本技術(shù)涉及痕量氣體檢測，特別是涉及一種共振式光聲池和基于積分球光聲池的多組分痕量氣體同時檢測裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變化的日益加劇，世界各國都開始重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。作為世界上最大的溫室氣體排放國家之一，中國在應(yīng)對氣候變化方面的責(zé)任和角色越來越重要。為此，中國政府提出了“國家雙碳”戰(zhàn)略，旨在到2060年實現(xiàn)碳中和和全面建設(shè)綠色低碳發(fā)展的現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系。因此，在“雙碳”目標(biāo)背景下，高準(zhǔn)確性和高可靠性的氣體監(jiān)測系統(tǒng)將作為重要的監(jiān)測手段，對控排企業(yè)的碳排放量及空氣中co2、ch4、co混合氣體的含量進(jìn)行在線監(jiān)測，為低碳工程提供有效數(shù)據(jù)支撐與科學(xué)依據(jù)。

2、目前，氣體檢測技術(shù)主要由催化燃燒、電化學(xué)、氣相色譜等化學(xué)技術(shù)，以及非分散紅外光譜(ndir)、傅里葉變換紅外光譜(ftir)、光聲光譜(pas)等光譜技術(shù)組成。與化學(xué)技術(shù)相比，光譜技術(shù)具有取樣靈活、無損測量、非接觸、多組分檢測等優(yōu)點。

3、光聲光譜技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、零背景檢測等優(yōu)點，在混合氣體檢測領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。而光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的性能主要受激發(fā)光源、聲探測器和光聲池的影響。目前，激發(fā)光源的發(fā)展相對較緩，國內(nèi)外關(guān)于提升光聲氣體檢測性能的研究主要以聲探測器為主，在光聲池方面的系統(tǒng)研究涉及較少。相較于非共振式光聲池，共振式光聲池可以放大光聲信號，抑制低頻噪聲。因此，高性能共振式光聲池的設(shè)計與研制成為提升光聲傳感器氣體檢測能力的重要途徑，對于各行業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

4、相關(guān)技術(shù)如下：

5、tailinli設(shè)計的對稱多諧振腔光聲池。光聲池的整個長度為110mm，由兩個緩沖腔和一個光聲室組成，兩個麥克風(fēng)對稱地位于光聲室的兩側(cè)，以實現(xiàn)兩點檢測。光聲室由三個圓柱形聲學(xué)管組成，它們提供不同的聲諧振頻率。聲學(xué)管1(ar1)、聲學(xué)管2(ar2)和聲學(xué)管3(ar3)的長度分別為60mm、50mm和46mm，半徑為3mm。半徑為1.4mm的通道穿透每個聲學(xué)管，作為連接聲學(xué)管和麥克風(fēng)(麥克風(fēng)1和麥克風(fēng)2)的通道。在有限元模型中，使用的材料是空氣，溫度和壓力分別設(shè)置為298.15k和1atm，得到的共振頻率約為3069hz(ar1)、3496hz(ar2)、3703hz(ar3)。通過使用近紅外二極管激光器和兩個中紅外量子級聯(lián)激光器同時檢測，得到c2h2、no和cf4的最低檢測限分別為480ppb、260ppb和0.57ppb。其缺點是氣體吸收光能產(chǎn)生聲音信號的有效路徑等于腔體的長度，而腔體長度有限，故而檢測靈敏度低。

6、zhengangli設(shè)計的球管耦合光聲池，由一個積分球氣室和一根聲學(xué)管組成。積分球氣室的直徑為5.08cm，內(nèi)壁涂有一層高反射率的聚四氟乙烯材料，球壁上共開四個口，分別是進(jìn)光口、進(jìn)氣口、出氣口以及光聲信號檢測口，除掉光聲信號檢測口，其他開口的直徑為3mm。在光聲信號檢測口連接的是一根長度為5cm長、半徑為2mm的聲學(xué)管。入射光進(jìn)入積分球氣室，經(jīng)過漫反射實現(xiàn)光束疊加，光的吸收路徑得到增加，這有利于氣體充分吸收光能進(jìn)而產(chǎn)生足夠大的光聲信號。通過使用450nm半導(dǎo)體激光器(ld)為光源，得到no2的最低檢測限0.7ppb。其缺點是，此設(shè)計雖然適用于多種痕量氣體檢測，但是在實驗時，只能檢測一種氣體，不能夠同時檢測多種氣體。

7、張爽提出的采用時分復(fù)用的方案實現(xiàn)多組分氣體同時測量，本方案基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，采用時分復(fù)用的方案實現(xiàn)對sf6/n2混合氣中sf6分解氣組分的在線檢測。通過光開關(guān)的切換實現(xiàn)3通道測量控制，工作時總調(diào)度板設(shè)定好3套激光器的光路通道選擇順序，讓代表hf、h2s和co的3種氣體的激光依次通過光開關(guān)，激光通過光開關(guān)后進(jìn)入氣室被探測器接收，探測器的放大電路根據(jù)3種待測氣體的不同吸收系數(shù)，設(shè)置的放大倍數(shù)不同。這樣探測器會依次接收到3種調(diào)制信號的光信號。由于光信號是同時被3塊鎖相板采集的，因此需要總調(diào)度板采集與光開關(guān)同步開啟的通道串口信息，另外2個關(guān)閉的鎖相板送來的串口數(shù)據(jù)不予接收。通過3個串口依次接收到3種氣體的濃度信息并存儲打包，以固定格式發(fā)送給上位機，上位機接收到串口數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解調(diào)數(shù)據(jù)就能夠得到3種氣體的實時濃度值。每通道刷新時間為3s。其缺點在于時分復(fù)用技術(shù)是將不同的激光信號相互交織在不同的時間段內(nèi)，沿著同一個光路傳輸，其核心部分為通過激光光路切換實現(xiàn)對不同氣體的測量，系統(tǒng)各點的檢測實時性不是很高。而且光源切換部件性能一直難以保障，體積偏大不利于集成，有時還存在回跳抖動和重復(fù)性差的問題。

