一种红外光声检测装置和基于调光薄膜的红外光声检测方法

摘要

本发明公开了一种基于调光薄膜的红外光声检测方法以及采用该方法的红外光声检测装置。该红外光声检测装置包括：红外发生单元、光声池和调光薄膜单元。调光薄膜单元包括设于红外发生单元和光声池之间的快变调光薄膜和慢变调光薄膜。红外发生单元发射出的红外激光通过快变调光薄膜和慢变调光薄膜进行调制后，射入光声池的光声腔内，使得光声腔内的烷烃气体产生膨胀声压，通过微音麦克风采集声信号以得出烷烃浓度。

说明书

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种红外光声检测装置，和一种基于调光薄膜的红外光声检测方法。

背景技术

由于烷烃中只有C-H组成的C-H、C-H

为了更好的处理声信号，防止同频干扰、滤除低频噪声，红外光声检测技术往往需要进行调制处理，才能产生某一频率的声音信号。现有技术中一般是采用量子级联激光器(QCL)或分布式反馈激光器(DFB)。量子级联激光器可发射高功率中远红外光，但体积大且价格高昂；分布式反馈激光器虽然价格便宜，但只能发射低功率近红外光，检测噪声较大。因此，体积小、成本低、低噪声和低功耗的红外光声检测装置仍然有待开发。

发明内容

本发明目的在于提供一种红外光声检测装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

一种红外光声检测装置，包括：红外发生单元、光声池和调光薄膜单元；

所述光声池具有光声腔，所述光声池设有用于采集所述光声腔内声压信号的微音麦克风；

所述光声腔的后端设有入射窗，所述红外发生单元朝前设于所述入射窗的后方，所述调光薄膜单元设于所述红外发生单元和光声池之间；

所述调光薄膜单元包括快变调光薄膜和慢变调光薄膜，所述快变调光薄膜和慢变调光薄膜均设于所述红外发生单元和光声池之间，所述快变调光薄膜和慢变调光薄膜均垂直于前后方向设置。

本发明所提供的红外光声检测装置，至少具有如下的有益效果：所述红外发生单元发出的红外光经所述快变调光薄膜和慢变调光薄膜进行调制之后，从所述入射窗射入至所述光声腔内，通过所述微音麦克风来检测光声腔内的气体的膨胀声压，从而得出气体的烷烃浓度。本发明的红外光声检测装置，通过串联的调光薄膜对红外光线进行调制，噪声小且大大降低了红外光源的要求，也无需配备外部的光斩波器，降低了成本的同时减少体积，能够适应一些空间有限、需要便携的检测场景。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光声腔呈圆柱形状，所述光声池设有与所述光声腔相连通的进气孔和出气孔，所述进气孔和出气孔前后间隔设置，所述进气孔和出气孔均与所述光声腔同一侧相连通。通过上述技术方案，烷烃气体通过进气孔和出气孔进出所述光声池进行检测；同侧间距排布的进气孔和出气孔能够减少烷烃气体流动带来的噪声影响。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光声腔的前端设有出射窗，所述入射窗和出射窗均呈薄片状；所述光声腔具有沿前后方向延伸的射光路线，所述入射窗和出射窗相互对称、并均与所述射光路线呈布鲁斯特角设置。

光在介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光。当入射角为某布鲁斯特角时，反射光为线偏振光，其振动方向与入射面垂直。通过上述技术方案，所述入射窗和出射窗能够形成布鲁斯特窗结构，能够避免入射窗的反射与红外光线发生干涉效应，影响红外光线射入光声腔内时的强度；同时能够减少出射窗的反射导致反射光线折返光声腔与入射光线叠加产生干扰。

作为上述技术方案的进一步改进，所述入射窗为红外滤光片，所述红外滤光片可拆卸地设置于所述光声腔的后端。通过上述技术方案，通过采用合适的红外滤波片，使得红外滤光片的中心波数处于所要检测的目标烷烃气体的吸收峰内，并且可以更换不同的滤光片实现不同的烷烃气体检测。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光声腔呈圆柱形状，所述光声腔具有前后方向延伸的轴线，所述光声腔的中部设有音孔，所述音孔沿所述光声腔的径向延伸并与所述光声腔连通，所述微音麦克风设于所述音孔内。通过上述技术方案，所述微音麦克风放置于一个密封的凸起嵌入形结构，能有效地减少外界空气扰动造成的影响，提高信噪比。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光声池还设有热敏电阻，所述热敏电阻具有设于所述光声腔内壁的热敏检测端。通过上述技术方案，通过热敏检测端对光声腔内的温度进行监测，将实时测量的温度作为参数补偿浓度检测中因温度改变而带来的误差。

