噪声对光声气体检测系统影响的研究
时间：2022-10-28 来源：博通范文网 本文已影响 人 
摘要：工作环境是影响光声气体检测系统的一个重要因素。实验发现，噪声对光声信号有很大的影响，导致甲烷气体浓度检测的不准确性。该文对不同甲烷气体浓度在有噪声和无噪声的情况下，测量光声信号的大小。通过对比，引入修正函数对在噪声情况下的光声幅值进行校正。实验表明了该方法切实可行。
关键词：光声光谱；噪声；气体检测
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4336-04
噪声是一种影响十分广泛的环境污染，被称为 “无形的暴力”。噪声属于物理污染，不仅对人的感观系统，而且对正常的设备仪器也有很大的影响。其影响作用与噪声本身的特性如强度、频率成分等有关。随着我国工业和城市建设的不断发展，工作设备仪器数量的不断增多，导致仪器设备的噪声成为了污染源。
光声光谱（Photoacoustic Spectroscopy，简称PAS）是以光声效应（Photothermal effect）为基础的间接吸收光谱测量技术，属于光热光谱的范畴。光声效应是由美国科学家A.G.Bell在1880年发现的，然而光声光谱技术是在物质的光声效应的基础上发展起来的 [1]。基于光声光谱原理而制作的光声气体传感器，作为一种探测CH4 浓度的新型仪器，在矿井下面得到了广泛的应用。但是矿井下局扇、凿岩机和压风机的噪声很大，对该仪器的测量准确度造成很大的干扰。为了消除噪声对该系统的影响且使系统具有较强的实用性，该文通过引入修正函数来消除噪声的影响。
1 光声光谱基本原理
光声光谱是利用光声的转换现象来检测物质浓度的一种光谱技术。激光器发出的光经调制后入射到光声池内，池内的气体吸收光能后，由基态跃迁至激发态。处于激发态的分子通过分子碰撞，将吸收的光能通过无辐射弛豫转变为碰撞分子的平动动能，使气体的温度升高，相应的引起气体压强的变化，气体压强变化所产生的声波，用某些探测器如微音器就能以声音的形式检测它。微音器输出的信号电压幅值为
式中A为微音器输出的信号幅值；a为气体在激光频率处的吸收系数；C为被检测目标的气体浓度；F为光声池的常数，取决于光声池的几何设计；P1为激光光声信号的激光功率；Sm为微音器的灵敏度；N为相关噪声，主要由光声池的共振管壁和布鲁斯特窗片吸收引起的与激光功率成正比的相干噪声。
2 实验装置
为研究光声气体检测系统中噪声的影响研究组建了实验测量装置，如图1 所示。DFB半导体激光器（NEL，NLK1U5EAAA，1654 nm）、激光控制器（ Thorlabs， ITC502-IEEE）、函数发生器、微音器（Knowles Electronics， FG23629-P16）、光声腔、锁相放大器（南京鸿宾， HB-211A/B精密双相锁相放大器）和计算机。该装置通过函数发生器和激光控制器对激光器进行电流调制。激光器尾纤连接光纤准直器，将激光光束直接耦合至光声腔中。光声腔设计为纵向共振，由共振段和两端的缓冲室组成，采用一阶纵向声共振模式，在其声压最大处安装微音器。函数发生器还给锁相放大器提供参考信号。锁相放大器检测函数发生器提供的参考信号和光声信号，并送入计算机。
本实验均在常温常压下进行，采用0.5%和1%的甲烷（余气为氮气）作为实验气体，实验时，将气体以50mL·min-1的流量通入光声池中，待光声信号幅值趋于稳定后，开始采集无噪声时产生的光声信号。在模拟井下环境下，测量光声信号的值，为保证测量结果具有明显的可比性，噪声每增加10dB进行一次测量。
3 实验结果
实验结果如图2所示，横坐标轴表示噪声强度大小，纵坐标轴表示光声信号幅值的大小。在无噪声的情况下，光声信号的幅值趋于平缓，0.5%的甲烷浓度气体的光声幅值在0.71mV左右波动；1%的甲烷浓度的光声幅值在1.41左右波动。随着噪声强度的增大，光声信号发生明显的变化，其变化趋势主要分为三个阶段：1）在45dB以下，两者的光声信号幅值基本相同，说明此时光声信号不受噪声信号的影响，微音器只能检测到光声信号。2）在45～90dB，此时微音器检测到的声音信号不仅含有光声信号和含有噪声信号，且噪声信号越大，光声幅值就越大，按一定的规律递增。3）90dB以上，光声幅值变化更加明显，陡增，且没有规律性。
针对噪声会对光声信号产生影响，该文提出了消除噪声影响的方法，使光声气体传感器能够准确检测出甲烷气体的浓度。表1给出了微音器检测到的噪声信号大小与噪声强度的关系。
试中x表示噪声强度大小；f（x）表示微音器检测到的噪声信号的大小。
对甲烷气体传感器的表面涂一层隔音材料，将该仪器摆在适当的位置，使微音器处在90dB的噪声环境下，利用该函数对光声信号进行修正，即可测出光声信号的值。图5给出了修正后的幅值大小。
由图5可以看出引入修正函数对光声信号进行校正，但是还是存在有一定的误差，误差的来源可能是引入修正函数多项式系数的舍入误差、受温度、湿度、背景气体等环境因数的影响，但是该误差是能够被接受的，实验证明了该方法能够有效消除噪声的影响。
4 实验结论
本文针对噪声对光声气体传感器的影响，通过测量不同浓度的甲烷气体在无噪声和有噪声的环境下光声信号幅值，引入了修正函数对在噪声下的光声信号进行消除，实验结果证明：1）光声信号的幅值受气体浓度的影响，在光声信号未饱和的情况下，浓度越高，光声信号幅值越大；2）通过理论和实验分析证明了该方法可行，能够有效消除噪声的影响。这为光声气体检测提供了一种有效消除噪声影响的方法，加速了光声光谱技术在工业中应用的步伐。
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