[发明专利]利用声光光谱检测气体的方法及其装置

说明书

本发明涉及一种用声光光谱法检测气体的方法及其装置。

所有气体都有特征吸收谱，这些吸收谱反映出材料吸收以正向能量流的波长为函数的能量的能力，这种吸收谱是每种特定气体的特征，并且可以把这种吸收谱看成是这种气体的一个特有印记。因此，由测量混合气体在该特定气体对能量有很强选择吸收的波长下的能量吸收，可以检测出气体混合物中的一种特定的气体，测量这种吸收的非常合适的测量方法是声光光谱法。根据这种方法，使用脉冲能源，如激光器，对气体混合物产生作用。因为吸收能量时气体被加热，而把它吸收的能量向外界释放时又使气体冷却，所以气体混合物对能量的吸收将分别引起与吸收成正比的压力的增加和减少，这样用那种压力与吸收成正比的压力传感器可以记录下这种吸收。

然而，这种测量方法会带来一些问题，比如在两种气体的吸收谱互相干扰时，就出现问题。这时，非常难以把这些特定气体中的每一种气体的吸收相互区分开。

特别在用CO₂激光对空气混合气体进行的测量中能看出这个问题。其中，气体混合物中的含量大的CO₂和在由CO₂激光产生的辐射波长下具有极强吸收能力的CO₂结合在一起使非主要成分气体的检测在很大程度上受到破坏。

如1986年10月24-24在比萨的Tirreria召开的第11届“红外和毫米波”国际会议上发表的文章“用波导CO₂激光器进行声光微量气体的监测中的选择性”中所揭示的那样，通过让激光器在中心频率附近扫描一个波长区，而不测量某些固定激光波长的声光幅度，可以提高有关不同气体的选择性。用常规方法使激光器形成脉冲，这时在每个脉冲内发出的辐射具有恒定的波长，但在几个脉冲的过程中，波长有所改变，扫描过程和测量室里的减小的压力相配合就把吸收集中在很窄的频率范围里，结果使选择性明显增加，但是，对于象在大气环境下的测量，这种方法仍远远不能使人满意，因为气体混合物中的CO₂含量仍淹没非主要气体的声光信号。

本发明的目的是提供利用声光光谱测量气体混合物中的第一种气体的方法及其装置，其中该气体混合物还有第二种气体，第二种气体的吸收谱与第一种气体的互相干扰，其中该混合气体受到在测量中脉冲频率不变的脉冲激光的作用，而激光频率逐步加以改变，并且该测量至少包括一次测量以频率为函数的声光信号的相位。而且本发明将消除上述不利方面。

这种声光测量是在气体混合物中有第三种气体时进行的，该第三种气体与第一或第二种气体一起呈现出动态冷却作用，本发明就是靠上述特征实现的。因此，把“动态冷却”现象用到相位移上，从而气体混合物中的部分吸收作用能检测出浓度要比至今由认为相位过程为频率的函数所能测定出的浓度低得多的气体的存在。

动态冷却在F.G Gebhardt和D.C Smith的文章“由吸收CO₂激光辐射导致的动态冷却”，应用物理快报，20，129，1972，中有详尽的讨论，但概括地说，它包括如下内容：一般来说，当激光照到测量室内的气体上时，激光将使那部分吸收频率靠近激光频率的分子激发。当这些分子与其他分子碰撞时，它们被激发到较高能级上，这个较高能级是不稳定的，该能量以热的形式向周围释放。这些热量引起压力变化，由于是激光脉冲，就可用压力传感器记录下这种压力变化。对于一定的分子组成，它们的高能级彼此靠近，因而它们形成共振。这时，一个受激分子可能把相当于两倍于原来从光子获得的能量传给另一个分子。因此，第一个分子处于不稳定状态，这是与稳定状态相比，其能量不是造成这个分子从周围吸收能量补充了这种不足。因此，在这种情况下，当向系统供给能量时，便可记录下系统随后的短期冷却。

也可通过检测吸收的幅度，使该方法还能用于进行改进的声光光谱的幅度测量，因为也可以把相位信号用到被那些其他具有较高幅度的信息所压倒的信息幅度信号的检测。

本发明的一个恰当而具体的实施例可用于测量那些由于如燃烧过程产生的、或者由要检测污染气体的专门暴露的环境产生的空气混合物。特别是，该实施例是干扰测量的CO₂气体里的吸收，因此希望消除这部分作用。CO₂与N₂在一起呈现出明显的动态冷却，而N₂在空气混合物中的浓度已极高，通过检测频率为函数的声光信号的相位过程，可以在很大程度上简便地消除CO₂的作用。