8、綜上所述，針對目前現(xiàn)有的光聲池，一部分光聲池設(shè)計了三根不同長度的聲學(xué)管，以此來同時檢測多種氣體，但是檢測氣體的靈敏度低；另一部分光聲池運用了積分球的原理，增加了光程，提高了靈敏度，但是不能同時檢測多種氣體；而運用時分復(fù)用的方法，雖然能夠檢測多種氣體，但是系統(tǒng)各點的檢測實時性不是很高?；诖?，急需一種新型的方案來解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型的目的是提供一種共振式光聲池和基于積分球光聲池的多組分痕量氣體同時檢測裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，在保證檢測靈敏度的前提下同時檢測多種氣體。

2、為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了如下方案：

3、本實用新型提供一種共振式光聲池，包括積分球氣室和聲學(xué)管，所述積分球氣室的球壁上開設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)光口以及光聲信號檢測口，所述聲學(xué)管的一端連接于所述光聲信號檢測口上，另一端沿著遠(yuǎn)離所述積分球氣室的方向延伸，所述聲學(xué)管設(shè)置有多個，多個所述聲學(xué)管的長度不相同，一個所述聲學(xué)管對應(yīng)于一個所述光聲信號檢測口。

4、優(yōu)選地，設(shè)置有三個所述聲學(xué)管，三個所述聲學(xué)管的長度均不相同。

5、優(yōu)選地，所述積分球氣室的內(nèi)壁涂有一層高反射率的聚四氟乙烯材料。

6、優(yōu)選地，所述積分球氣室的直徑為4.8cm，三個所述聲學(xué)管的半徑為2mm、長度分別為4cm、5cm、6cm。

7、優(yōu)選地，還包括微音器，所述微音器的數(shù)量與所述聲學(xué)管的數(shù)量相同并一一對應(yīng)設(shè)置。

8、本實用新型還提供了一種基于積分球光聲池的多組分痕量氣體同時檢測裝置，包括函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、激光器、光纖耦合器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集器、配氣系統(tǒng)、電腦以及如上所述的共振式光聲池。

9、本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下技術(shù)效果：

10、本實用新型設(shè)計了多根不同長度的聲學(xué)管。不同長度的聲學(xué)管會產(chǎn)生不同的共振頻率。同時使用三個鎖相放大器將三個激光器分別設(shè)置為與三根聲學(xué)管的一階徑向諧振頻率相匹配。盡管微音器依舊會接收到不同調(diào)制頻率的吸收信號，但只有在和聲學(xué)管共振的頻率相同下，聲音信號才會被放大，其他頻率下的聲音信號很小，幾乎不會造成干擾。最終能夠在同一時刻獲得三種氣體的聲音幅值，以此可以同時獲得三種待測氣體的濃度。

11、綜上，本實用新型能夠在保證檢測靈敏度的前提下同時檢測多種氣體。

技術(shù)特征：

1.一種共振式光聲池，包括積分球氣室和聲學(xué)管，所述積分球氣室的球壁上開設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)光口以及光聲信號檢測口，所述聲學(xué)管的一端連接于所述光聲信號檢測口上，另一端沿著遠(yuǎn)離所述積分球氣室的方向延伸，其特征在于：所述聲學(xué)管設(shè)置有多個，多個所述聲學(xué)管的長度不相同，一個所述聲學(xué)管對應(yīng)于一個所述光聲信號檢測口。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共振式光聲池，其特征在于：設(shè)置有三個所述聲學(xué)管，三個所述聲學(xué)管的長度均不相同。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共振式光聲池，其特征在于：所述積分球氣室的內(nèi)壁涂有一層高反射率的聚四氟乙烯材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共振式光聲池，其特征在于：所述積分球氣室的直徑為4.8cm，三個所述聲學(xué)管的半徑為2mm、長度分別為4cm、5cm、6cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共振式光聲池，其特征在于：還包括微音器，所述微音器的數(shù)量與所述聲學(xué)管的數(shù)量相同并一一對應(yīng)設(shè)置。

6.一種基于積分球光聲池的多組分痕量氣體同時檢測裝置，其特征在于：包括函數(shù)發(fā)生器、激光控制器、激光器、光纖耦合器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集器、配氣系統(tǒng)、電腦以及權(quán)利要求1～5任意一項所述的共振式光聲池。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)提供一種共振式光聲池和基于積分球光聲池的多組分痕量氣體同時檢測裝置，其中，共振式光聲池包括積分球氣室和聲學(xué)管，積分球氣室的球壁上開設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口、進(jìn)光口以及光聲信號檢測口，聲學(xué)管的一端連接于光聲信號檢測口上，另一端沿著遠(yuǎn)離積分球氣室的方向延伸，聲學(xué)管設(shè)置有多個，多個聲學(xué)管的長度不相同，一個聲學(xué)管對應(yīng)于一個光聲信號檢測口。本技術(shù)設(shè)計了多根不同長度的聲學(xué)管，不同長度的聲學(xué)管會產(chǎn)生不同的共振頻率，以此，在保證檢測靈敏度的前提下同時檢測多種氣體。

技術(shù)研發(fā)人員：張振云,王艷春,司趕上,劉旭,孫長偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蚌埠學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：20240326
技術(shù)公布日：2024/12/19