作为上述技术方案的进一步改进，所述红外发生单元包括宽带光源和聚光透镜，所述宽带光源具有朝前设置的激光射出端，所述聚光透镜设于所述激光射出端的前侧。通过上述技术方案，采用宽带光源为激发光源，光源波长范围从可见光到5000nm，价格低廉，具有可靠性高，输出稳定、寿命长的优点。在传统光声光谱中由于其调制速度较低，调制过程存在热延迟效应，所以效果并不理想。但在本发明中，不需要对光源进行调制，只需要维持在一个恒流恒压的状态下，很好地避开该光源的缺点，十分适合本发明的红外发生单元应用场景。所述聚光透镜能够对光束进行汇聚，使宽带光源发出的发散光变成平行光，使红外光以最大效率的耦合进入下一个器件，有效地提高光功率，同时使束半径更小，防止打在光声池壁上，减少光强损失，提供信号水平。

作为上述技术方案的进一步改进，所述红外光声检测装置还包括驱动模块和信号处理模块；

所述驱动模块包括慢变脉冲发生器、快变脉冲发生器和恒流电源；所述快变脉冲发生器与快变调光薄膜电性连接，所述慢变脉冲发生器与慢变调光薄膜电性连接，所述恒流电源与所述红外发生单元电性连接；

所述信号处理模块包括滤波处理单元、锁相放大器、数模转换芯片和处理器；所述微音麦克风与所述滤波处理单元电性连接，所述滤波处理单元、锁相放大器、数模转换芯片和处理器依次电性连接。

通过上述技术方案，所述恒流电源为所述红外发生单元提供电能，使得红外发生单元射出恒定激光，所述快变脉冲发生器和慢变脉冲发生器分别为快变调光薄膜和慢变调光薄膜施加交变电压，使其红外光透过率产生相应频段的交变变化，对恒定激光进行调制。通过所述滤波处理单元对所述微音麦克风输出的模拟信号进行滤波，将非信号频段噪声滤除，再通过锁相放大器进一步放大滤波信号，经过锁相放大的信号通过数模转换芯片将模拟信号转换成数字信号、并传递给处理器。

本发明还提供了一种基于调光薄膜的红外光声检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过恒流电源使宽带光源发出恒定激光；

步骤S2：通过快变调光薄膜和慢变调光薄膜构成串联调制系统，所述恒定激光经过所述串联调制系统进行调制产生光信号；

步骤S3：所述光信号射入充有烷烃气体的光声池，通过微音麦克风采集烷烃气体随光信号调制频率进行收缩膨胀所产生的声信号；

步骤S4：所述微音麦克风所采集得到的声信号，能够反映出所述光声池内的烷烃气体的烷烃浓度。

本发明所提供的基于调光薄膜的红外光声检测方法，至少具有如下的有益效果：宽带光源所发出的红外激光，通过所述快变调光薄膜来对光信号进行快变调制。在交变电场的作用下，所述快变调光薄膜对红外光的透过率将产生快速交变变化，使得照射进光声池的红外光以一定频率进行闪烁，从而使得产生的声压信号与低频噪声分开，提高了系统整体信噪比。在经过快变调制后，光束进入慢变调光薄膜来形成对比信号，在慢变的交变电压下，所述慢变调光薄膜的红外光透过率产生低频交变变化，使得快变的光信号混叠在一个低频方波上，形成对照，提高探测精度。本发明的红外光声检测方法，利用调光薄膜的特性对光源进行调制，相比于内调制的光声光谱系统，成本更低、体积更小、结构更简单；相比与传统外调制的光声光谱系统，噪声更低、精度更高、稳定性更强且成本也有所降低。

作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤S4具体地：所述微音麦克风将声信号转化为电信号，通过滤波电路进行滤波，再通过锁相放大器将特定频率的信号分离出来，并通过数模转换芯片转换为数字信号，最后传输至处理器并通过RGB屏显示出信号的波形幅值大小，以此来反映烷烃气体的烷烃浓度。

通过上述技术方案，所述微音麦克风输出的模拟信号通过滤波电路将非信号频段噪声滤除，再通过锁相放大器进一步放大滤波信号，其中经过锁相放大的信号通过数模转换芯片将模拟信号转换成数字信号传递给处理器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明所提供的红外光声检测装置，其一实施例的半剖状态的立体示意图；

