CN103163087B - 利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法。采用非干涉热辐射源，通过斩波器切光和滤光片滤光，得到强度可调制的单色光；可调制光谱照射在密封的光声池内的微量硫酰氟气体上，硫酰氟气体分子吸收电磁辐射后受激，跃迁到更高一层的激发态，并通过伸缩振动和变形振动回到基态；震动引起气体温度的升高，并释放热能，释放的热能使硫酰氟分子按光的调制频率产生周期性加热，从而产生周期性压力波动；压力波动采用振动敏感度小于＜1dB的硅微微音器探测，并通过转换电路放大信号得到光声信号，光声信号由外围电路转换成电信号，再由外围电路内的锁相放大器放大电信号后送入数据采集电路，最后计算完成硫酰氟残留浓度。

Description

利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法

技术领域

本发明属于微量气体检测技术领域，具体涉及一种利用光声光谱法检测微量硫酰氟气体浓度的方法，适用于诸如检验检疫熏蒸气体残留的检测。

背景技术

硫酰氟，分子式SO₂F₂，常温常压下为无色、无臭。硫酰氟具有扩散渗透性强、广谱杀虫、用药量省、残留量低、杀虫速度快、散气时间短、低温使用方便、对发芽率没有影响和毒性较低等特点，因此被广泛应用于仓库、货船、集装箱和建筑物、水库堤坝、白蚁防治以及园林越冬害虫、活树蛀干性害虫的防治，例如，在海关检验检疫领域，硫酰氟作为熏蒸剂，用于对有害生物的防治、农作物及副产品的熏蒸等。

但残留的硫酰氟气体对人体有一定的毒害作用，如果在空气中硫酰氟含量超过0.02g/m³，人体吸入后会造成中枢神经受损，引起惊厥，严重时甚至会导致呼吸停止和死亡。因此，我们要严格监控残留的、微量的硫酰氟气体浓度，以保证人身安全。

同时，硫酰氟也是一种强效的温室气体，会对环境造成的严重的温室效应，人们需要对微量的硫酰氟进行监测，防止环境污染。

针对微量硫酰氟气体的检测，我国标准主要定义了三种检测方法：气相色谱法、热导法和红外检测方法。

前述的色谱法的基本原理是使样气注入色谱柱内进行分析。含有硫酰氟的气样由惰性载气携带下，缓缓通过色谱柱后到达检测器，其间需控制色谱柱的温度，以便于气样通过色谱柱时各类化合物析出时间不同而达到对其分离的目的。随后，将由检测器得到的化合物析出图谱的时间、面积等参量与该化合物已知浓度图谱对照后得到其浓度值。该法是国内实验室测定硫酰氟常用的方法，其优点是灵敏度高、抗干扰能力好。缺点是不能现场检测、分析时间长、体积庞大，需要依赖连续通入载气。

前述的热导法是基于不同气体具有不同热导率的特性，根据热导率的变化来检测气体浓度。热导法核心部分是热导传感器，在热导传感器内部集成了一个加热电阻丝。当硫酰氟气体流经电阻丝时，因硫酰氟气体具有一定的热导率，会带走一定程度的热量，导致电阻丝温度发生变化。不同浓度的硫酰氟气体带走的热量会不一样，会造成电阻丝温度发生不同的改变，通过检测电阻丝温度变化情况，从而得到硫酰氟气体对应的浓度值。这种检测方法的优点是灵敏度高；缺点是抗干扰能力差，传感器使用寿命短，需要经常标定仪器。

前述的红外检测法是利用硫酰氟气体在中红外区域（6.82~9μm）的光吸收进行浓度测量，当一束恒定的6.82～9μm 的红外光通过含有硫酰氟气体的介质时，光的能量被硫酰氟气体吸收，光通量被衰减，测出衰减掉的光能量，即可求出硫酰氟气体的浓度。该法应用较为普遍，但测量时由于中红外区域还存在其他气体的吸收谱，例如湿气，二氧化碳等，导致硫酰氟的检测精度和下限会受到干扰，所以该方法无法很好检测微量硫酰氟气体的浓度。

鉴于上述已有技术，有必要加以探索更为理想的对硫酰氟气体残留浓度的检测方法，为此，本发明作了大量而有益的研究，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法。光声光谱法是基于光声效应的新型光谱技术，有别于传统的红外光谱技术，它将光信号有效转换成声信号，并通过精密微音器对声音信号的检测计算得到最终的气体浓度。由于光声光谱技术的特殊光学结构以及在信号采集、信号处理过程中的特殊计算过程，使此方法能高效采集微弱光声信号，并有效剔除背景信号的干扰，非常适用于痕量气体浓度检测领域，以及在复杂环境中的无干扰检测。

本发明的目的是这样来完成的：一种利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的装置，包括光源、斩波器、滤光片、光声池、微音器及红外湿度传感器；其中光源连接斩波器，与滤光片设置在光声池一侧；红外湿度传感器设置在光声池的另一侧；微音器设置在光声池的底部，光源发出光源发射到斩波器，通过斩波器切光，形成调制光；调制光照射到滤光片上后，形成窄带可调制光谱，照射入光声池。

