本發(fā)明屬于痕量氣體檢測技術領域，具體涉及一種低噪聲差分結構的多用途光聲池。

背景技術：

痕量氣體探測在大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、無創(chuàng)醫(yī)療診斷以及生命科學等領域有著廣泛的應用需求。隨著激光技術的發(fā)展，激光光譜技術已經成為一種具有靈敏度高、選擇性好及響應時間快等優(yōu)勢的氣體檢測方法。

光聲光譜法即是基于光聲效應的一種激光光譜探測技術。其基本原理為：待測氣體吸收特殊波段的激光能量后，氣體分子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，但由于高能級激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，會通過碰撞弛豫重新回到基態(tài)，同時根據能量守恒定律，將吸收的光能量轉化為分子的平動能，即造成氣室中局部溫度升高。當激光以一定頻率調制后，局部溫度就會周期性的升高降低，從而生成與激光調制頻率一致的聲波信號。當使用一款高靈敏的麥克風對聲波信號采集，并轉換為周期性的電流信號后，通過分析這些電信號就可以獲得待測氣體的濃度信息，且目標氣體的濃度與電流信號幅度的大小成正比關系。

基于光聲光譜檢測技術的探測系統(tǒng)中，一般采用一個光聲池作為探測模塊。傳統(tǒng)的光聲池中有一個光聲共振腔，用來收集積累的光聲信號，并將其轉換為電信號后放大輸出。但是該信號中不止有待測氣體退激發(fā)產生的聲波信號，也包含窗口噪聲，氣流噪聲，外部的環(huán)境噪聲以及麥克風的熱噪聲，這樣在使用傳統(tǒng)的單通道光聲池結構時，無法消除窗口噪聲和氣流噪聲帶來的背景噪聲，且對工作的環(huán)境噪聲比較敏感，最終造成氣體傳感器探測靈敏度比較低。

另外現(xiàn)有的共振型光聲池通常都是使用n2作為載氣，探測其中的痕量氣體。但有時在特殊領域，例如鍋爐內部的燃燒氣體中co2成分高達80％；電力系統(tǒng)gis設備中sf6氣體濃度高達99.9％。這些載氣的改變極大的影響了光聲池內部聲波的速度和阻尼系數，從而改變了光聲池的性質，使其靈敏度惡化，甚至功能失效，根本無法使用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有光聲池存在背景噪聲較大、適用的載氣種類少的技術問題，提供一種低噪聲差分結構的多用途光聲池。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種低噪聲差分結構的多用途光聲池，包括殼體、兩顆駐極體電容麥克風、兩片光學玻璃窗口和兩個固定框，在所述殼體的兩端口分別設有一個氣體緩沖室，在殼體的內腔水平設有兩個相互平行的光聲共振腔，且使兩個光聲共振腔的兩端口與設置在殼體兩端的氣體緩沖室連通，在殼體左端的側壁設有進氣孔，且使進氣孔與設置在殼體左端的氣體緩沖室連通，在殼體右端的側壁設有出氣孔，且使出氣孔與設置在殼體右端的氣體緩沖室連通，在殼體側壁的中部并列設有兩個麥克風小孔，且使兩個麥克風小孔分別與兩個光聲共振腔連通，兩顆駐極體電容麥克風分別設置在兩個麥克風小孔上，兩片光學玻璃窗口分別通過兩個固定框固定在殼體的兩端口。光聲池的設計結構簡單，各個組件對稱分布，易加工，光聲共振腔內表面拋光處理，減少了聲波阻尼，有利于光聲信號能量在腔中的積累，從而形成駐波，提高了靈敏度。