图2是本发明所提供的红外光声检测装置，其一实施例的侧向剖视图；

图3是本发明所提供的红外光声检测装置，其一实施例的中入射窗和出射窗的结构示意图；

图4是本发明所提供的基于调光薄膜的红外光声检测方法，其一实施例的结构原理示意图。

图中：100、红外发生单元；110、宽带光源；120、聚光透镜；200、调光薄膜单元；210、快变调光薄膜；220、慢变调光薄膜；300、光声池；310、光声腔；311、入射窗；312、出射窗；313、进气孔；314、出气孔；315、音孔；320、微音麦克风；330、热敏电阻；400、驱动模块；410、快变脉冲发生器；420、慢变脉冲发生器；430、恒流电源；500、信号处理模块；510、滤波处理单元；520、锁相放大器；530、数模转换芯片；540、处理器。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图4，本发明的红外光声检测装置作出如下实施例：

一种红外光声检测装置，包括：红外发生单元100、光声池300、调光薄膜单元200、驱动模块400和信号处理模块500。

所述光声池300具有光声腔310。所述光声池300设有用于采集所述光声腔310内声压信号的微音麦克风320。

所述光声腔310的后端设有入射窗311，所述红外发生单元100朝前设于所述入射窗311的后方。

所述调光薄膜单元200设于所述红外发生单元100和光声池300之间。所述调光薄膜单元200包括快变调光薄膜210和慢变调光薄膜220。所述快变调光薄膜210和慢变调光薄膜220均设于所述红外发生单元100和光声池300之间。所述快变调光薄膜210和慢变调光薄膜220均垂直于前后方向设置。

调光薄膜是一种基于红外透过率电控调节的调光技术，由于调光薄膜在不施加外界电场时呈现红外高透过率，而在施加外界电场时，调光薄膜呈现红外低透过率。本发明通过给快变调光薄膜210和慢变调光薄膜220施加交变电场，实现红外光斩波。

所述光声腔310呈圆柱形状。在本实施例中，所述光声腔310的轴向长度28mm，内径10mm。所述光声腔310的内径远大于光束半径，圆柱形的光声腔310能很好地让光束通过，避免复杂的光路校准和光束打在光声池300壁上，造成腔体温度波动，影响检测精度。

在本实施例中，所述光声池300的材质为树脂，是一种快速成型材料，可应用大规模批量生产。所述光声池300的内壁和外壁经过打磨处理。光滑的内壁能更好的汇聚声音，光滑的外壁能更好的反射外界声音，隔绝干扰，提高声音信号水平。

在本实施例中，所述光声池300设有与所述光声腔310相连通的进气孔313和出气孔314。所述进气孔313和出气孔314前后间隔设置，所述进气孔313和出气孔314均与所述光声腔310同一侧相连通。烷烃气体通过进气孔313和出气孔314进出所述光声池300进行检测。

在一些实施例中，所述光声池300的前端设有出射窗312，所述入射窗311和出射窗312均呈薄片状。所述光声腔310具有沿前后方向延伸的射光路线，所述入射窗311和出射窗312相互对称、并均与所述射光路线呈布鲁斯特角设置。参照图3，所述入射窗311和出射窗312相互对称倾斜设置。所述红外发生单元100的红外激光由后往前射入光声腔310内，红外激光与入射窗311的入射角为布鲁斯特角∠θ

为增大红外光与目标烷烃气体的吸收峰的匹配度，在本实施例中，所述入射窗311为红外滤光片。所述红外滤光片可拆卸地设置于所述光声腔310的后端。

在本实施例中，所述光声腔310的轴向沿前后方向延伸。所述光声腔310的中部设有音孔315。所述音孔315沿所述光声腔310的径向延伸并与所述光声腔310连通，所述微音麦克风320设于所述音孔315内。所述微音麦克风320放置于一个密封的凸起嵌入形结构，能有效地减少外界空气扰动造成的影响，提高信噪比。相比于普通麦克风，微音麦克风320体积小、对声压检测的灵敏度更高、能耗更小、还可以输出模拟信号更利于信号处理。

在本实施例中，所述光声池300还设有热敏电阻330，所述热敏电阻330具有设于所述光声腔310内壁的热敏检测端。通过所述热敏电阻330使得光声池300内的温度可以被实时测量，将实时测量的温度作为补偿参数，降低浓度检测中因温度改变而带来的误差。