一种利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、光源采用非干涉热辐射源，通过斩波器切光和滤光片滤光，得到强度可调制的单色光；

步骤2、可调制光谱照射在密封的光声池内的微量硫酰氟气体上，硫酰氟气体分子吸收电磁辐射后受激，跃迁到更高一层的激发态，并通过伸缩振动和变形振动回到基态；

步骤3、震动引起气体温度的升高，并释放热能，释放的热能使硫酰氟分子按光的调制频率产生周期性加热，从而产生周期性压力波动；

步骤4、压力波动采用振动敏感度小于<1dB的硅微微音器探测，并通过转换电路放大信号得到光声信号，光声信号由外围电路转换成电信号，再由外围电路内的锁相放大器放大电信号后送入数据采集电路，最后计算完成硫酰氟残留浓度。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的非干涉热辐射光源工作于850摄氏度，以获得较大红外功率密度。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的滤光片3为波数为860，中心波长为11.6微米的窄带滤光片，由于水汽只有在波数800到900之间的吸收线强度非常低，此窄带滤光片可有效的屏蔽水汽对于硫酰氟气体浓度检测产生的干扰信号。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的微音器为硅微式微音器。

与现有技术相比，本发明的优点是：提供了一种光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法。光声光谱法是将光信号有效转换成声信号，并通过精密微音器对声音信号的检测计算得到最终的气体浓度。由于光声光谱技术的特殊光学结构以及在信号采集、信号处理过程中的特殊计算过程，使此方法能高效采集微弱光声信号，并有效剔除背景信号的干扰，非常适用于痕量气体浓度检测领域，以及在复杂环境中的无干扰检测。

附图说明

图1为本发明所用黑体辐射光源在不同温度下光谱辐射强度。

图2为本发明所用装置的结构示意图。

图3为水汽与硫酰氟气体在400到1700波数范围内的吸收谱图。

具体实施方式：

用非干涉热辐射源作为光源1，配合中心波长11.6微米、860波数的窄带滤光片和机械斩波器，得到强度可调制的单色光照射入密封的光声池4内，光声池4内气体分子吸收电磁辐射后受激，跃迁到更高一层的激发态。分子的电子状态，震动和转动状态都是量子化的。通常，气体分子会通过发射荧光或者震动来回到基态，震动引起气体温度的升高，并传递能量，称之为无辐射弛豫现象。这种通过振动产生的无辐射弛豫过程发生的前提是，弛豫时间比激发态寿命快的多。辐射衰减在可见光的通常时间为10^-7 s，在10um处为10^-2 s。为产生无辐射衰减，弛豫时间与压力的关系非常密切 (衰减时间t与压力成反比)并且能在大气压下产生很大变化(10^-3 – 10^-8 s)。

将辐射源调制到使温度周期性变化的声频率，导致压力的周期性变化，这个变化能产生声音信号，在气体检测中，这个声音信号由高灵敏度的微音器检测到。

利用光声光谱传感器检测硫酰氟残留浓度就是基于此光声效应，此光声光谱传感器如图2所示，包括：光源1、斩波器2、滤光片3、光声池4、微音器5、红外湿度传感器6及外围电路，其中光源1连接斩波器2；与滤光片3内嵌于光声池4一侧；红外湿度传感器6内嵌于光声池4的另一侧；微音器5内嵌于光声池4的底部。

本发明光源1使用非干涉热辐射源，非干涉热辐射源发出宽光谱光源，宽光谱光源发射到斩波器2后，通过斩波器2切光，形成调制光；此调制光照射到11.6微米的滤光片3上后，光源波长范围被过滤，形成波数为860、中心波长为11.6微米的强度可调制的单色光照射入密封的光声池4内中的硫酰氟气体上，硫酰氟气体分子吸收电磁辐射后受激，跃迁到更高一层的激发态，并通过震动来回到基态，震动引起气体温度的升高，并释放热能，释放的热能使硫酰氟分子按光的调制频率产生周期性加热，从而产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器5探测，并通过转换电路放大信号得到光声信号，光声信号由外围电路转换成电信号，再由外围电路内的锁相放大器放大电信号后送入数据采集电路，最后通过式（1）式（2）式（3）公式计算完成硫酰氟残留浓度的定量分析，以此来完成硫酰氟浓度的检测。

本发明采用的非干涉热辐射源，工作在850度。红外热辐射光源一般具有接近黑体辐射的连续光谱分布，如图1所示。其特点是发射光谱宽，结合窄带滤光片使用简单方便， 工作稳定可靠。当光束以声频（几十赫兹到几千赫兹）调制时，气压便以同样的频率被调制而形成声波，对于工作在低频非共振状态下的光声信号的振幅A₀(w)

表示为：

其中∂为气体的吸收系数，Pa 为气体的分压， v为气体的比热容比，v = Cp / Cv， w为光的调制频率，T为消激励寿命，I 为光束强度，其中r 为光子的径向距离；W 为光斑半径，V为 光声池4的体积， i为虚数单位。对于特定气体，光声信号的振幅与激励光的光强和光谱特性、光声池4结构以及光的调制频率等诸多因素有关。

