基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置。激光器發(fā)出的光通過電光強度調制器、光聲池后，垂直入射到光電探測器，其信號線與裝有數據采集卡的電腦相連；信號發(fā)生器的信號線分別與電光強度調制器和鎖相放大器的參考信號端相連；麥克風與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端經鎖相放大器與電腦相連。光聲池兩端的氣體緩沖室可有效的緩沖氣流帶來的噪聲。采用電光調制對激光強度進行調制，提高了系統的信噪比。通過檢測光聲信號的幅值，可計算出氣溶膠顆粒在一定波長下的光吸收系數。本發(fā)明克服了直接吸收法散射光的影響，檢測結果更精確，為研究氣溶膠對大氣輻射以及環(huán)境氣候的影響提供了有效的技術手段。
【專利說明】基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氣溶膠光吸收系數檢測裝置，具體涉及一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置。
【背景技術】
[0002]近幾年我國的灰霾天氣產生的范圍和頻率日益增大，嚴重影響了人類的健康與活動，大氣氣溶膠是灰霾天產生的主要因素，是環(huán)境監(jiān)測中的重要組成部分。氣溶膠離子對光的吸收影響輻射在大氣中的傳播，造成能見度降低，引起溫室效應，對全球氣候變化的預期具有至關重要的作用。氣溶膠粒子對光的吸收還造成大氣中一些氣溶膠粒子間以及氣溶膠粒子和氣體間的光化學反應，產生了很多尚不可測的影響。因此研究氣溶膠光學吸收系數的裝置具有重大現實意義。
[0003]光聲光譜法是基于光聲效應的，氣體吸收光能后發(fā)生無輻射躍遷，產生熱能而導致吸收媒質溫度升高，如果將入射光在聲頻范圍內進行光強或波長調制，使媒質溫度發(fā)生相同頻率的周期性變化，從而產生聲波，通過探測聲波強度可以求出氣體濃度。相對于常用的直接吸收光譜測量來說，光聲光譜法直接檢測氣體吸收的光能，無背景吸收，是一種絕對檢測的方法，檢測靈敏度高。光聲光譜法用于氣體檢測的應用已有很多，近幾年，國內外將這種方法應用到對氣溶膠光學特性的研究。美國的NIST和國內的中國科學技術大學已經開展了相關的研究和應用。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置，是在典型的圓柱形縱向共振模式的光聲結構基礎上，搭建氣溶膠光吸收系數的檢測裝置。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]本發(fā)明包括激光器、電光強度調制器、光聲池、光電探測器、麥克風、前置放大器、鎖相放大器、電腦和信號發(fā)生器；激光器發(fā)出的光通過電光強度調制器、光聲池后，垂直入射到光電探測器，光電探測器的信號線與裝有數據采集卡的電腦相連；信號發(fā)生器的信號線分別與電光強度調制器和鎖相放大器的參考信號端相連；裝在光聲池中的麥克風信號線與前置放大器的輸入端相連，前置放大器的輸出端與鎖相放大器的檢測信號端相連，鎖相放大器的信號輸出端與電腦相連。
[0007]所述的光聲池為圓柱腔體，光聲池的兩端分別對稱開有相同尺寸的緩沖室，一個緩沖室的圓柱腔體上開有進氣口，另一個緩沖室的圓柱腔體上開有出氣口，兩個緩沖室用共振腔連通，共振腔中部的圓柱腔體側面開有麥克風安裝座，麥克風安裝在麥克風安裝座內，麥克風傳感面伸入至共振腔中，兩個緩沖室的開口端分別裝有蓋板，兩塊蓋板分別開窗口，位于緩沖室一側的兩窗口分別貼有石英片，兩個窗口、兩個緩沖室和共振腔的中心線位于同一軸線上。
[0008]所述的共振腔的長度L。與緩沖室的長度Ld的關系為L。= 2Ld ;緩沖室的直徑R與共振腔的直徑r的關系為R>4r。
[0009]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0010]本發(fā)明是在典型的圓柱形縱向共振模式的光聲結構基礎上，搭建氣溶膠光吸收系數的檢測裝置。光聲池兩端的氣體緩沖室可以有效的緩沖氣流帶來的噪聲。采用電光調制對激光強度進行調制，避免了傳統機械斬波器帶來的噪聲，提高了系統的信噪比。通過檢測光聲信號的幅值，可以計算出氣溶膠顆粒在一定波長下的光吸收系數。本發(fā)明將光聲光譜法用于氣溶膠光吸收系數的檢測，克服了直接吸收法散射光的影響，檢測結果更精確，為研究氣溶膠對大氣輻射以及環(huán)境氣候的影響提供了有效的技術手段。本發(fā)明具有測量精度高、可探測極限小、光帶寬、實時在線測量的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結構框圖。
