專利名稱：利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于大氣痕量氣體檢測裝置技術領域，具體涉及一種利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置。
背景技術：
co、n2o、so2、no、no2、ch4、ch3、h2s、鹵化物和有機化合物等等都屬于痕量氣體，它們
中有些是天然產生的，但在很大程度上是人類活動產生的各種痕量粒種，這些痕量粒種受到物理的、化學的和生物的作用并參與地球化學循環，對全球大氣環境及生態產生重大影響，例如化學煙霧、酸雨、溫室效應和臭氧層遭破壞等無不與前述的痕量氣體有關。在并不限于前面例舉的痕量氣體中，SO2是空氣中最重要的一種含硫污染物，是一種辛辣的并且為窒息性的無色氣體，熔點為-72°C，在水中的溶解度為8. 5% (25°0，302與水蒸氣混合后對金屬具有很強的腐蝕性，并且對人類健康具有極大的危害性。隨著科學技術的進步和工業的迅猛發展，人類在創造物質財富藉以增進文明的同時也伴隨著向大氣中排入大量的有毒有害氣體。周知之理，大氣中的SO2S要由燃料如煤炭、石油、天然氣等燃燒以及在化學產品的生產過程中產生，正常濃度為0. 57 5. 7ug/m3。 又，SO2是產生光化學煙霧和酸雨的根源之一，酸雨對建筑物和土壤具有極強的腐蝕性.并且使生物的種類與數量俱減，對人類和其他生物的生存具有嚴重的危害性，例如長期吸入 SO2會發生慢性中毒，不僅使呼吸道疾病加重，而且對肝、腎、心臟均有危害。SO2在大氣中經陽光照射以及某些金屬粉塵如工業煙塵中氧化鐵的催化而極易氧化成SO3,與空氣中的水蒸氣結合形成硫酸霧，對金屬制品、建筑物、土壤和江河湖泊產生酸化作用。我國環境質量標準規定，居住區大氣中的SO2日平均濃度應低于0. 15mg/m3，年平均濃度低于0. 06mg/m3。各國對大氣質量的監測指標中，均把SO2視為重點監測對象之一。針對SO2的檢測，我國環保標準主要定義了兩種檢測方法，一種是甲醛吸收_副玫瑰苯胺分光光度法，另一種是四氯汞鹽吸收_副玫瑰苯胺分光光度法。除此之外還有采用電導率法和紅外檢測方法以及紫外熒光檢測方法。前述的四氯汞鹽酸吸收_副玫瑰苯胺分光光度法例如S02被四氯汞鉀溶液吸收后，生成穩定的亞硫酸鹽絡合物，再與甲醛及鹽酸副玫瑰苯胺作用，生成紫紅色絡合物，在 575nm處測量吸收度。該法是國內外測定空氣中SO2的最常用的方法，其優點是靈敏度高、 選擇性好和既可適用于短時間采樣，又可適合于長時間采樣。缺點是吸收液毒性大；需要依賴添加化學物質。前述的甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法例如S02被甲醛緩沖溶液吸收后，生成穩定的羥甲基磺酸加成化合物，在樣品溶液中加入氫氧化鈉使加成化合物分解，釋放出的二氧化硫與副玫瑰苯胺，經甲醛作用而生成紫紅色化合物，用分光光度計在波長577nm處測量吸光度。該法的優點是能夠避免汞鹽的毒性，該甲醛吸收法的吸收率與四氯汞鉀吸收法相比顯著提高，并且穩定。靈敏度和準確度與四氯汞鉀吸收法相當，但是，操作條件較為苛刻以及顯色操作要求較為嚴格以及需要依賴添加化學物質。[0009]前述的電導率法是借助于二氧化硫濃度測量儀，工作原理是利用溶液在溫度恒定時，有與其濃度相對應的電導率。當該種溶液吸收氣體或與氣體發生反應時，其電導率發生變化，測出電導率從而求出氣體濃度。該種儀器的電極在出廠前，需用二氧化硫標準氣體進行標定，但不能一標永逸，凡是當吸收液的電導率與標定時吸收液的電導率相差較大時，必須重新標定，且采樣管必須加熱使用。