[发明专利]一种平行入射的红外热辐射光声光谱气体传感装置

说明书

一种平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，由产生平行光的红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器、光学窗片、进气口、出气口、进气阀门、出气阀门、光声池、传声器、斩波器控制器、锁相放大器、数据采集与处理模块组成。所述能够产生平行光的红外热辐射光源系统采用多个聚光组件榫卯串接，使红外光束在聚光杯内进行多次反射后，形成平行光束，照射入光声池中。本发明减小了光束的发散角，能够有效降低光声池池壁吸收杂散光引起的背景信号；另一方面，本发明采用多个聚光组件，相比单一的抛物面镜，提高了红外光束的利用率，能够增强光声信号，进而提高光声光谱气体传感装置的信噪比。

技术领域

本发明涉及一种红外热辐射光声光谱气体传感装置。

背景技术

光声光谱是一种能够利用气体的光声效应实现多组分痕量气体传感检测的装置。光声光谱痕量气体传感装置从激发气体的光声效应所采用的光源角度进行分类，可以分为两种：红外热辐射光声光谱和激光光声光谱。虽然基于激光光源的光声光谱痕量气体传感装置以其窄线宽和高功率密度能够获得极高的检测分辨率和灵敏度，但是，由于激光光源的波长覆盖范围的局限性和激光器的高成本，使得该技术的广泛应用受到限制。并且，对于多数应用来说，10^-6量级的检测灵敏度实际上已经能够满足要求。采用红外热辐射光源的光声光谱痕量气体传感装置，因其可检测气体种类多、结构简单和造价较为低廉，重新成为了关注点。近年来，随着低噪声、高灵敏度传声器和微弱信号电子检测技术的发展，低噪声的光声池设计制作技术的完善，以及计算机控制和数据处理技术的应用，也极大的提高了基于红外热辐射光声光谱气体传感装置的检测灵敏度。

从气体光声效应的产生原理分析可知，在光声池结构设计和微音器性能恒定的前提下，光源功率强度决定了光声光谱气体传感装置的检测灵敏度。激发气体光声效应的光功率越高，光声光谱装置的信噪比越高。然而，在现有的红外热辐射光声光谱中，其红外热辐射光源只能利用极小的立体角部分，从而损失了大部分辐射能。此外，现有的红外热辐射光源作为点光源，产生的光束在透过光声光谱的光学窗片后，与光声池池壁、窗片和微音器直接作用，造成了很大的背景噪声信号，极不利于微弱的气体光声信号提取。为了提高光源产生的光束的平行度，专利201910978879.X针对激光光源石英增强型光声光谱设计了一种光学准直器，通过将半导体激光器准直呈平行光可以提高光声光谱的检测性能。然而，激光光源产生的光束平行度较红外热辐射光源的高，而且常见的准直器也不适用于红外热辐射光源。

发明内容

本发明的目的是克服现有红外热辐射光源光声光谱气体传感装置中红外热辐射光源只能利用极小的立体角部分，损失了大部分辐射能量，而且红外热辐射光源作为点光源，产生的光束在透过光声光谱的光学窗片后，与光声池池壁、窗片和微音器直接作用，使得光声光谱的背景信号增强，而不利于微弱的气体光声信号提取等不足，提出一种平行入射的红外热光源光声光谱气体传感装置。本发明针对红外热辐射光源，通过设计聚光模组，利用多组光学镜片，对红外热辐射光源产生的光束进行多次修正，使得红外热辐射光源产生的光束更多的、更平行的入射光声池中，以提高红外辐射热光源光声光谱气体传感装置的检测性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种平行入射的红外热辐射光源光声光谱气体传感装置，由产生平行光的红外热辐射光源系统、滤光片、斩波器、光学窗片、光声池、传声器、斩波器控制器、锁相放大器、数据采集与处理模块组成。

所述滤光片平行放置于红外热辐射光源系统平行光射出口后，所述斩波器放置在滤光片和光学窗片之间；所述光声池放置在斩波器后，其入口处安装有光学窗片；所述斩波器控制器放置在斩波器后、光声池旁；所述锁相放大器的输入端通过信号线与传声器连接通信，锁相放大器的输出端与数据采集与处理模块的输入端连接，将提取放大的电信号送入数据采集与处理模块采集处理，反演待测气体实际浓度。

所述产生平行光的红外热辐射光源系统包括沿光束传播方向依次布置的灯座、光杯、红外热辐射灯、第一聚光组件、第二聚光组件、平面镜、第三聚光组件，其中：