配合声波传感器10的使用，减小了光声池的加工难度。各个谐振腔2的长度不等，因此它们的共振频率各不相同。由于光声效应，在谐振腔2中产生与谐振腔2共振频率同频率的光声信号，产生的多种频率的光声信号引起声波传感器敏感膜片4的周期性振动，通过解调分析声波传感器敏感膜片4的振动情况可以获得多种待测气体的浓度信息。该光声池中的每个谐振腔2对应一种待测气体，因此通过增加谐振腔2的数量可实现多种气体的同时测量。

一种基于多腔式半开腔共振光声池的多种气体同时检测系统，包括多个激光器8、多腔式半开腔共振光声池9、声波传感器10、锁相放大器11、数据采集卡12和计算机13。以三腔式半开腔共振光声池为例，计算机13调制三个不同中心波长的激光器8发出周期性调制的窄带光，三束窄带光经过光学玻璃窗片5分别进入多腔式半开腔共振光声池9中的三个谐振腔2中。由于光声效应，声波传感器10探测到三个不同频率的声波信号，声波信号经过锁相放大器11的处理后被数据采集卡12采集，最后进入到计算机13中。由于三支激光器同时工作，并且该光声池采用半开腔式共振光声池结构，减小了气路的体积和气体的平衡时间，因此该系统可以实现多种气体同时快速测量。

本发明的设计理论依据如下：传统的共振式光声池在谐振腔两端设置有缓冲室的结构，谐振腔中央为声波的波腹位置，谐振腔两个边缘位置为声波的波节位置，声波传感器置于谐振腔的正中央，因此谐振腔正中央需要开孔配合声波传感器的使用。而对于本发明中所提出的半开腔式共振光声池来说，谐振腔和缓冲室相接的位置是声波的波节位置，谐振腔的另一侧为声波的波腹位置，光声信号在此位置处于极大值，声波传感器置于此可以探测到最大的光声信号。

本发明的有益效果：在半开腔共振光声池的基础上，提出了多腔式半开腔共振光声池，实现了多种气体的同时快速测量。该光声池结构设计更加简化，谐振腔中间位置不需要开孔配合声波传感器的使用，减小了光声池的加工难度。同时该设计相比于传统的共振式光声池，减小了一个缓冲室的体积，因此缩短了气体的平衡时间，为高灵敏度多气体的同时测量提供了新的解决方案。

附图说明

图1是多腔式半开腔共振光声池的示意图。

图2是基于多腔式半开腔共振光声池的多种气体同时测量系统示意图。

图3是多腔式半开腔共振光声池谐振腔内部的声场分布示意图。

图中：1金属壳体；2谐振腔；3缓冲室；4声波传感器敏感膜片；5光学玻璃窗片；6进气口；7出气口；8激光器；9多腔式半开腔共振光声池；10声波传感器；11锁相放大器；12数据采集卡；13计算机；14声波波腹位置；15声波波节位置。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了如附图1所示的多腔式半开腔共振光声池，由圆柱形金属壳体1、多个谐振腔2、缓冲室3、声波传感器敏感膜片4、光学玻璃窗片5、进气口6和出气孔7组成。该光声池的金属壳体1内包括多个谐振腔2，每个谐振腔2的长度不同，因此共振频率不同。在光声池的一侧端面固定声波传感器敏感膜片4，多个谐振腔2内产生的不同频率的光声信号作用在声波传感器敏感膜片4上，从而引起声波传感器敏感膜片4的周期性振动，通过解调分析声波传感器敏感膜片4的振动情况可以获得多种待测气体的浓度信息。多个谐振腔2的另一侧设有缓冲室3结构，在缓冲室3的边缘位置安装有光学玻璃窗片5，可以让激励光顺利通过，在光声池靠近两端的侧壁分别设有进气孔6和出气孔7，每个谐振腔靠近声波传感器敏感膜片4的位置同样设有进气孔6,用于增加气体的交换效率。

图2表示的是基于多腔式半开腔共振光声池的多种气体同时测量系统示意图。多个激光器8发出的周期性窄带光通过光学玻璃窗片5进入多腔式半开腔共振光声池9内的多个谐振腔2中。每个谐振腔2对应一种待测气体。多种待测气体在多个谐振腔2中吸收周期性调制的窄带光产生光声信号。声波传感器10探测到的多个频率的光声信号经过锁相放大器11的处理后被数据采集卡12采集，然后输入到计算机13中。

图3表示的是本发明提出的多腔式半开腔共振光声池多个谐振腔2内部声波的分布情况，谐振腔2的左侧是声波的波腹位置14，谐振腔2右侧与缓冲室3的相交处是声波的波节位置15。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。