[发明专利]一种低噪声差分结构的多用途光声池

说明书

技术领域

本发明属于痕量气体检测技术领域，具体涉及一种低噪声差分结构的多用途光声池。

背景技术

痕量气体探测在大气环境监测、工业过程控制、无创医疗诊断以及生命科学等领域有着广泛的应用需求。随着激光技术的发展，激光光谱技术已经成为一种具有灵敏度高、选择性好及响应时间快等优势的气体检测方法。

光声光谱法即是基于光声效应的一种激光光谱探测技术。其基本原理为：待测气体吸收特殊波段的激光能量后，气体分子从基态跃迁到激发态，但由于高能级激发态的不稳定性，会通过碰撞弛豫重新回到基态，同时根据能量守恒定律，将吸收的光能量转化为分子的平动能，即造成气室中局部温度升高。当激光以一定频率调制后，局部温度就会周期性的升高降低，从而生成与激光调制频率一致的声波信号。当使用一款高灵敏的麦克风对声波信号采集，并转换为周期性的电流信号后，通过分析这些电信号就可以获得待测气体的浓度信息，且目标气体的浓度与电流信号幅度的大小成正比关系。

基于光声光谱检测技术的探测系统中，一般采用一个光声池作为探测模块。传统的光声池中有一个光声共振腔，用来收集积累的光声信号，并将其转换为电信号后放大输出。但是该信号中不止有待测气体退激发产生的声波信号，也包含窗口噪声，气流噪声，外部的环境噪声以及麦克风的热噪声，这样在使用传统的单通道光声池结构时，无法消除窗口噪声和气流噪声带来的背景噪声，且对工作的环境噪声比较敏感，最终造成气体传感器探测灵敏度比较低。

另外现有的共振型光声池通常都是使用N₂作为载气，探测其中的痕量气体。但有时在特殊领域，例如锅炉内部的燃烧气体中CO₂成分高达80％；电力系统GIS设备中SF₆气体浓度高达99.9％。这些载气的改变极大的影响了光声池内部声波的速度和阻尼系数，从而改变了光声池的性质，使其灵敏度恶化，甚至功能失效，根本无法使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光声池存在背景噪声较大、适用的载气种类少的技术问题，提供一种低噪声差分结构的多用途光声池。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低噪声差分结构的多用途光声池，包括壳体、两颗驻极体电容麦克风、两片光学玻璃窗口和两个固定框，在所述壳体的两端口分别设有一个气体缓冲室，在壳体的内腔水平设有两个相互平行的光声共振腔，且使两个光声共振腔的两端口与设置在壳体两端的气体缓冲室连通，在壳体左端的侧壁设有进气孔，且使进气孔与设置在壳体左端的气体缓冲室连通，在壳体右端的侧壁设有出气孔，且使出气孔与设置在壳体右端的气体缓冲室连通，在壳体侧壁的中部并列设有两个麦克风小孔，且使两个麦克风小孔分别与两个光声共振腔连通，两颗驻极体电容麦克风分别设置在两个麦克风小孔上，两片光学玻璃窗口分别通过两个固定框固定在壳体的两端口。光声池的设计结构简单，各个组件对称分布，易加工，光声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。

所述两个麦克风小孔相邻设置，缩短了两个麦克风弱电流信号在电线中的传输距离，避免了弱电流信号传输过程中引入其他电子噪声。

在所述固定框与光学玻璃窗口之间、光学玻璃窗口与壳体的端口之间还设有密封圈，密封圈可以使光学玻璃片与固定框以及与壳体的端口之间密封良好，使光声池形成一个密闭空间。

所述光声共振腔长为50mm-120mm，直径为5mm-12mm。可以针对不同光束质量的光源，选择不同的共振腔直径，在保证背景噪声不变的情况下，获得最大的光声信号。光声共振腔的长度可以满足不同载气的应用环境，使光声池的共振频率大于1kHz，可以极大地减低1/f噪声的影响，提高探测信噪比。

所述麦克风小孔直径为1mm-2mm，在不破坏声音驻波模式的情况下，能够有效地将声波信号传输给麦克风。

所述缓冲室壁厚为5mm-15mm，针对不同长度的光声共振腔，选择最优的缓冲室厚度，且可以有效地隔离窗口噪声以及气流噪声的影响。

所述光学玻璃窗口为透红外的氟化钙或镀增透膜的K9玻璃，或透紫外以及可见光的石英窗口，光学窗口可以将光声池形成密闭空间，并保证光源进入光声共振腔产生光声信号，并从另一端输出。不同材质的光学窗口可以满足不同波长范围的激励光源，减少窗口对激光能量的吸收，减低窗口噪声。

所述驻极体电容麦克风的灵敏度大于-32dB，小于-20dB，体积小，功耗低且灵敏度高，能够有效地将光声信号转换为电流信号。