[发明专利]对二氧化硫气体进行检测的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化硫气体检测技术领域，尤其涉及一种对二氧化硫气体进行检测的装置及方法。

背景技术

二氧化硫是一种有毒气体，患有心脏病和呼吸道疾病的人对这种气体最为敏感，就是正常人在二氧化硫浓度过高的地方呆得太久也会致病。空气中二氧化硫的浓度只有1ppm时，人们就会感到胸部有一种被压迫的不适感。

二氧化硫主要来源于煤和石油的燃烧，我国是产煤大国，更是消耗煤和石油的大国，中国目前每年因酸雨和二氧化硫污染对生态环境损害和人体健康影响造成的经济损失在1100亿元左右，今后这种污染还将随着中国的发展而不断的加重。因此在中国的工业区和人们的生活区都应该检测二氧化硫的含量。

现有的检测仪种类很多，原理可分为：定电位电解法、碘量法、电导率法。定电位电解法中使用的电化学传感器寿命通常为两年，无论使用与否必须更换，而该传感器是国外产品，价格昂贵。电导率法、碘量法在使用前必须配置各自必须的电导液、碘标准液，故使用不方便。

早在1880年，Bell首先在固体中观察到光声转换现象，并在给美国科学进展协会的报告中描述了有关试验结果，称这种光声转换的物理现象为光声效应。光声效应是用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号。由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小。

在二氧化硫浓度较低时，光声效应的强度有如下公式决定：

U＝R_c×R_M×W₀×c×K

其中U是测量的电压值，R_c是气室的响应，R_M是麦克风的灵敏度，W₀是激光器的平均功率，c是待测气体浓度，K是待测气体的吸收系数。

从以上公式可见，气室的响应是气室本身的性质，一旦腔室结构固定，响应就是定值；麦克风的灵敏度当然是越高越好，但实际应用中应该考虑成本问题；气体的吸收系数在一定温度范围内变化微乎其微，可以忽略；所以最终对探测精度影响最大的是激光器的功率，图4的实验结果是量子级联激光器在频率313Hz，脉宽330μs，电流350mA的条件下收集到的信号强度，此时激光器的功率稳定在15.4mW，图5是在频率313Hz，脉宽330μs的条件下，改变电流时信号强度与激光器的功率的关系，可见，激光器功率越大，产生的光声信号越大，并呈线性；图6是在频率为313Hz，电流350mA的条件下，改变脉宽时信号强度与脉宽的关系，可见，脉宽越大，产生的光声信号越大，也呈线性；所以提高激光器的功率和激励电流的占空比将大大增强光声信号强度，有利于探测灵敏度的提高。所以我们今后的研究重点将放在激光器性能的提高，来进一步提高检测极限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种对二氧化硫气体进行检测的装置及方法，以实现二氧化硫气体的检测，解决以往的测量浓度耗时长、反应不灵敏、操作复杂、设备维护繁琐的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对二氧化硫气体进行检测的装置，该装置由量子级联激光器1及其驱动电源7、ZnSe透镜2、气室3、双路麦克风电源4、锁相放大器5和计算机6构成；其中，驱动电源7激励量子级联激光器1发射波长为7.36微米的中红外光，该中红外光经ZnSe透镜2会聚为平行光并进入气室3，在气室中产生声信号，由气室中一对高灵敏度麦克风分别收集并传递给双路麦克风电源4，把声信号转化为电信号，产生的电信号输入锁相放大器5进行差分和信号提取，最后由计算机6记录和储存信号值，由信号值计算得到待测气体浓度。

上述方案中，所述量子级联激光器1为波长为7.36微米的量子级联激光器，用于产生波长为7.36微米的中红外光。

上述方案中，所述气室3由两个圆柱形平行的钢管组成，并且钢管两端打孔由细管连接，在细管的中间分别为进气口和出气口，两个圆柱气室的中间开洞，高灵敏度的麦克风的探头紧挨洞口，收集声信号。

上述方案中，所述气室3中的两个圆柱形气室同时产生一对相位相反的声波并由两个独立的高灵敏度麦克风收集，在锁相放大器5处进行减法运算，既可以使环境噪声和气体流动噪声相互抵消又可以使收集到的信号增强一倍，提高测量的灵敏度。