在本实施例中，所述红外发生单元100包括宽带光源110和聚光透镜120。所述宽带光源110具有朝前设置的激光射出端，所述聚光透镜120设于所述激光射出端的前侧。

所述驱动模块400包括慢变脉冲发生器420、快变脉冲发生器410和恒流电源430。所述快变脉冲发生器410与快变调光薄膜210电性连接，所述慢变脉冲发生器420与慢变调光薄膜220电性连接，所述恒流电源430与所述红外发生单元100电性连接。

所述信号处理模块500包括滤波处理单元510、锁相放大器520、数模转换芯片530和处理器540。所述微音麦克风320与所述滤波处理单元510电性连接，所述滤波处理单元510、锁相放大器520、数模转换芯片530和处理器540依次电性连接。

在本实施例中，所述锁相放大器520连接有信号发生器，锁相放大器520所需的同频参考信号由信号发生器提供。所述处理器540连接有RGB屏，检测信号的波形能够实时在RGB屏上显示。

在使用本发明的红外光声检测装置时：红外光由宽带光源110发出，经过聚光透镜120后，先进入快变调光薄膜210来对光信号进行快变调制。该薄膜外加一个0-100Hz的交变电场，由于调光薄膜的特性，该薄膜对红外光的透过率将产生快速交变变化，使得照射进光声池300的红外光以一定频率进行闪烁，从而使得产生的声压信号与低频噪声分开，提高了系统整体信噪比。其中外加在快变调光薄膜210的交变电场由快变脉冲发生器410提供。

在经过快变调制后，光束将进入慢变调光薄膜220来形成对比信号，该薄膜外加一个慢变的交变电压，薄膜红外光透过率产生低频交变变化，使得快变的光信号混叠在一个低频方波上，形成对照，提高探测精度。其中外加在快变调光薄膜210的交变电场由慢变脉冲发生器420提供。

在本实施例中，所述光声池300为成型制品，所述光声腔310设于其前部，其中部具有调光薄膜固定架，其后部具有光源固定槽。所述宽带光源110朝前嵌设于所述光源固定槽内，所述汇聚透镜嵌设于所述光源固定槽的前端。所述慢变调光薄膜220和快变调光薄膜210设于所述调光薄膜固定架上。所述光声腔310的上侧设有麦克风安装槽，所述音孔315与所述麦克风安装槽相连通，所述微音麦克风320嵌设于所述麦克风安装槽内。所述光声池300设有与所述麦克风安装槽对应的上盖。所述光声池300还设有与所述光声腔310相连通的测温孔，所述热敏电阻330设于所述测温孔内并通过气密胶固定以及密封。

在使用本发明的红外光声检测装置进行烷烃气体检测时：

首先，将待检测气体从进气孔313充入至所述光声腔310内。所述微音麦克风320的输入线接3.3V电压，输出线与滤波处理单元510相连接。将快变调光薄膜210通过快变脉冲发生器410外接70Hz、50V的交变电压，将慢变调光薄膜220通过慢变脉冲发生器420外接2Hz、50V的交变电压，使得所述调光薄膜单元200形成串联调制。

然后，与所述宽带光源110相连的恒流电源430持续输出100mA的恒定电流，使得所述宽带光源110发出恒定激光。恒定激光进入慢变调光薄膜220和快变调光薄膜210串联调制系统，光信号受到调制并从所述入射窗311射入光声池300，光声池300内烷烃气体随着光调制频率进行收缩膨胀产生声信号。

所述微音麦克风320将探测出的声压信号转换成电信号，并传输给所述滤波处理单元510。所述滤波处理单元510的滤波参数设置在60-100Hz。再通过锁相放大器520将70Hz的信号频率分离出来，锁相放大器520输出的模拟信号通过数模转换芯片530转换为数字信号，最后传输给处理器540；并显示在RGB屏中通过检测波形幅值的大小，显示出烷烃气体中的烷烃浓度。

本发明还公开了一种基于调光薄膜的红外光声检测方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过恒流电源430使宽带光源110发出恒定激光。

步骤S2：通过快变调光薄膜210和慢变调光薄膜220构成串联调制系统，所述恒定激光经过所述串联调制系统进行调制产生光信号。

步骤S3：所述光信号射入充有烷烃气体的光声池300，通过微音麦克风320采集烷烃气体随光信号调制频率进行收缩膨胀所产生的声信号。

步骤S4：所述微音麦克风320将所采集的声信号转化为电信号，通过滤波电路进行滤波，再通过锁相放大器520将特定频率的信号分离出来，并通过数模转换芯片530转换为数字信号，最后传输至处理器540并通过RGB屏显示出信号的波形幅值大小，以此来反映烷烃气体的烷烃浓度。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。