一种用于气溶胶酸度检测的光声池、系统和方法

1.本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种用于气溶胶酸度检测的光声池、系统和方法。


背景技术：

2.溶液的ph值是其最基本的化学属性之一，影响着各个领域的化学反应途径和动力学，大气环境也不例外。大气凝聚相的ph值驱动着关键的化学反应，最终以多种方式影响全球气候。其凝聚相主要由悬浮的液体或固体颗粒组成，被称为大气气溶胶，由于其尺寸小得多(主要是《10μm)而与云滴不同。大气气溶胶的ph值(酸度)可以增强某些化学反应，导致低挥发性物种形成额外的凝聚相质量，改变颗粒的光学和吸水特性，并溶解金属离子，在吸入后对人体健康形成威胁。然而，尽管气溶胶的酸度对气候和人类健康很重要，但由于气溶胶的大小(按数量计算超过99％的颗粒小于1μm)和其内部组成的复杂性，人们对其酸度的基本认识一直很有限。
3.在一个大气颗粒中，可能有数百到数千种不同的化学物种，不同的水含量，高离子强度和不同的相位(液体、半固体和固体)，使得气溶胶分析更具挑战性，大气颗粒通过与气体的异质反应和凝结相内的多相化学反应不断演变。
4.气溶胶酸度传统的测量方法包括：1、利用过滤器收集和提取颗粒样本，真空下分析，或在收集过程中或收集后进行干燥而后溶于水中分析其组成，其缺点在于，在处理过程中气溶胶内部h
+
活度不守恒，颗粒中水含量的变化影响活度从而影响气溶胶酸度的准确性；2、利用气溶胶粒子的体积浓度结合气体浓度来预测水含量，从而根据一些热力学平衡条件推算酸度。但是考虑到粒子内部化学环境复杂，模型也无法做到准确计算。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种用于气溶胶酸度检测的光声池、系统和方法，可以提高气溶胶酸度检测的准确性。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的光声池，包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，在光声共振腔与壳体交界的两端分别安装光学窗口，进气管道和出气管道经过壳体分别连接光声共振腔的两端，压电陶瓷传感器安装在光声共振腔的横截面方向；气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出；压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号。
7.可选地，壳体内设有圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内部设置有固定槽，压电陶瓷传感器安装在圆柱形凹槽内，并采用固定槽定位。
8.可选地，在圆柱形凹槽与压电陶瓷传感器之间的空隙内填充有去离子水或松节油以排除空气。
9.可选地，光声池还包括法兰，通过法兰将压电陶瓷传感器固定在壳体上，通过法兰
将光学窗口固定在壳体上。
10.可选地，光学窗口的材料包括红外晶体材料，所述红外晶体材料包括氟化镁、硫化锌、硒化锌、蓝宝石或硅中的任意一种。
11.可选地，壳体的材料包括不锈钢、石英或铝合金中的任意一种。
12.可选地，压电陶瓷传感器包括水听器、音叉或微型麦克风中的任意一种。
13.可选地，光声共振腔的形状包括圆柱体或方形体。
14.第二方面，本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的系统，包括激光光源、斩波器、放大器、示波器和上述的光声池；其中，
15.激光光源，用于产生激光，并将激光发射到斩波器；
16.斩波器，用于对进入的激光进行调制，并将调制后的激光发射到光声池的光声共振腔中；
17.光声池，用于采集光声共振腔中气溶胶产生的声光信号对应的电信号；
18.放大器，用于对电信号进行放大；
19.示波器，用于对放大后的电信号进行采集。
20.第三方面，本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的方法，应用于上述的系统，包括：
21.将酸性溶液通过气溶胶发生器制备气溶胶，并将气溶胶填充到光声池的光声共振腔中；
22.确定激光光源和斩波器的控制参数，并开启激光光源和斩波器；
23.通过示波器采集电信号，并根据标准曲线和采集的电信号确定气溶胶的酸度；所述标准曲线表征已知酸度和电信号的关系曲线。
24.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中用于气溶胶酸度检测的光声池包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出，压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号；用于气溶胶酸度检测的系统包括激光光源、斩波器、气溶胶发生器、放大器、示波器和光声池，激光光源产生的激光通过斩波器调制后射入光声池中的光声共振腔，通过压电陶瓷传感器测量气溶胶的光声信号，并通过放大器和示波器采集气溶胶的光声信号，最后根据气溶胶的光声信号确定气溶胶的酸度，从而实现通过激光光谱测量气溶胶的酸度，提高气溶胶酸度检测的准确性。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的一种用于气溶胶酸度检测的光声池的侧视图；
26.图2是本发明实施例提供的一种用于气溶胶酸度检测的光声池的立体图；
27.图3是本发明实施例提供的一种用于气溶胶酸度检测的系统的结构框图；
28.图4是本发明实施例提供的一种用于气溶胶酸度检测的方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各
步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
