專利名稱：利用聲光光譜檢測氣體的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用聲光光譜法檢測氣體的方法及其裝置。
所有氣體都有特征吸收譜，這些吸收譜反映出材料吸收以正向能量流的波長為函數的能量的能力。這種吸收譜是每種特定氣體的特征，並且可以把這種吸收譜看成是這種氣體的一個特有印記。因此，由測量混合氣體在該特定氣體對能量有很強選擇吸收的波長下的能量吸收，可以檢測出氣體混合物中的一種特定的氣體。測量這種吸收的非常合適的測量方法是聲光光譜法。根據這種方法，使用脈沖能源，如激光器，對氣體混合物產生作用。因為吸收能量時氣體被加熱，而把它吸收的能量向外界釋放時又使氣體冷卻，所以氣體混合物對能量的吸收將分別引起與吸收成正比的壓力的增加和減少。這種用那種壓力與吸收成正比的壓力傳感器可以記錄下這種吸收。
然而，這種測量方法會帶來一些問題，比如在兩種氣體的吸收譜互相干擾時，就出現問題。這時，非常難以把這些特定氣體中的每一種氣體的吸收相互區分開。
特別在用CO2激光對空氣混合氣體進行的測量中能看出這個問題。其中，氣體混合物中的含量大的CO2和在由CO2激光產生的輻射波長下具有極強吸收能力的CO2結合在一起使非主要成份氣體的檢測在很大程度上受到破壞。
如1986年10月24-24在比薩的Tirreria召開的第11屆“紅外和毫米波”國際會議上發表的文章“用波導CO2激光器進行聲光微量氣體的監測中的選擇性”中所揭示的那樣，通過讓激光器在中心頻率附近掃描一個波長區，而不測量某些固定激光波長的聲光幅度，可以提高有關不同氣體的選擇性。用常規方法使激光器形成脈沖，這時在每個脈沖內發出的輻射具有恒定的波長，但在幾個脈沖的過程中，波長有所改變。掃描過程和測量室里的減小的壓力相配合就把吸收集中在很窄的頻率范圍里，結果使選擇性明顯增加。但是，對于象在大氣環境下的測量，這種方法仍遠遠不能使人滿意，因為氣體混合物中的CO2含量仍淹沒非主要氣體的聲光信號。
本發明的目的是提供利用聲光光譜測量氣體混合物中的第一種氣體的方法及其裝置，其中該氣體混合物還有第二種氣體，第二種氣體的吸收譜與第一種氣體的互相干擾，其中該混合氣體受到在測量中脈沖頻率不變的脈沖激光的作用，而激光頻率逐步加以改變，並且該測量至少包括一次測量以頻率為函數的聲光信號的相位。而且本發明將消除上述不利方面。
這種聲光測量是在氣體混合物中有第三種氣體時進行的，該第三種氣體與第一或第二種氣體一起呈現出動態冷卻作用，本發明就是靠上述特征實現的。因此，把“動態冷卻”現象用到相位移上，從而氣體混合物中的部分吸收作用能檢測出濃度要比至今由認為相位過程為頻率的函數所能測定出的濃度低得多的氣體的存在。
動態冷卻在F.G Gebhardt和D.C Smith的文章“由吸收CO2激光輻射導致的動態冷卻”，應用物理快報，20，129，1972，中有詳盡的討論，但概括地說，它包括如下內容一般來說，當激光照到測量室內的氣體上時，激光將使那部分吸收頻率靠近激光頻率的分子激發。當這些分子與其他分子碰撞時，它們被激發到較高能級上，這個較高能級是不穩定的，該能量以熱的形式向周圍釋放。這些熱量引起壓力變化，由于是激光脈沖，就可用壓力傳感器記錄下這種壓力變化。對于一定的分子組成，它們的高能級彼此靠近，因而它們形成共振。這時，一個受激分子可能把相當于兩倍于原來從光子獲得的能量傳給另一個分子。因此，第一個分子處于不穩定狀態，這是與穩定狀態相比，其能量不是造成這個分子從周圍吸收能量補充了這種不足。因此，在這種情況下，當向系統供給能量時，便可記錄下系統隨后的短期冷卻。
也可通過檢測吸收的幅度，使該方法還能用于進行改進的聲光光譜的幅度測量，因為也可以把相位信號用到被那些其他具有較高幅度的信息所壓倒的信息幅度信號的檢測。
本發明的一個恰當而具體的實施例可用于測量那些由于如燃燒過程產生的、或者由要檢測污染氣體的專門暴露的環境產生的空氣混合物。特別是，該實施例是干擾測量的CO2氣體里的吸收，因此希望消除這部分作用。CO2與N2在一起呈現出明顯的動態冷卻，而N2在空氣混合物中的濃度已極高，通過檢測頻率為函數的聲光信號的相位過程，可以在很大程度上簡便地消除CO2的作用。