[0012]圖2是光聲池的結構示意圖。
[0013]圖3是電光強度調制器組成示意圖。
[0014]圖中:1、激光器,2、電光強度調制器,3、光聲池,4、光電探測器,5、麥克風,6、前置放大器，7、鎖相放大 器，8、電腦，9、信號發(fā)生器，10、石英片，11、緩沖室，12、共振腔，13、麥克風安裝座，14、進氣口，15、出氣口，16、電光晶體，17、偏振器，18、高壓放大器。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0016]光聲光譜是基于光聲效應的，氣體吸收光能后發(fā)生無輻射躍遷，產生熱能而導致吸收媒質溫度升高，如果將入射光在聲頻范圍內進行光強或波長調制，使媒質溫度發(fā)生相同頻率的周期性變化，從而產生聲波。通過探測聲波強度可以求出氣體(或氣溶膠)的濃度或吸收系數。
[0017]由光聲信號產生機理及聲場分布理論,可以求出光聲信號的表達式為
[0018]Spa = SfflCcell a Pc (I)
[0019]Spa——光聲信號幅值(V);
[0020]Sm——麥克風靈敏度(V/Pa)；
[0021 ] Ccell——池常數(Pa.cm.W-1);
[0022]α-氣溶膠吸收系數(cnT1);
[0023]P——光功率的峰峰值(W);
[0024]c——被測氣溶膠的濃度。
[0025]由公式(I)可推導出氣溶膠的吸收系數α:
[0026]a =.....^.................p........................(2)
[0027]氣溶膠的濃度c已知，麥克風5的靈敏度Sm利用B&K聲學校準平臺進行標定。光功率的峰峰值P通過采集光電探測器4的電壓幅值計算得到。池常數Cm11衡量了光聲系統將氣體吸收的光能轉化為聲能的能力，可通過本裝置對已知濃度的標準氣體的檢測來標定。光聲信號Spa需要本裝置測量得到。[0028]由于光聲信號Spa相對于噪聲很微弱，難以直接探測到，因此需要鎖相放大器將光聲信號還原出來。鎖相放大器基于互相關檢測的原理，利用噪聲信號與周期信號不存在相關性的特點，通過計算待檢信號與參考信號在零點的相關運算的方法來抑制噪聲并提取出特定頻率(即參考信號的頻率)的周期信號，而其他頻率的信號被抑制下來。
[0029]光聲池的尺寸設計為:L。= 100mm, Ld = 50mm, r = 6mm, R = 30mm。理論上，一階
縱向共振頻率/ = 為聲速(340m/s)。對于以上給出的光聲池實例，理論的共振頻率

ZL.C
f=1700Hz,由于受加工條件及麥克風安裝座13及緩沖室11的影響，實驗測量的實際值為1650Hz。信號發(fā)生器的調制信號和參考信號fr的頻率設置為1650Hz。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明包括激光器1、電光強度調制器2、光聲池3、光電探測器4、麥克風5、前置放大器6、鎖相放大器7、電腦8和信號發(fā)生器9。激光器I發(fā)出的光通過電光強度調制器2、光聲池3后，垂直入射到光電探測器4，光電探測器4的信號線與裝有數據采集卡的電腦8相連；信號發(fā)生器9的信號線分別與電光強度調制器2和鎖相放大器7的參考信號端相連；裝在光聲池3中的麥克風5信號線與前置放大器6的輸入端相連,前置放大器6的輸出端與鎖相放大器7的檢測信號端相連,鎖相放大器7的信號輸出端與電腦8相連。
[0031]本裝置激光器為532nm的固體激光器，型號為MLL-FN-532，功率為200mW。光電探測器型號為PDA100A，麥克風選用EK-23111硅微麥克風，前置放大器型號為SR550，鎖相放大器為SR830，信號發(fā)生器為DS360，數據采集卡采用NI的4472。電光強度調制器是在電光晶體16的基礎上搭建起來的，具體實現如圖3所示。圖中電光晶體16型號為E0-AM-NR-C4，偏振器17米用格蘭湯普森 偏振器,高壓放大器18型號為HVA200。
[0032]如圖3所示，電光晶體在外加電場的作用下，相位延遲隨外加電場的大小而變，隨之引起偏振態(tài)的變化，從而使得偏振器的出射光的振幅受到調制。由于所用激光器的光接近線偏振光，直接入射到電光晶體16進行調制，若為自然光，則需先通過偏振器起偏，再入射到電光晶體進行調制。信號發(fā)生器9產生調制信號，經過高壓放大器18放大后，對電光晶體16輸入調制電壓，入射光經過電光晶體16的調制，通過偏振器17后，出射光強度呈周期變化，光強的變化頻率與調制信號的頻率一致，從而實現對激光的強度調制。
