一种谐振频率可调的光声池及调节方法与流程

本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种谐振频率可调的光声池及调节方法。

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，再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。

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，激光光源的线宽、微音器的等效噪声功率等都会影响到整个光声系统的测量灵敏度。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。谐振式光声池具有响应速度快、有较强的共振放大效果、气体检测灵敏度高等诸多优点，但是其结构相对比较复杂，且由于温度、压强等方面的原因容易出现谐振频率的漂移。只有当激光光源的调制频率与光声池的谐振频率对准时，才可获得较大的光声信号，一旦谐振频率发生偏移，微音器获得的信噪比就会急剧衰减，尤其对于品质因数较大的光声池而言，光声信号的振幅受谐振频率漂移的影响很大。

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谐振频率可调的光声池及调节方法，可将工作频率调整至标准谐振频率，旨在解决由于光声池谐振频率漂移导致气体浓度检测能力下降的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种谐振频率可调的光声池，其置于恒温箱内部，包括第一缓冲室、第二缓冲室、谐振腔、第一光窗、第二光窗、第一活动结构、第二活动结构；

所述第一光窗和所述第二光窗分别位于所述第一缓冲室和第二缓冲室的外侧；

所述第一光窗的外侧黏附有第一压电陶瓷，可在所述第一压电陶瓷的作用下发生位移；所述第二光窗的外侧黏附有第二压电陶瓷，可在所述第二压电陶瓷的作用下发生位移；

所述第一活动结构和第二活动结构设置在所述谐振腔的两侧，其材料均与谐振腔相同；

所述第一活动结构和所述谐振腔之间设置有第三压电陶瓷，所述第三压电陶瓷靠近谐振腔的一侧固定，另一侧黏附于所述第一活动结构上，可带动第一活动结构移动；所述第二活动结构和所述谐振腔之间设置有第四压电陶瓷，所述第四压电陶瓷靠近谐振腔的一侧固定，另一侧黏附于所述第二活动结构上，可带动第二活动结构移动。

进一步地，所述恒温箱内部还设置有温度传感器，用于探测所述光声池的温度。

进一步地，所述谐振腔为一阶圆柱形共振式。

进一步地，还包括设置在所述谐振腔内的微音器，用于探测谐振腔产生的声音信号。

进一步地，所述第一缓冲室与第二缓冲室的长度相等，与所述谐振腔的长度之比均为1∶2。

本发明还提供了一种基于上述光声池的谐振频率调节方法，包括

测量光声池的实时谐振频率，将其与标准谐振频率进行比较：若相等，则直接开始后续检测工作；若存在差值，则改变温度或腔长；

每次改变温度或腔长后，再次测量光声池的实时谐振频率，若仍不等于标准谐振频率，则继续改变温度或腔长，直到所述实时谐振频率与标准谐振频率相等。

进一步地，采用共振声谱法测量光声池的实时谐振频率。

进一步地，改变腔长的过程中，保持所述第一缓冲室和第二缓冲室与谐振腔长度的比例均为1∶2不变。

本发明还提供了一种气体光声光谱检测系统，包括上述的光声池。

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通过将原本固定的缓冲室、谐振腔改进成为可调节结构参数的活动结构，大大提高了谐振频率的调节能力以及整个光声池处于谐振式工作状态的可靠性和灵活性；

(2)本发明将光声池置于恒温箱内，既可消除外界温度及压强变化带来的干扰，避免了外界干扰带来谐振式工作过程中谐振频率的不稳定，又能通过改变温度来调节光声池的谐振频率，；

(3)本发明使用共振声谱法实时测量光声池的实际谐振频率，实现了谐振频率的负反馈调节，从而可以实时精确调整工作频率至激光器标准频率，有利于提升谐振腔的q值和信噪比。

附图说明

图1是本发明用于气体光声光谱检测的光声池的结构示意图；

其中，附图标记为：

1-激光器；2-第一压电陶瓷；3-第一光窗；4-第一活动结构；5-第三压电陶瓷；6-微音器；7-第二活动结构；8-第二光窗；9-第一缓冲室；10-第二缓冲室；11-谐振腔；12-第二压电陶瓷；13-第四压电陶瓷；

图2是本发明光声池的谐振频率调节方法的示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

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：

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；

第一缓冲室9和第二缓冲室10，对称设置在光声池中心轴线的两侧，第一缓冲室9与进气口连通，第二缓冲室10与出气口连通；

谐振腔11，为一阶圆柱形共振式，与第一缓冲室9和第二缓冲室10均连通；

微音器6，设置在谐振腔11内，用于探测谐振腔产生的声音信号；

第一光窗3和第二光窗4，分别设置在第一缓冲室9和第二缓冲室10的外侧，而且第一光窗3和第二光窗4的外侧分别黏附有第一压电陶瓷2和第二压电陶瓷12，可进行一定的移动；