在第一類氣體呈現吸收的最小波長處把氣體混合物的吸收的幅度及相位都測量出，把第三種氣體加到混合氣體中，這樣第三種氣體或者與第一種氣體，或者與第二種氣體以他們呈現出動冷卻的方式相互作用，在同一波長下重新測量氣體混合物的吸收，把兩個幅度及相位的測量值的最小值合在一起確定出第一種氣體的吸收幅度。如上所述，沒有改變頻率的激光輻射脈沖也可以使用這種效應。唯一條件是在加入誘發動態冷卻的氣體加入之前和以后分別進行聲光信號的幅度及相位測量。
下面，參照以下附圖來描述本發明，其中，
圖1是實現本發明方法的裝置簡圖;
圖2是以矢量形式表示兩信號之和;
圖3及圖4表示由本發明方法測出的具有微量元素的氣體混合物的吸收譜;
圖5、6、7分別表示在干擾氣體加大的濃度時存在的微量元素的吸收譜。
圖1示出一個聲光氣體檢測系統，它包括激光器10，根據較佳實施例，該激光器是CO2激光器，因為這種激光器具有大的輸出。激光器10可以設定幾個頻率，以下把這些頻率都稱為中心頻率。此外，激光器可在中心頻率的任一側的250MHz范圍內調諧。這樣經過頻譜的那段稱為頻譜窗。CO2激光器在紅外光譜區內脈沖地工作，頻率從一序列脈沖到另一序列脈沖不斷逐漸變化。
激光器10把小室20照亮，室內裝有為微量元素而被掃描的氣體的樣品。根據較佳實施例，小室20建造成為一個聲學的共振腔，腔內裝上一個話筒30。光經窗口21進入測量室20，窗口21吸收部分光。室內的氣體將吸收另一部分光，這部分光將轉換成熱並引起壓力變化。以重復頻率約為700Hz脈動的激光器10發出聲音，它可用話筒記錄。話筒30和光檢測器40分別把聲和光轉換成電信號。話筒30接收代表吸收光的數量多少的一個信號，而檢測器40接收相當強的信號，這個信號是原來的激光脈沖減去吸收作用的差。
在鎖相放大器60中，由話筒30記錄的信號中的一部分信號乘以具有與話筒信號相同周期的一個周期信號，此周期信號可以例如是一個正弦波信號或方波信號。同時，把另一部分信號乘以與第一個周期信號不同的周期信號，該信號在相位上移動90°。然后把這兩個積信號在一周期內積分，這樣得到兩個數，它們是一個復數的實部及虛部。該復數代表吸收信號的幅度及相位。
觸發器70部分地控制激光器10的重復頻率，使鎖相放大器60中的周期信號部分地同步。
使用激光器10進行掃描可在幾個頻率上便利地實現，因此能夠得到包括幅度及相位的吸收譜。然后，可以用標繪器把該數據打印出來或在監示器(圖中未畫出)或類似物上顯示出來。
利用各種氣體的吸收譜表可以定量地確定出構成一種給定樣品的氣體。在比如包含空氣及某些污染微量元素的樣品情況下，這與其它多數氣體如CO2及N2結合在一起呈現動態冷卻相反的事實可加以利用。因此，與不呈現動態冷卻的氣體相比，對于呈現動態冷卻的氣體而言，由話筒記錄的電信號在理想情況下相位差為180°的事實，利用這一事實是有可能的。如果例如空氣是組成樣品的主要成份，則可以記錄除了CO2和N2的信號以外的背景信號，但由于窗口21及22的吸收，這個背景信號是相干的。還可記錄含在樣品中的H2O的信號，該信號有長長的拖尾，亦即該信號在譜中的干擾范圍大，並且起到遠離H2O吸收頻率的噪聲作用。因而，當CO2及N2的背景信號上檢測微量元素時，該背景信號不具有180°相移，典型的只有120°左右。于是，在幅度變化出現之前可以檢測出相位移，這在檢測微量元素時特別有益，其他參數如壓力會影響實際相位移，但是本發明的關鍵方面是吸收作用的影響在相當程度上是相位移，因此所引起的相移過程清楚地表示被測氣體的存在。
圖2表示出強信號A(該信號可能是CO2+N2存在的結果)和弱信號B(例如SO2)的和。總信號C的幅度變化是不可檢測的，而在相位上幾度明顯變化是可以檢測的。
圖3表示用本發明的裝置所顯示的氣體混合物(CO2，N2及SO2)的吸收譜窗口。可以看出，幅度曲線與高斯(Gaussian)曲線類似。這里沒有跡象表明在該譜部分存在著具有吸收線的其他氣體。對相位的觀察清楚地表明氣體混合物中存在微量元素(SO2)。而且，表現出該峰值出現在比該窗的中心頻率低110MHz左右的頻率處。
圖4表示也可以把該方法用在在氣體混合物(NH3和N2)中微量元素(CO2)呈現出動態冷卻的情況下，其中幅度譜在比窗口中心頻率低200MHz的頻率處有一峰值(NH3)，并且隨頻率增加幅度譜逐漸減小。相位表明在中心頻率處有一明顯的峰值(CO2)。