所以此方法不適宜在大氣環境長時間監測中使用。前述的紅外檢測法是利用二氧化硫在紅外區域(7. 3 μ m)四周的光吸收進行濃度測量，當一束恒定的6. 82 9 μ m的紅外光通過含有二氧化硫氣體的介質時，被二氧化硫吸收，光通量被衰減，測出衰減速光能量，即可求出二氧化硫的濃度。這類方法應用的較為普遍，但測量時必須注重影響測量精度的干擾因素，其中，混合氣體中的二氧化碳氣體和水蒸氣會對檢測精度有很大的影響。這類方法必須結合加熱保溫、多級除塵和多級除濕，且樣品氣體輸送距離不能太長，否則影響測量精度。更重要的是，紅外檢測二氧化硫方法無法檢測低至PPb濃度的二氧化硫氣體。前述的紫外熒光測量二氧化硫的原理是當220nm的紫外光照射到二氧化硫氣體后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激發從高能級返回基態時發出熒光，熒光強度的大小反映出二氧化硫的濃度。這類檢測方法的技術要害點是如何保證220nm的紫外光強恒定。另外，防止微塵堵塞以及衡釋比發生變化。由于上述任意一種檢測方法都需使用復雜的儀器設備，因此有必要加以探索更為理想的對SO2濃度進行檢測的裝置，為此，本申請人作了大量而有益的研究，下面將要介紹的檢測裝置便是在這種背景下產生的。
發明內容本實用新型的任務在于提供一種在測量使用時無需添加任何化學物質、無需進行二次或多次校準、有助于避免水蒸氣對檢測精度產生影響的靈敏度、檢測精度高和穩定性優異的并且結構簡單的利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置。本實用新型的任務是這樣來完成的，一種利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置，包括量子級聯激光器、斬波器、光聲池、微音器、鎖相放大器、馬達、模數轉換器、數字信號發送器和具有供電電源及USB接口電路的檢測控制器，斬波器與馬達連接，而馬達與所述檢測控制器連接，并且馬達的馬達驅動器與檢測控制器連接，光聲池與鎖相放大器連接， 而鎖相放大器與檢測控制器連接，微音器配置在光聲池的外壁上，與數字信號發送器連接， 而數字信號發送器與檢測控制器連接，量子級聯激光器以及模數轉換器均與檢測控制器連接。在本實用新型的一個具體的實施例中，所述的光聲池為諧波式光聲池。在本實用新型的另一個具體的實施例中，所述的微音器為駐極體電容式微音器。本實用新型提供的技術方案的技術效果在于在對大氣中SO2的氣體檢測時無需象已有技術那樣添加化學物質；一經安裝調整后不需要進行后續的調校，對使用十分方便， 并且可避免水蒸汽侵襲而確保檢測的靈敏度和精度以及檢測的穩定性；整體結構簡練。
圖1為本實用新型的一個具體的實施例結構圖。[0019]圖2為微音器的共振腔的示意圖。圖3為圖1檢測原理圖。圖4為水在4點露點及3%波動下二氧化硫的光聲光譜圖。
具體實施方式實施例請見圖1，本實用新型提供的利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置的優選的結構如下包括量子級聯激光器1、斬波器2、光聲池3、微音器4、鎖相放大器5、馬達6 (也稱馬達電機)、模數轉換器7、數字信號發送器8和配置有供電電源及USB接口電路的檢測控制器9，斬波器2與馬達6機械連接，由馬達6帶動斬波器2旋轉，馬達6與檢測控制器9 電氣控制連接，并且馬達6的馬達驅動器61與檢測控制器9電連接。