所述兩個麥克風小孔相鄰設置，縮短了兩個麥克風弱電流信號在電線中的傳輸距離，避免了弱電流信號傳輸過程中引入其他電子噪聲。

在所述固定框與光學玻璃窗口之間、光學玻璃窗口與殼體的端口之間還設有密封圈，密封圈可以使光學玻璃片與固定框以及與殼體的端口之間密封良好，使光聲池形成一個密閉空間。

所述光聲共振腔長為50mm-120mm，直徑為5mm-12mm?？梢葬槍Σ煌馐|量的光源，選擇不同的共振腔直徑，在保證背景噪聲不變的情況下，獲得最大的光聲信號。光聲共振腔的長度可以滿足不同載氣的應用環(huán)境，使光聲池的共振頻率大于1khz，可以極大地減低1/f噪聲的影響，提高探測信噪比。

所述麥克風小孔直徑為1mm-2mm，在不破壞聲音駐波模式的情況下，能夠有效地將聲波信號傳輸給麥克風。

所述緩沖室壁厚為5mm-15mm，針對不同長度的光聲共振腔，選擇最優(yōu)的緩沖室厚度，且可以有效地隔離窗口噪聲以及氣流噪聲的影響。

所述光學玻璃窗口為透紅外的氟化鈣或鍍增透膜的k9玻璃，或透紫外以及可見光的石英窗口，光學窗口可以將光聲池形成密閉空間，并保證光源進入光聲共振腔產生光聲信號，并從另一端輸出。不同材質的光學窗口可以滿足不同波長范圍的激勵光源，減少窗口對激光能量的吸收，減低窗口噪聲。

所述駐極體電容麥克風的靈敏度大于-32db，小于-20db，體積小，功耗低且靈敏度高，能夠有效地將光聲信號轉換為電流信號。

本發(fā)明采用以上技術方案，針對不同的激勵光源和應用環(huán)境，可以選擇最優(yōu)的光聲共振腔長度、直徑、窗口材質、小孔直徑、緩沖室厚度以及麥克風靈敏度。由于兩個完全一樣的聲學共振腔，因此具有相同的氣流、窗口噪聲以及環(huán)境電磁干擾，通過采用差分放大器可以有效地將背景噪聲消除。另外光聲池采用了共振式結構，在共振腔中聲壓模式為一次縱向駐波模式，因此為使光聲信號與共振腔的共振頻率形成共振，將積累的光聲能量達到最大，需要對激勵光源進行調制(>1khz)，這樣可以減低1/f噪聲的影響，這種差分共振結構的光聲池，能夠有效抑制背景噪聲的影響，明顯提高氣體傳感器的探測信噪比。另外，該光聲池的幾何參數設計，使其在n2作為載氣的情況下成為一個品質因數大于20的共振腔，這個值可以滿足在n2作為載氣下的需求。在co2和sf6等載氣下該光聲池自動變?yōu)橐粋€品質因數腔大于50的共振腔，進一步提高了探測靈敏度。這種設計擴展了光聲池的適用載氣種類，使其成為一種多用途的高靈敏光聲池。

本發(fā)明的設計理論依據如下：

氣體檢測裝置的靈敏度由信噪比(s/n，s是信號幅值，n是噪聲)來決定。為獲得較高的靈敏度，一方面可以提高信號幅值，另一方面可以降低噪聲。本發(fā)明中通過巧妙地設計光聲池的結構來減低噪聲，并采用了多種途徑來提高傳感系統(tǒng)的光聲信號幅值。具體的光聲池的結構和提升光聲信號的途徑闡述如下：

