一种用于气体光声光谱检测的光声池的制作方法

本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种用于气体光声光谱检测的光声池。

背景技术：

光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，在光声效应中，气体分子吸收特定波长的红外光而被激发到高能态，处于高能态的分子通过无辐射跃迁的形式将吸收的光能转变为热能后回到低能态，在对入射光进行频率调制，热能会呈现出与调制频率相同的周期性变化从而产生声波，通过微音器对声音信号进行检测并计算得到气体的最终浓度，非常适合痕量气体测量以及在复杂的多组分多种类气体背景下的无干扰测量。影响光声光谱气体探测系统灵敏度的核心部件主要包括光源、光声池以及微音器三部分，其中光声池作为光声信号的产生源，是光声光谱测量系统的核心部分，它的设计是否合理直接影响到探测声压信号的灵敏度大小。

光声池按照工作模式分为共振式和非共振式两类：共振式光声池响应速度快，具有较强的共振放大效果，气体检测灵敏度高，但是其结构相对比较复杂，易出现共振频率的漂移；非共振式光声池结构简单，造价低，但它的检测灵敏度低，且探测的信号强度较弱，精准度较低。为保证这种探测的灵敏度和精确性，更多地采用共振式光声池进行光声探测。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于气体光声光谱检测的光声池，旨在解决现有光声池光声效应弱、信噪比受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于气体光声光谱检测的光声池，包括：

第一缓冲室和第二缓冲室，对称设置在光声池中心轴线的两侧；用于通入待测气体的进气口和用于排出待测气体的出气口，进气口与第一缓冲室连通，出气口与第二缓冲室连通；用于使入射光从第一布鲁斯特窗口进入第一缓冲室的入光口和用于使入射光从第二布鲁斯特窗口出射第二缓冲室的出光口；

共振腔，为圆柱形石英空芯玻璃管，连通第一缓冲室和第二缓冲室；

微音器，设置在共振腔内，用于探测共振腔产生的声音信号。

优选地，共振腔的长度为50mm～80mm，截面直径为8mm～10mm，共振腔的长度与其截面直径的比值范围为4:1到10:1之间。

优选地，第一缓冲室和第二缓冲室的宽度相等，其与共振腔的截面直径的比值为3:1。

传统共振腔采用黄铜等金属材料，经过机械加工和抛光镀膜等工艺，其表面粗糙度ra在μm量级，而采用石英玻璃管的成熟拉制工艺，高纯度二氧化硅的空芯玻璃管共振腔的内表面粗糙度可控制在1nm以内，比金属材料低3个数量级。且石英材料刚性(杨氏模量)比金属铜高约7倍，可以保证共振腔腔体的硬度。光声池内分子光声效应转变的能力可以通过光声池常数c来反映，光声池常数越大，光声效应越好，光声池常数c的理论公式为：

c＝(r-1)ql/fvπ²

其中，r是气体定压与定容的比热比值，q为品质因素，l为共振腔长度，v为光声池体积，f为共振频率。光声池的制作材料的特性影响光声池的品质因素，为减少光声池内气体阻尼、迟滞和热损耗，一般选用热传导系数大的金属来保护封装光声池，例如黄铜。

优选地，微音器设置在共振腔的中间位置处，微音器的开口设置成紧贴所述共振腔管壁，以达到好的传声效果。

优选地，光声池还包括：

温度传感器，设置在第一缓冲室内，用于探测光声池的温度；

压力传感器，设置在第二缓冲室内，用于探测光声池的压力变化；

第一声学滤波器和第二声学滤波器，分别设置在第一缓冲室和第二缓冲室内，用于过滤背景和光源噪声。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供的光声池的共振腔用石英玻璃管代替传统的金属，在保证共振腔硬度的同时，内表面粗糙度大大降低，可以有效减小气体吸附和粘滞效应，降低光声信号背景噪声，提升光声池的q值和信噪比；

2、本发明提供的光声池结构设计简单，各个组件对称分布，易加工，共振腔内表面抛光处理，减少了声波阻尼，有利于光声信号能量在腔中的积累，从而形成驻波，提高了灵敏度；

3、本发明提供的光声池的共振腔长度和内壁截面直径可以针对不同光束质量的光源进行选择，在保证背景噪声不变的情况下，获得最大的光声信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于气体光声光谱检测的光声池的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光声池共振腔的截面示意图；

