一种用于气体光声光谱检测的束腰双曲型光声池的制作方法

[0001]
本实用新型涉及气体检测光声池，尤其涉及一种用于气体光声光谱检测的束腰双曲型光声池。


背景技术：

[0002]
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可以得到气体的最终浓度，非常适合衡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。
[0003]
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：

[0004]
本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的光声池光声信号灵敏度微弱，工作频带受限等缺点和不足，提供一种用于气体光声光谱检测的束腰双曲型光声池及其方法。本实用新型降低了谐振腔边界层的热损耗与粘性损耗，有利于光声信号能量在腔中的积累，从而形成驻波，提高了检测灵敏度；此外，由于双曲型谐振腔的曲率可调，故可以根据不同曲率来设计腔体，从而拓宽了工作频带。
[0005]
本实用新型的目的是这样实现的：
[0006]
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，本实用新型中使用共振型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。
[0007]
一、光声电池
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本实用新型包括壳体、第1缓冲室、第1玻璃窗口、进气口、出气口、谐振腔、第2玻璃窗口、微音器、第2缓冲室和密封胶；
[0009]
其位置和连通关系是：
[0010]
在壳体的中心设置有谐振腔，在谐振腔的左右两边对称设置有第1玻璃窗口、第1缓冲室和第2玻璃窗口、第2缓冲室，在谐振腔上边的中心设置有微音器，在第1缓冲室的下边设置有进气口，在第2缓冲室的下边设置有出气口，在壳体其它空间填充有密封胶。
[0011]
二、模型建立
[0012]
假设池内气体近似为理想气体，声信号满足的波动方程可表示为：
[0013]
[0014]
式中为位移矢量，p为声压，v2为腔内气体的声速，γ为比热容比， h(r,t)为气体吸收调制的光能产生的热能，用声压描述气体中的声波，声压是总压强p与平均压强p0之差对(1)式进行傅里叶变换可得：
[0015][0016]
ω为经过调制后光的频率，利用简正模式的解展开求解非齐次方程式(2)得：
[0017][0018]
式中为声振动得简正模式，它的表达式和光声池的结构有关，表示光声腔内存在的驻波形式，振幅a
j
(ω)与光源的调制频率ω相关，是下述波动方程的解：
[0019][0020]
利用能够实现多物理场耦合的有限元仿真软件对模型进行计算，对仿真计算结果进行分析，包括：计算腔体的共振频率，设置光声池工作在共振模式时，计算共振频率与光声池谐振腔的几何参数的关系，以及声压大小与光声池谐振腔的几何参数的关系；根据所述共振频率与光声池谐振腔的几何参数的关系、所述声压大小与光声池谐振腔的几何参数的关系以及激光输出光斑的半径，确定光声池谐振腔的几何参数。
[0021]
本实用新型将传统圆柱型共振腔优化为双曲型共振腔，其优势在于光声池结构设计简单，各个组件对称分布，光声池品质因素q和信噪比得到一定提升, 可供检测的特征模态更全面，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，提高了检测灵敏度。
[0022]
三、应用
[0023]
将斩波器的的频率调制在一定范围内，并在光声腔内保持通入恒定的气体浓度和流量，每两个频率的步长之间设置10s的延迟，最后以300ms的积分时间对数据进行采集，最后将所采集到的数据进行洛伦兹拟合得到待测气体的浓度。
[0024]
与现有技术相比，本实用新型具有下列优点和积极效果：
[0025]
1、本实用新型提供的光声池的谐振腔用石英玻璃管代替传统金属，在保证谐振腔硬度的同时，内表面粗糙度大大降低，可以有效减少气体吸附和粘滞效应，提升光声池品质因素q和信噪比；
[0026]
2、与传统谐振腔相比，曲体束腰型的结构引入母线离心率实现了高维立体优化，在谐振频率、声压幅值和品质因素q等重要参数之间的调控上更加方便；
[0027]
3、本实用新型提供的光声池的谐振腔母线短半轴长和谐振腔长度可以适应不同的光束质量的光源进行优选，在保证背景噪声不变的情况下，获得最大的光声信号；