為降低噪聲，光聲池的設計采用了雙聲音共振腔結構。在每一個光聲共振腔的縱向中心位置各安裝了一顆高靈敏的駐極體電容麥克風，用來探測在聲學腔中積累的光聲能量，并將光聲能量轉換為電流信號。在氣體探測裝置的實際測量中，麥克風探測到的信號不止含有待測氣體退激發(fā)釋放的光聲信號u1，還包含窗口吸收激光能量后釋放的噪聲信號n1，氣流帶來的噪聲n2以及外圍環(huán)境的電磁噪聲n3。這些噪聲信號屬于技術噪聲，有一定的規(guī)律可尋。實驗中，一束平行激光光束發(fā)射到光聲池中的一個光聲共振腔，麥克風探測的信號s1為：s1＝u1+n1+n2+n3。而另外一個光聲共振腔中沒有激勵光束通過，因此沒有待測氣體釋放的光聲信號，麥克風探測的信號s2為：s2＝n1+n2+n3。由于兩個完全一樣的光學共振腔，麥克風，氣體緩沖室以及光學窗口保證了光聲池的結構是左右對稱的，因此每顆麥克風探測到的窗口噪聲、氣流噪聲和電磁噪聲是一樣。經過差分之后，光聲池最終的輸出信號幅值s3為：s3＝s1-s2＝u1。即光聲池最終輸出的信號只是待測氣體釋放的光聲信號。兩顆麥克風被緊湊地安裝在每個光聲共振腔的頂部，縮短了電流信號的傳輸距離，可以防止微弱的電流信號淹沒在電磁噪聲中。經過實驗驗證，相鄰設置的麥克風結構可以有效地將光聲池的噪聲降低到0.12μv。相對于非相鄰設置的麥克風結構，在相同的待測氣體濃度，激勵光源等情況下，將氣體檢測裝置的探測靈敏度提高了14倍。在光聲共振腔的兩側各有一個氣體緩沖室，使該光聲共振腔作為開腔結構，且可以有效地減低氣流噪聲的影響。一個氣體緩沖室連接氣體進氣口，另外一個氣體緩沖室連接氣體出氣口。在每個氣體緩沖室的一側各安裝了一面光學窗口，形成密閉腔體，并保證光源進入光聲共振腔產生光聲信號，并從另一端輸出。

采用差分配置的共振光聲池可以有效地避免氣流噪聲、窗口噪聲以及外圍環(huán)境電磁噪聲干擾，極大地提高光聲探測模塊的探測信噪比。由于兩個完全一樣的光學共振腔，麥克風，氣體緩沖室以及光學窗口保證了光聲池的結構是左右對稱的，這樣在沒有激勵光源產生光聲信號時，每個麥克風采集到的信號是完全相同的。將兩個麥克風的采集電流信號差分放大后，此時理論上，光聲池的信號電流輸出為零。

進一步的，光聲池采用了共振式結構，在共振腔中聲壓模式為一次縱向駐波模式，因此為使光聲信號與共振腔的共振頻率形成共振，將積累的光聲能量達到最大，需要對激勵光源進行調制(>1khz)，這樣可以減低1/f噪聲的影響。

氣體檢測裝置的光聲信號幅值s可以表示為：

s＝cαp0(1)

其中c是光聲池常數，α是待測氣體分子吸收系數，它與氣體濃度和被測氣體的吸收線強度成正比，p0是激光光源的輸出功率。因此為了提高氣體傳感系統(tǒng)的光聲信號有三種途徑可以實現(xiàn)：(1)選擇更強的氣體吸收線；(2)選擇使用更高功率的激勵光源；(3)設計制作常數c比較大的光聲池。

目前，由于光源的波長的限制，利用氣體分子的紅外吸收光譜對氣體濃度進行測量時，一般在以下兩個波長區(qū)域進行：近紅外區(qū)域(0.78--2μm)和中紅外區(qū)域(2--25μm)。氣體分子位于中紅外區(qū)域的基頻振動吸收比位于近紅外區(qū)域的泛頻振動吸收要強兩到三個數量級，因此中紅外區(qū)域是最佳的氣體探測波段。近幾年隨著光纖通信技術的發(fā)展，成本低廉的、通訊波段的光纖放大器可以將近紅外的激光輸出能量泵浦到1-20瓦特量級甚至更高。根據公式(1)，提高功率可以彌補近紅外波長區(qū)域吸收系數較低的不足，提升光聲信號的強度。光聲池常數c描述了該光聲池的探測能力，常數c可以用下式表示：

其中，f是共振頻率，q是品質因數，v是共振腔體積，l是共振腔長度，f是激光光束與駐聲波模式的空間重疊，σ是背景氣體的比熱容。c值大小主要受q因子、共振腔的橫截面積(v/l)和載氣種類(σ)影響。