图3是本发明实施例提供的光声池共振腔的光路图。

附图标注：

1、入光口，2、出光口，3、共振腔，4、第一缓冲室，5、第二缓冲室，6、微音器，7、温度传感器，8、压力传感器，9、进气口，10、出气口，11、第一布鲁斯特窗口，12、第二布鲁斯特窗口，13、声学滤波器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于气体光声光谱检测的光声池，包括：

第一缓冲室4和第二缓冲室5，对称设置在光声池中心轴线的两侧，第一缓冲室4与进气口9连通，第二缓冲室5与出气口10连通；用于通入待测气体的进气口9和用于排出待测气体的出气口10；用于使入射光从第一布鲁斯特窗口11进入第一缓冲室4的入光口1和用于使入射光从第二布鲁斯特窗口12出射第二缓冲室5的出光口2；

共振腔3，为圆柱形石英空芯玻璃管，连通第一缓冲室4和第二缓冲室5；

微音器6，设置在共振腔3内，用于探测共振腔3产生的声音信号。

特定红外光从入光口1进入，经过第一缓冲室4、共振腔3、第二缓冲室5后从出光口2出去；待测气体从进气口9排入，在光声池内气体分子吸收红外光发生跃迁，无辐射产生热能，在特定调制频率作用下，产生声波信号，并被紧附在共振腔3上的微音器6接收声波信号后进行处理可得到气体浓度信息；尾气从出气口10中排出。

第一缓冲室4和第二缓冲室5分别设置在光声池的两端；在第一缓冲室4安装温度传感器7，在第二缓冲室5安装压力传感器8，用于实时测量光声池内的温度和压力变化。光声池的共振频率为lkhz以上。分别在第一缓冲室4和第二缓冲室5内设置了声学滤波器13，过滤背景和光源噪声。气体经过进气口9进入光声池内，从出气口10排出池内，从而排出了池内的废气和进行了气体清洗，保障了池内气体的纯度，且形成了流动气体，确保了检测的精度和准确度。共振腔两端的第一缓冲室4内安装温度传感器7，第二缓冲室5内安装压力传感器8，实时测量光声池内的温度和压力变化，反映光声池的实际工作环境情况。

由于光声池的内壁环境和光声激发对光声光谱仪的灵敏度和稳定性提升有决定性作用。本发明提出空芯石英玻璃管于金属有机结合的复合结构光声池，共振腔3利用高纯度石英材料的中空结构玻璃管(空芯玻璃管)替代传统圆柱形金属共振腔，采用成熟的玻璃管拉制技术和清洗方法，获得纳米级内壁光洁度的光声共振腔，和传统的光声池结构相比，本发明提出的结构具有更低的气体迟滞性、更低的光声声压背景噪声、和更高的q值。

本发明实施例提供的光声池，激光光束经角度为布鲁斯特角、透过率大于90％的石英窗片，沿光声池的纵向轴线射入其中，光声池采用质量轻便的石英玻璃管制作而成。圆柱的光声池能与轴对称的光束、轴对称的激发声场很好地匹配，且易于加工，因而设计为圆柱形光声池。如图2所示，共振腔3由玻璃管壁31、共振腔空芯32和黄铜外壳33组成。玻璃管壁31是长为50mm～80mm、直径为8mm～10mm的圆环形腔体，其内部的共振腔空芯32则工作于纵向共振模式，即光声池中的驻波沿轴向分布。整体的玻璃共振腔放置于黄铜外壳33内，在腔中段开口放置微音器6以探测声场变化。为隔离窗口片对光吸收而产生的噪声，共振腔两端分别设置缓冲室，作为声阻尼器；两个缓冲室各自安装温度传感器和压力传感器，以便实施人员实时了解光声池内的工作温度及内部压强。缓冲室的长度取为25mm、直径为24mm。

本装置共振腔采用空芯玻璃管结构，在侧壁开口以便微音器进行信号探测。腔内的光线分布如图3所示。光束从入口处打入，焦点(激光束腰)位于共振腔中段，之后由出口射出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。