[0033]如圖2所示，所述的光聲池3為圓柱腔體，光聲池3的兩端分別對稱開有相同尺寸的緩沖室，一個緩沖室的圓柱腔體上開有進氣口 14，另一個緩沖室的圓柱腔體上開有出氣口 15，兩個緩沖室用共振腔12連通，共振腔12中部的圓柱腔體側面開有麥克風安裝座13，麥克風5安裝在麥克風安裝座13內，麥克風5傳感面伸入至共振腔12中，麥克風的傳感面盡量與共振腔側壁齊平，兩個緩沖室的開口端分別裝有蓋板，蓋板與兩個緩沖室的開口端為螺紋連接，或者用螺釘連接，兩塊蓋板分別開窗口，位于緩沖室一側的兩窗口分別貼有石英片10，兩個窗口、兩個緩沖室和共振腔12的中心線位于同一軸線上。
[0034]所述的共振腔12的長度L。與緩沖室11的長度Ld的關系為L。= 2Ld ;緩沖室的直徑R與共振腔的直徑r的關系為R>4r。
[0035]本發(fā)明的檢測步驟為:
[0036]步驟I)按照圖1，調整好光路:激光器I發(fā)出的光，經電光晶體16、偏振器17后，出射到光聲池3。光路通過光聲池3的石英片10，出射到光電探測器4。光功率的信號線與裝有數據采集卡的電腦8相連。
[0037]步驟2)按照圖1進行電學信號連接:信號發(fā)生器9的信號線分別與高壓放大器18的輸入端和鎖相放大器7的參考信號端相連，高壓放大器18的輸出端與電光晶體16的信號線相連。信號發(fā)生器產生的調制信號fr (方波或正弦波)一方面對電光強度調制器輸出調制信號，另一方面作為參考信號輸入到鎖相放大器7。麥克風5的信號線與前置放大器6信號輸入端相連，前置放大器6的信號輸出端與鎖相放大器7的信號輸入端相連。鎖相放大器7信號輸出線與電腦8的數據采集卡相連。將信號發(fā)生器9的調制信號(參考信號)fr的頻率與共振腔的一階共振頻率相同，設置為1650Hz。
[0038]步驟3)已知濃度c的氣溶膠由進氣口 14通過，由出氣口 15抽出。打開電腦8上Iabview開發(fā)的軟件，讀取數據采集卡采集到的數據，提取出光聲信號的幅值Spa，光功率的峰峰值P，結合已知的池常數Crall和麥克風靈敏度Sm，根據公式(2)計算出氣溶膠的吸收系數a。待數據穩(wěn)定后，記錄此時α的值，即為濃度為c的氣溶膠的對532nm的光的吸收系數。
[0039]本發(fā)明是在典型的圓柱形縱向共振模式的光聲結構基礎上，搭建氣溶膠光吸收系數的檢測裝置。通過檢測光聲信號的幅值，可以計算出氣溶膠顆粒在一定波長下的光吸收系數。本發(fā)明將光聲光譜法用于氣溶膠光吸收系數的檢測，克服了直接吸收法散射光的影響，檢測結果更精確，為研究氣溶膠對大氣輻射以及環(huán)境氣候的影響提供了有效的技術手段。
【權利要求】
1.一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置，其特征在于:包括激光器(I)、電光強度調制器(2)、光聲池(3)、光電探測器(4)、麥克風(5)、前置放大器(6)、鎖相放大器(7)、電腦(8)和信號發(fā)生器(9);激光器(I)發(fā)出的光通過電光強度調制器(2)、光聲池(3)后，垂直入射到光電探測器(4)，光電探測器(4)的信號線與裝有數據采集卡的電腦(8)相連；信號發(fā)生器(9)的信號線分別與電光強度調制器(2)和鎖相放大器(7)的參考信號端相連；裝在光聲池(3)中的麥克風(5)信號線與前置放大器(6)的輸入端相連,前置放大器(6)的輸出端與鎖相放大器(7 )的檢測信號端相連,鎖相放大器(7 )的信號輸出端與電腦(8 )相連。
2.根據權利要求1所述的一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置，其特征在于:所述的光聲池(3)為圓柱腔體，光聲池(3)的兩端分別對稱開有相同尺寸的緩沖室，一個緩沖室的圓柱腔體上開有進氣口( 14)，另一個緩沖室的圓柱腔體上開有出氣口( 15)，兩個緩沖室用共振腔(12)連通，共振腔(12)中部的圓柱腔體側面開有麥克風安裝座(13)，麥克風(5)安裝在麥克風安裝座(13)內，麥克風(5)傳感面伸入至共振腔(12)中，兩個緩沖室的開口端分別裝有蓋板，兩塊蓋板分別開窗口，位于緩沖室一側的兩窗口分別貼有石英片(10)，兩個窗口、兩個緩沖室和共振腔(12)的中心線位于同一軸線上。
3.根據權利要求2所述的一種基于光聲光譜的氣溶膠光學吸收系數檢測裝置，其特征在于:所述的共振腔(12)的長度It與緩沖室的長度乙的關系為L: =2L.;緩沖室的直徑R與共振腔的直徑r的關系為R>4r。
【文檔編號】G01N21/25GK103604752SQ201310496990
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權日:2013年10月21日
【發(fā)明者】張建鋒, 陳哲敏, 裘越 申請人:浙江省計量科學研究院