[0028]
4、谐振腔的母线离心率，可根据需求多样性做适当的调整，达到检测性能的最佳
效果。
附图说明
[0029]
图1是本光声池的结构示意图。
[0030]
0—壳体；
[0031]
1—第1缓冲室；
[0032]
2—第1玻璃窗口；
[0033]
3—进气口；
[0034]
4—出气口；
[0035]
5—谐振腔；
[0036]
6—第2玻璃窗口；
[0037]
7—微音器；
[0038]
8—第2缓冲室；
[0039]
9—密封胶。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图及实施例详细说明。
[0041]
一、光声池的结构
[0042]
1、总体
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本实用新型包括壳体0、第1缓冲室1、第1玻璃窗口2、进气口3、出气口4、谐振腔5、第2玻璃窗口6、微音器7、第2缓冲室8和密封胶9；
[0044]
其位置和连接关系是：
[0045]
在壳体0的中心设置有谐振腔5，在谐振腔5的左右两边对称设置有第1 玻璃窗口2、第1缓冲室1和第2玻璃窗口6、第2缓冲室8，在谐振腔5上边的中心设置有微音器7，在第1缓冲室1的下边设置有进气口3，在第2缓冲室 8的下边设置有出气口4，在壳体0其它空间填充有密封胶9。
[0046]
3、工作机理
[0047]
第1缓冲室1和第2缓冲室8对称设置在壳体0中心轴线的两侧；第1缓冲室1与第1玻璃窗口2连通，第2缓冲室2与第2特玻璃窗口6连通；入射光从第1玻璃窗口2进入第1缓冲室1，经过谐振腔5和第2缓冲室8，从第2 玻璃窗口6出射；谐振腔5为曲体束腰型石英玻璃管，连通第1缓冲室1和第 2缓冲室8；待测气体从进气口3进，从出气口4出，微音器7设置在谐振腔5 内中心处，用于探测谐振腔5产生的光声信号；
[0048]
待测气体从进气口3进入，调制的激光由第1玻璃窗口2入射，出射第2 玻璃窗口6；待测气体受到由第1玻璃窗口2入射的调制光激发后，产生声信号，并与谐振腔5发生共振；微音器7在所形成的驻波波腹处对声信号进行检测，通过处理检测得到的声信号来确定气体的浓度信息；检测完毕后不再通入激光，气体从出气口4排出，进行下一轮检测。
[0049]
2、功能部件
[0050]
1)第1缓冲室1
[0051]
第1缓冲室1呈圆筒形，长度为50mm，其截面直径为40mm；用于待测气体的缓冲。
[0052]
2)第1玻璃窗口2
[0053]
第1玻璃窗口2呈小孔状；入射光从此处入射。
[0054]
3)进气口3
[0055]
进气口3呈圆筒形；待测气体从此处进入。
[0056]
4)出气口4
[0057]
出气口4呈圆筒形；待测气体从此处排出。
[0058]
5)谐振腔5
[0059]
谐振腔5呈双曲束腰型；与第1、2缓冲室1、8一起在检测频率下发生谐振，扩大振幅。
[0060]
谐振腔5的长度为50～150mm，母线半短轴长2.5～7.5mm，离心率大于等于5，小于等于1000。
[0061]
6)第2璃窗口6
[0062]
第2璃窗口6呈小孔状；出射光从此处出射。
[0063]
7)微音器7
[0064]
微音器7呈圆柱状；设置在共振腔内中心处，用于探测共振腔产生的声音信号。
[0065]
8)第2缓冲室8
[0066]
第2缓冲室8和第1缓冲室1的结构和功能相同。
[0067]
二、光声池的工艺
[0068]
谐振腔5为曲体束腰型(纺锤型)设计的石英玻璃管，连通第1缓冲室和第2缓冲室8；
[0069]
谐振腔5利用高纯度石英材料的中空结构玻璃管代替传统圆柱形金属谐振腔，采用成熟的玻璃管拉和清洗方法，获得纳米级内壁光洁度的光声谐振腔，和传统的光声池结构相比，本曲体束腰型的结构具有更低的气体粘滞性、更低的光声声压背景噪声和更高的q值。
[0070]
激光光束经过透射率大于95％的石英玻璃窗口，沿着光声池轴线射入其中，光声池能与轴对称光束、轴对称的激发声场很好地匹配，且易于加工，因而设计为中心对称型三维曲体。
[0071]
传统的谐振腔采用黄铜等金属材料，经过机械加工与抛光镀膜工艺，其表面粗糙度在微米量级；而本实用新型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谐振腔的内表面粗糙度可控制在1纳米以内，比金属材料低3个数量级。而石英材料的刚性比金属铜高约7倍，可以保证谐振腔体的硬度。