該方法能測定吸收線的頻率以確定氣體，此外，把相位移以相位間的相互比值的大小表示出來。目前詳細的氣體吸收譜表能從吸收譜中測出的一系列窗口確定出氣體混合物中的氣體含量。
圖5、6、7表示作為微量元素的SO2在CO2附近的吸收是如何隨著氣體混合物中CO2濃度的增加而被CO2的吸收淹沒掉的。在圖5中，在具有500ppmSO2的N2中CO2約為1%(ppm等于每百萬中的分子數)。該幅度清楚地表示有兩條線，相位移也相當大。在圖6中，在具有500ppmSO2的N2中CO2占2%。迄今在區分兩種元素的存在和吸收線的位置相關的問題是沒有的。圖7是具有500ppmSO2的N2中CO2占5%的情況，這里不可能從幅度上區分出SO2的存在，而相位信息仍可指示出除了CO2以外的氣體的存在，還表明出這第二種氣體的吸收線的位置。
權利要求
1.利用聲光光譜檢測氣體混合物中的第一種氣體的一種方法，其中該氣體混合物還包括第二種氣體，其吸收譜與第一種氣體的吸收譜相互干擾；該氣體混合物在測量期間受到具有恒定脈沖頻率的脈沖激光的作用；該激光的頻率是逐漸變化的；該測量至少包括對于作為頻率的函數的聲光信號的相位的一次檢測，其特征在于聲光測量是在混合氣體中存在第三種氣體的情況下進行的，所述的第三種氣體在與第一或第二種氣體結合時呈現動態冷卻。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在測量期間該氣體混合物被提供在一個測量小室內，其內壓力與大氣壓相比是減小了的。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于在測量期間該氣體混合物被提供在構成為一個聲共振腔的測量小室內，並且該測量小室的共振頻率基本上與激光的脈沖頻率相同。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于把第三種氣體加到該氣體混合物中。
5.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于第三種氣體存在于該氣體混合物中。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于該測量還包括檢測作為頻率的函數的聲光信號的幅度。
7.利用聲光光譜檢測氣體混合物里的第一種氣體的一種方法，其中該氣體混合物還包括第二種氣體，所述的第二種氣體的吸收譜與第一種氣體的吸收譜互相干擾，其特征在于在第一種氣體呈現出吸收的最小波長下測出氣體混合物吸收的振幅和相位，把第三種氣體加到該氣體混合物里，這樣第三種氣體與第一或第二種氣體以使它們呈現出動態冷卻的形式相互作用，在相同波長下再測量該氣體混合物的吸收，把這兩個振幅和相位測量值的最小值相結合在一起，來確定第一種氣體的吸收幅度。
8.用以實現權利要求1所述的方法的一種裝置，它包括一個激光器，產生激光脈沖的裝置;一個測量小室，該小室與激光的重復頻率基本相同的頻率上呈現聲共振;一個用以檢測通過該測量小室的輻射的檢測器;一個用以檢測來自該測量小室的聲信號的檢測器;和一個用以處理來自上述檢測器的信號的測量電路，其特征在于該激光頻率在一定的頻率區間內是可設置的，所述的電路包括相位檢測裝置，該裝置被設計成用來記錄在某一頻率區間內作為頻率的函數的聲信號的相位過程。
全文摘要
在含有其吸收譜與第一氣體吸收譜相互干擾的第二氣體的氣體混合物中檢測第一氣體時聲光測量在第三氣體存在時進行，第三氣體與第一或第二氣體結合時呈現動態冷卻。測量期間氣體混合物受到恒定重復頻率而激光頻率漸變的脈沖激光的作用。測量至少包括一次對作為激光頻率函數的聲光信號的相位檢測。本發明裝置包括激光器10；測量小室20；話筒30；檢測器40；觸發器10；鎖相放大器60和數據再現裝置50。
文檔編號G01N29/00GK1042236SQ8910706
公開日1990年5月16日 申請日期1989年9月11日 優先權日1988年9月12日
發明者麥迪斯·哈梅里奇, 約瑟·海尼森, 阿里·奧萊夫遜 申請人:弗勒斯阿羅公司