[发明专利]一种具有主动降噪功能的光声光谱装置

说明书

一种具有主动降噪功能的光声光谱装置，包括光源模块、光声信号产生模块、控制及信号处理模块和有源降噪模块。光源模块产生的光束通过入光孔入射至光声信号产生模块中的光声腔，被光声腔内的待检测气体吸收，产生光声信号，通过光声信号传声器转换为电信号，经信号线缆传输至控制及信号处理模块，计算待检测气体的浓度值。有源降噪模块包括外部噪声传声器、内部噪声传声器、次级声源及主动降噪电路模块。有源降噪模块通过固定法兰安装在光声腔的侧壁，其外部噪声传声器和内部噪声传声器拾取环境噪声，通过次级声源在光声腔内部产生另一个噪声，与原环境噪声抵消，达到降低噪声干扰光声信号的目的。

技术领域

本发明涉及一种用于气体检测的具有主动降噪功能的光声光谱装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如电力系统中的变压器油中溶解气体检测、气体绝缘设备的故障分解物检测、化工企业的排放废气检测以及环保领域中微量污染气体检测等等。目前，较为常见的用于气体检测的方法主要包括：化学传感器法、红外吸收光谱法、气相色谱法和光声光谱法等。其中，化学传感器法响应时间交叉，在混合气体场景下也易受到交叉干扰；红外吸收光谱法需要的气样量大，且精度低；气相色谱法需要载气，增加了维护量，长期检测一致性差，不适用于在线监测。光声光谱技术基于光声效应。待检测气体分子吸收特定波长的光辐射后跃迁至激发态，随即以释放热能的方式退激。释放出的热能在封闭光声腔中产生压力波，也即声波。声音的强度与气体分子的浓度成比例。通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

从光声光谱检测原理可知，计算得到的气体浓度正比例于光声信号强度。而光声光谱仪的现场应用场景多存在较复杂的背景噪声，叠加在光声强度上会干扰检测结果，从而带来测量误差。例如，在应用于电力系统变电站在线监测场景时，主要存在着变压器噪声、潜油泵和风扇运行产生的噪声。其中变压器噪声主要源于铁心和绕组振动引起的磁滞伸缩，使得铁心随着励磁频率的变化而周期性振动，并通过铁心垫脚和绝缘油传递给油箱壁，从而引起油箱壁的振动，向外界辐射噪声。变压器噪声属于低频噪声，其频率范围在100～500Hz。对于不同容量的电力变压器，铁心噪声频率有所不同。变压器噪声强度一般在60dB，最大可达85dB。在应用于城市道路空气质量监测时，存在的交通噪声频率主要分布于100～400Hz，噪声强度白天可达70dB，且不同类型道路的交通噪声频率特性随车速、车流量以及车型的变化而不同。在这种存在复杂背景噪声的应用场景进行测量时，很难通过避开特定频率来实现降噪的目的。

光声腔作为光声光谱仪的核心模块，是光声信号产生的场所，需要尽量避免外界噪声的干扰，以提高信噪比。而现阶段光声腔对外界噪声的屏蔽主要依赖于被动降噪措施，如增加屏蔽层和外表面涂抹吸声材料等。但是一方面受限于体积和装配空间，另外也由于光声腔本身温度控制的需求，需要在光声腔表面加置热控层，热控层与光声腔之间的材料需要导热良好，随之而来这也对噪音提供了传送途径。综上所述，很难简单通过这些被动降噪设计来达到光声腔屏蔽背景噪声的目的。

有源降噪技术的原理是利用声波在空间的叠加干涉抵消原理，降噪系统拾取环境噪声，通过电路处理，主动产生另一个噪声，其与原始噪声在频率和幅度上相当，而相位相反，这个主动产生的声波与原噪声声波在空间相互抵消，从而达到降低噪声的目的。由于低频段声音具有较长的波长，其在空间的干涉更容易实现。因此，有源降噪具有较好的低频噪声控制效果，该技术主要用于对宽带噪声或低频噪声的防护。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种具有主动降噪功能的光声光谱装置。本发明能够通过有源降噪模块消除光声腔内的噪声干扰，有效提升光声信号的信噪比，可用于复杂场景下的光声光谱气体检测。

本发明具有主动降噪功能的光声光谱仪装置主要包括光源模块、光声信号产生模块、控制及信号处理模块和有源降噪模块。