光聲池3優選采用諧振式光聲池，并且與鎖相放大器5電連接，而鎖相放大器5與檢測控制器9電連接，微音器4 為駐板體電容式微音器，設在光聲池3的外壁上，與數字信號發送器8連接，而數字信號發達器8與檢測控制器9電連接，量子級聯激光器1和模數轉換器7均與檢測控制器9電連接。應用例請見圖1和圖3，用一束強度可調制的單色光照射到密封于光聲池3中的樣品上， 樣品吸收光能，并以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使樣品分子按光的調制頻率產生周期性加熱，從而導致介質產生周期性壓力波動，這種壓力波動可用靈敏的微音器4檢測，并通過放大得到光聲信號，這就是光聲效應。利用光聲光譜傳感器檢測二氧化硫濃度就是基于二氧化硫的光聲效應，此光聲光譜傳感器如圖1和圖3所示，包括量子級聯激光器1、斬波器2、光聲池3、微音器4及外圍電路。使用量子級聯激光器1發射光源，并配合斬波器2 得到一束強度可調制的單色光照射到密封于光聲池3中的二氧化硫氣體上，二氧化硫吸收光能，并釋放熱能，釋放的熱能使二氧化硫分子按光的調制頻率產生周期性加熱，從而產生周期性壓力波動，這種壓力波動可用靈敏的微音器4探測，并通過轉換電路放大信號得到光聲信號，光聲信號由外圍電路轉換成電信號，再由外圍電路內的鎖相放大信號后送入數據采集電路，最后通過公式計算完成二氧化硫濃度定量分析，以此來完成二氧化硫濃度的檢測，這就是光聲光譜探測二氧化硫原理。對于光源，申請人使用8-12微米的量子級聯激光器1，光強很高，在室溫下就能達到很高的吸收系數，配合斬波器2得到8. 7微米的光譜，二氧化硫氣體在此吸收譜段上沒有水蒸氣的吸收譜線干擾，待測二氧化硫氣體不必經過水氣凈化。量子級聯激光器與傳統的 pn結半導體二極管激光器截然不同，傳統的半導體二極管激光器的發射波長由半導體材料的能隙決定，量子級聯激光器是單極型激光器，它只有電子參加，通過量子阱導帶激發態子能級電子共振躍遷到基態釋放能量，發射光子并隧穿到下一級，一級一級傳遞下去，直到發射出激光，其發射波長由量子限制效應決定的兩個激發態之間的能量差決定。它具備輸出功率大，可室溫工作，波長調諧范圍廣，調諧精度高等優點，所以選擇量子級聯激光器1配合8. 7微米波段作為光源。光聲池3采用諧振式的光聲池3。諧振式光聲池的原理是聲波在腔體中傳輸，聲波在腔室中諧振形成駐波，無需密封腔室，并起到共振放大的作用。通過調制光源照射頻率使其與聲波在腔室中傳播的本征頻率重合形成共振，這樣可以將光聲信號進行共振放大。諧振式光腔室具有實用性、易制作、靈敏度高等特點。氣體中產生熱聲波的大小與氣體吸收的光能量以及氣體膨脹傳播的邊界有關。在光聲氣體探測系統中，氣體處于一定設計的光聲池中，通過設計光聲池的結構可以提高氣體的靈敏度。對于某種氣體，有著自己特定的吸收波譜，通過選擇調制光源的波長，從而使得只有某種特定氣體產生較大吸收，也就是只有這種氣體吸收光能量產生熱聲波，從而可以通過檢測熱聲波的大小來判定該種氣體的濃度， 同時也實現了氣體探測的高選擇性。氣體吸收的能量與氣體在該波長處的吸收系數以及光源強度和氣體濃度相關，產生熱聲波的大小與氣體吸收的熱量成正比，通過正確選擇光聲池可以實現探測系統的高選擇性、高靈敏度。對于微音器4，申請人選擇駐極體電容式微音器，駐極體電容微音器有兩塊金屬板，其中一塊表面涂有駐極體薄膜，另一塊金屬板接至場效應管的柵極，柵極和源極之間接有一個二極管。駐極體膜片的特點是當膜片受到振動、摩擦時，膜片上會出現表面電荷。若表面電荷為Q，極頭電容為C，則極頭上的電壓U = Q/C，電容不變，駐極體膜片上的電荷量由于聲音氣流變化而發生變化。聲壓越大，電量越大，產生電壓越大。電量變化快慢，反映了電壓的變化快慢，也反映了聲音的頻率。