对于滤光片3我们选择波数860、中心波长为11.6微米的窄带滤光片。如图3硫酰氟吸收谱图和水汽的吸收谱图来看，硫酰氟气体的吸收线在波数500到550、800到900、1250到1300、1450到1550基带具有相对较高的强度和密度。而水汽只有在波数800到900之间的吸收线强度非常低，所以我们选择波数为860，中心波长为11.6微米的窄带滤光片可有效的屏蔽水汽对于硫酰氟气体浓度检测产生的干扰信号。

对于光声池4，本发明使用非谐振圆柱体结构，在气体弱吸收的情况下， 可以认为光强I 在光声池4内分布均匀，即I ( r , w) =I (w) 。再设置光束的功率为W，则I=Wl/V，其中l为光声池4的长度，V为体积。对式(1)内的光强进行空间积分后可以得出：

由式(2) 式可以看出， 减小光声池4腔体的横截面有利于获得更高的光声信号振幅。但由于光声池4的大小也取决于微音器5的安装位置，更需要考虑到光束耦合的效果以及光束的准直调整难度。如果光声池4的体积过小还会使横向热传导效果下降而导致消激励寿命T增加，结果使光声信号减小。在本系统中本发明取光声池4内径15 mm,长度为50 mm, 以降低因窗片吸收所产生的相干噪声。

对于微音器5，本发明选择硅微微音器。由于传统的电容式微音器没有任何电源抑制能力，很小的电源电压波动就将导致间歇性噪音。而且在机械设计方面，传统电容式微音器不仅能够检测声音信号，还能检测出机械振动，并最终把振动转换为低频声音信号，这样，当此类微音器被置于振动环境时，振动将成为音频系统的主要噪音源。本发明使用的硅微微音器是利用硅薄膜来检测声压，它能够在芯片上集成一个模数转换器，形成具有数字输出的微音器。与传统的电容式微音器相比，硅微微音器声压电平高，且芯片内部一般有预放大电路，因此灵敏度很高；它的频响范围宽，一般在100～10KHZ；且失真小，总谐波失真<1%(在1KHZ,500mV p-p)；振动敏感度小于<1dB。除此之外，硅微微音器还有优异的抗电磁干扰特性，且耐潮湿环境和温度冲击。我们将此硅微微音器的声电转换系数S_m(w)代入式（2）中即可得到光声信号的振幅A_m(w)：

式(3)中可以看出，光束的调制频率越低光声信号振幅越大， 但对于一般的微音器，w < 100 H z 时， 声电系数S_m(w)就会有明显下降，另外调制频率太低时， 电子放大系统的1/ f 噪声也明显增加。由于被测浓度C为气体的分压比，C=Pa/P₀，将此式代入式（3）即可计算出最终被测的气体浓度。

综上所述，本发明提供的技术方案具有高灵敏度、宽动态范围、高稳定性、屏蔽干扰性好并且装置体积小的长处。光声光谱法测硫酰氟的原理无需添加任何化学物质，且此发明方法一次出厂标定校准后，光学结构稳定，无需做二次或多次校准，也避免了电导率法的缺点。和非分散红外分析法相比，它将光信号有效转换成声信号，并通过精密微音器对声音信号的检测计算得到最终的气体浓度。由于光声光谱技术的特殊光学结构以及在信号采集、信号处理过程中的特殊计算过程，使此方法能高效采集微弱光声信号，并有效剔除背景信号的干扰，非常适用于痕量气体浓度检测领域，以及在复杂环境中的无干扰检测。

Claims (3)

1.一种利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、光源(1)采用非干涉热辐射源，通过斩波器(2)切光和滤光片(3)滤光，得到强度可调制的单色光，其中，滤光片(3)为波数为860，中心波长为11.6微米的窄带滤光片，所述非干涉热辐射光源工作于850摄氏度；

步骤2、可调制光谱照射在密封的光声池(4)内的微量硫酰氟气体上，硫酰氟气体分子吸收电磁辐射后受激，跃迁到更高一层的激发态，并通过伸缩振动和变形振动回到基态；

步骤3、震动引起气体温度的升高，并释放热能，释放的热能使硫酰氟分子按光的调制频率产生周期性加热，从而产生周期性压力波动；

步骤4、压力波动采用振动敏感度小于<1dB的硅微微音器探测，并通过转换电路放大信号得到光声信号，光声信号由外围电路转换成电信号，再由外围电路内的锁相放大器放大电信号后送入数据采集电路，最后计算完成硫酰氟残留浓度。

2.根据权利要求1所述的利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法，其特征在于所述光声池(4)使用非谐振圆柱体结构。

3.根据权利要求1所述的利用光声光谱法检测硫酰氟气体残留浓度的方法，其特征在于步骤4中所述的硫酰氟气体的残留浓度通过公式

得到，式中，为光声信号的振幅，为气体的吸收系数，Pa为气体的分压，为气体的比热容比，为光的调制频率，为消激励寿命，I为光束强度，W为光斑半径，V为光声池(4)的体积，i为虚数单位，为声电系数。