[发明专利]用于气体光声光谱检测的束腰双曲型光声池

说明书

本发明公开了一种用于气体光声光谱检测的束腰双曲型光声池，涉及气体检测光声池。本光电池的结构是：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）。本发明提升了光声池品质因素Q和信噪比；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；获得最大的光声信号；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。

技术领域

本发明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

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。

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。

发明内容

本发明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。本发明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。

本发明的目的是这样实现的：

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，本发明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。

一、光声电池

本发明包括壳体、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；

其位置和连通关系是：

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。

二、模型建立

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：

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：

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：

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：