我們使用的駐極體電容式微音器靈敏度為_42dB， IOpF電容，信噪比大于56dB，它的靈敏度極高。請見圖4并且結合圖2，圖4是檢測實驗內在4點露點，3%波動的情況下二氧化硫和水的檢測曲線，此光譜圖證明了用8. 7微米光源的光聲光譜檢測二氧化硫不會被環境中的水氣影響到檢測結果。 二氧化硫在紫外 190nm 230nm、200nm 320nm、350nm 390nm 和紅外 3. 98 微米、7. 35微米、8. 70微米附近都有比較大的吸收峰。而二氧化硫在8. 7微米的紅外吸收譜段上沒有水蒸氣的吸收譜線干擾.待測二氧化硫氣體不必經過凈化，所以本申請人選擇此波段做為光源。光聲池3是一封閉容器，內充滿二氧化硫樣品，并放置微音器4。由于光聲光譜測量的是樣品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等對測量干擾很小，故光聲光譜適于測量吸收光強與入射光強比值很小的弱吸收樣品和低濃度樣品，非常適合用于檢測微量的二氧化硫氣體。通過流體力學和熱力學定律可以給出氣體中熱聲波產生的數學模型。氣體中的聲擾動可用聲壓P (r，t)來描述，聲壓是總壓力P與平均值PO之差p = P-PO0因吸收光而產生熱H(r，t)而激勵聲信號，此過程可描述為
權利要求1.一種利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置，其特征在于包括量子級聯激光器 (1)、斬波器(2)、光聲池(3)、微音器(4)、鎖相放大器(5)、馬達(6)、模數轉換器(7)、數字信號發送器(8)和具有供電電源及USB接口電路的檢測控制器(9)，斬波器(2)與馬達(6) 連接，而馬達(6)與所述檢測控制器(9)連接，并且馬達(6)的馬達驅動器(61)與檢測控制器(9)連接，光聲池(3)與鎖相放大器(5)連接，而鎖相放大器(5)與檢測控制器(9)連接，微音器(4)配置在光聲池(3)的外壁上，與數字信號發送器(8)連接，而數字信號發送器(8)與檢測控制器(9)連接，量子級聯激光器(1)以及模數轉換器(7)均與檢測控制器 (9)連接。
2.根據權利要求1所述的利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置，其特征在于所述的光聲池(3)為諧波式光聲池。
3.根據權利要求1所述的利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置，其特征在于所述的微音器(4)為駐極體電容式微音器。
專利摘要一種利用光聲光譜法檢測二氧化硫濃度的裝置，屬于大氣痕量氣體檢測裝置技術領域。包括量子級聯激光器、斬波器、光聲池、微音器、鎖相放大器、馬達、模數轉換器、數字信號發送器和具有供電電源及USB接口電路的檢測控制器，斬波器與馬達連接，而馬達與所述檢測控制器連接，并且馬達的馬達驅動器與檢測控制器連接，光聲池與鎖相放大器連接，而鎖相放大器與檢測控制器連接，微音器配置在光聲池的外壁上，與數字信號發送器連接，而數字信號發送器與檢測控制器連接，量子級聯激光器以及模數轉換器均與檢測控制器連接。優點在對大氣中SO2的氣體檢測時無需添加化學物質；使用方便，可避免水蒸汽侵襲而確保檢測的靈敏度和精度以及檢測的穩定性；結構簡練。
文檔編號G01N21/27GK202075218SQ20112012189
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月23日 優先權日2011年4月23日
發明者陳默 申請人:常熟舒茨電子科技發展有限公司