光聲共振腔的q因子定義為在一個周期內，存儲的聲波能量與耗散的聲波能量比值。q值越大，光聲傳感模塊常數c越大，因此傳感系統(tǒng)的信號也越大。光聲探測模塊的q值可由下式計算獲得：

式中，r為共振腔的內徑，dv和dh分別為粘性邊界層厚度和熱邊界層厚度，與氣體粘性μ、氣體密度ρ0、氣體導熱系數κ、摩爾質量m以及氣體比熱容cp等背景氣體的物理常數有關，粘性邊界層厚度dv和熱邊界層厚度dh表達式為：

對同一個光聲池，經理論計算和實驗驗證，對于在n2作為背景氣體時低q的光聲池，在與n2性質不同的某些背景氣體下，例如co2和sf6，會自動轉變?yōu)橐粋€高q的光聲池，進而增加了光聲信號，提高了在這些特殊載氣下的探測信噪比。

因此通過增加激光功率和提高光聲池常數，能夠有效提升光聲信號幅值。

值得注意的是，根據等式(1)，激光功率與信號幅值成正比，功率越大，幅值越大。但實際情況下，激光器的功率并不是越大越好。隨著激光器輸出功率的提高，一方面會出現(xiàn)飽和效應，被測氣體信號幅值和功率不在成線性關系，另一方面，激光光束質量開始變差，部分雜散光會打到光聲池腔壁，造成系統(tǒng)的噪聲增加。隨著功率增長，光束直徑變大，未獲得較低的噪聲水平，需要使用直徑較大的光聲共振腔，根據1-15w的光束質量，直徑范圍設置在5-12mm。

為保證產生單一的一次縱向駐波模式，光聲共振腔的長度需要至少大于其直徑的10倍，因此光聲共振腔長度被設定在50-120mm，其對應的共振頻率為550hz-4khz。麥克風連接光聲共振腔的小孔尺寸不能太小，否則不能把壓力有效傳遞到麥克風上，也不能太大，否則破壞了腔內的一次縱向駐波模式，經過實驗驗證，1-2mm是最佳直徑。

附圖說明

圖1是本發(fā)明外觀圖；

圖2和圖3為本發(fā)明分解圖。

具體實施方式

如圖1-3所示，本實施例中的一種低噪聲差分結構的光聲池，包括殼體1、兩顆靈敏度為-30db的駐極體電容麥克風2、四片o型密封圈3、兩片石英材質的光學窗口4和兩個固定框5，在所述殼體1的兩端口分別設有一個氣體緩沖室6，厚度為15mm，在殼體1的內腔水平設有兩個相互平行的光聲共振腔7，長度為90mm，直徑為6mm，且使兩個光聲共振腔7的兩端口與設置在殼體1兩端的氣體緩沖室6連通，在殼體1左端的側壁設有進氣孔8，且使進氣孔8與設置在殼體1左端的氣體緩沖室6連通，在殼體1右端的側壁設有出氣孔9，且使出氣孔9與設置在殼體1右端的氣體緩沖室6連通，在殼體1側壁的中部并列且相鄰設有兩個直徑為1.5mm的麥克風小孔10，且使兩個麥克風小孔10分別與兩個光聲共振腔7連通，兩顆靈敏度為-30db的駐極體電容麥克風2分別設置在兩個麥克風小孔10上，兩片石英光學窗口4分別通過兩個固定框5固定在殼體1的兩端口，在所述固定框5與石英光學窗口4之間、石英光學窗口4與殼體1的端口之間還設有密封圈3。

上述是實施例中的光聲共振腔7長還可以為50mm-120mm，直徑為5mm-12mm。

上述是實施例中的緩沖室6壁厚還可以為5mm-15mm。

上述是實施例中的麥克風小孔10直徑還可以為1mm-2mm。

上述是實施例中的石英材質的光學窗口4還可以為透紅外的氟化鈣窗口、或鍍增透膜的k9玻璃窗口。

上述是實施例中的駐極體電容麥克風2的靈敏度大于-32db，小于-20db。