第一压电陶瓷2和第二压电陶瓷12，通过改变电场大小可改变其形变量，进而改变光窗到谐振腔的距离，即可调节各个缓冲室的长度；

第一活动结构4和第二活动结构7，设置在谐振腔11的两端，材料与谐振腔11相同；

第三压电陶瓷5和第四压电陶瓷13，靠近谐振腔的一侧固定，形变量发生改变时会带动第一活动结构4和第二活动结构7，从而调节谐振腔的等效长度。

光声池置于恒温箱(图中未示出)内部，用于调节光声池温度，恒温箱中电阻加热管以散热的方式使箱内温度上升。

恒温箱内还设置有温度传感器，用于探测光声池的温度；通过温度传感器检测到的温度值反馈到温度控制器，若温度低于设定值继续加热，当温度达到设定值后停止加热以维持恒温。

优选地，各缓冲室与谐振腔的长度之比为2∶1，其截面直径与谐振腔的截面直径之比为3∶1。

优选地，谐振腔11的长度为100mm，截面直径为10mm；第一缓冲室9和第二缓冲室10的长度均为50mm。

下面介绍本装置的工作原理：光声池的谐振频率受结构及环境参数，如加工精度、环境温度和压强等因素的影响，光声池的工作频率会发生漂移。因此，通过改变这些相关的参数可调整光声池的工作频率至标准谐振频率。

对于圆柱形谐振腔，有谐振频率公式(1)

其中q表示纵向模式数，leff为等效腔长，r为圆柱形谐振腔的半径，v为声速，αmn为第m阶贝塞尔函数的第n个根。选择简正模式，纵向、角向和径向的特征值分别为1、0、0，由简正频率公式，得到公式(2)：

其中v为声速，leff为等效腔长，可知光声池的谐振频率受声速和有效腔长影响。

其中声速的公式为(3)

式中γ是定压热容和定容热容的比值，是温度的函数，m为相对摩尔质量，t为温度，r为摩尔气体常量。因为池中主要气体成分为氮气，所以γ为一定值，r也为定值，故可通过改变气体温度t改变谐振腔的工作频率。

而有效腔长的公式为(4)

l为谐振腔的长度，r为谐振腔的半径，因为谐振腔为圆柱，半径不方便改变，所以选择改变谐振腔长度改变谐振腔的谐振频率。

本发明还提供了一种基于上述光声池的谐振频率调节方法。如图2，假设光声池标定的谐振频率(即标准谐振频率)是1000hz，用这个频率来调制激光光源。在特定温度的影响下，谐振频率往往会发生漂移，此时可采取以下方法步骤：

用共振声谱法测出实时的谐振频率，将这一数值与标准谐振频率1000hz进行比较，若相等，则可以直接开始后续检测工作；若存在差值，则改变温度或腔长来调控谐振频率；

每次对温度或腔长进行微调后，可由共振声谱法实时测量光声池的谐振频率，若依然不等于1000hz，则继续改变微量的温度或腔长，直到实测频率与标准谐振频率相等。

以上负反馈调节过程是基于对腔长和温度的改变来精密控制的。假设温度的调节精度为0.5k，由前述公式(1)、(2)得，谐振频率的调节精度约为0.08％；假设腔长的调节精度为0.02mm，则由前述公式(1)可得谐振频率的调节精度约为0.02％。因此，若谐振频率的漂移程度很低，可优先调节腔长；此外，以上分析还表明，温度的调节范围更大，所以若谐振频率漂移程度很高，则可以先通过改变温度进行粗调，再通过改变腔长进行精调。

对于温度的改变，通过调节恒温箱的设定温度即可对谐振腔的工作温度进行调节，从而调节谐振频率；改变腔长的过程中，当第三压电陶瓷5和第四压电陶瓷13使第一活动结构4和第二活动结构7分别移动δl，从而使等效腔长改变2δl时，为保持各缓冲室与谐振腔11长度的比例为1∶2不变，须通过第一压电陶瓷2和第二压电陶瓷12使第一光窗3和第二光窗8分别移动2δl，从而使各缓冲室长度均改变δl。每次改变的δl应尽量小，从而提高负反馈调节过程的准确性。

以上调节方法中使用共振声谱法实时测量光声池的谐振频率。共振声谱法是对入射声波激励下弹性物体共振频率的研究。在扫频信号声源的激励下，弹性材料必然有某些固有频率被显著激发，弹性物体因具有不同的物理属性，使其具有不同的谐振频率。当该物体的物理属性不变时，谐振频率也不变，因此可采用共振声谱法测量弹性目标物体的共振频率。

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。