30.在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
31.在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
32.除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。
33.对本发明实施例进行进一步详细说明之前，对本发明实施例中涉及的名词和术语进行说明，本发明实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
34.光声光谱技术可以实现对痕量气体的检测，同样也可以针对固体液体进行监测分析，很多科学研究都集中于对温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境问题的研究，光声光谱可以用来衡量生物发酵、汽车尾气排放造成的污染，以及用于对土壤氮化物，植物生理学、生物系统的氮检测、微生物学和医学上的无损呼吸分析以及油气泄漏等相关问题。
35.光声光谱法即是一种基于光声效应的激光光谱探测技术。其原理为：待测物质吸收激光能量后，物质分子从基态跃迁到激发态，但由于高能级激发态的不稳定性，会通过碰撞弛豫重新回到基态，同时根据能量守恒定律，将吸收的光能量转化为分子的平动能，在光声池内形成压力波。当激光以一定频率调制后，局部温度就会周期性的升高降低，从而生成与激光调制频率一致的声波信号。利用压电陶瓷传感器检测压力波的强度，并根据光声信号幅度与入射光强度、浓度、含量的正比关系，确定光声池内吸收光激发的分子的量。光声光谱传感过程可以描述为物质吸收光能产生周期性热膨胀，从而引起微弱的声压波(超声波)，采用传感器来探测声压波的涨落来判断气体的浓度。
36.本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的光声池，包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，在光声共振腔与壳体交界的两端分别安装光学窗口，进气管道和出气管道经过壳体分别连接光声共振腔的两端，压电陶瓷传感器安装在光声共振腔的横截面方向；气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出；压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号。
37.由于气溶胶不同酸度对于激光能量的吸收也不同，酸度越强其吸收越强，产生的光声信号也越强，从而可以通过测定光声信号来检测气溶胶酸度。同时光声池及光声光谱传感器采用压电陶瓷传感器作为压力传感器件，可以降低噪声的影响，利用放大器与滤波器放大有效信号，实现高精度、高信噪比气溶胶酸度检测效果。
38.参阅图1和图2，图1表示用于气溶胶酸度检测的光声池的侧视图，图2表示用于气溶胶酸度检测的光声池的立体图，光声池包括壳体1、光学窗口3、进气管道7、出气管道8、贯穿壳体1的光声共振腔10和壳体1内的压电陶瓷传感器2，气溶胶从进气管道7进入光声共振腔10，并从出气管道8导出，压电陶瓷传感器2用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号。激光通过光学窗口射入到光声共振腔。
39.需要说明的是，在进气管道与光声共振腔的连接处进行扩口处理，形成一个喷嘴，减少气溶胶与内壁碰撞损失。在进气管道和出气管道的管道口均可安装不锈钢阀门控制闭合。
40.可选地，壳体内设有圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内部设置有固定槽，压电陶瓷传感器安装在圆柱形凹槽内，并采用固定槽定位。
41.圆柱形凹槽和固定槽根据压电陶瓷传感器的形状设置，将压电陶瓷传感器安装在圆柱形凹槽内，并采用固定槽定位，可以减少晃动，提高信号检测的准确性。例如，压电陶瓷传感器为一个直径39mm、高51mm的圆柱体，圆柱形凹槽设计为直径为42mm、高为48mm，同时凹槽内部设有一个直径39mm、深3mm的固定槽。
42.可选地，在圆柱形凹槽与压电陶瓷传感器之间的空隙内填充有去离子水或松节油以排除空气。
43.参阅图1，在圆柱形凹槽与压电陶瓷传感器之间的空隙6内填充有去离子水或松节油以排除空气，减少超声波在空气中传导带来的迅速衰减。
44.可选地，光声池还包括法兰，通过法兰将压电陶瓷传感器固定在壳体上，通过法兰将光学窗口固定在壳体上，减少传导介质的蒸发。
45.参阅图1，光声池还包括法兰5，通过法兰将压电陶瓷传感器固定在壳体上，通过法兰将光学窗口固定在壳体上，可以更牢固，减少晃动，提高信号检测的准确性。
46.可选地，光学窗口的材料包括红外晶体材料，所述红外晶体材料包括氟化镁、硫化锌、硒化锌、蓝宝石或硅中的任意一种。
47.透红外晶体材料普遍具有机械强度高、耐高温性能好的特点，红外晶体材料包括氟化镁、硫化锌、硒化锌、蓝宝石或硅中的任意一种。
48.在一个具体的实施例中，光学玻璃窗口为蓝宝石窗口片(并未镀膜)，可透光波长为200nm-4.5μm，未镀膜的蓝宝石具有出色的表面硬度，且透过率的范围从紫外延伸到中红外波长区域。蓝宝石只能被除它之外的少数几种物质划伤。未镀膜的基底具有化学惰性，且在温度最高约1000℃时也不溶于水、常见的酸或碱。使用的蓝宝石窗口是z轴切面，所以晶体的c轴与光轴平行，消除了透射光的双折射效应。光学窗口可以将光声池形成密闭空间，并保证光源进入光声共振腔产生光声信号，并从另一端输出。蓝宝石光学窗口基本可以满足大部分波长范围的激励光源，减少窗口对激光能量的吸收，减低窗口噪声。
49.可选地，壳体的材料包括不锈钢、石英或铝合金中的任意一种。
50.光声池壳体1为耐酸碱、不漏气、液的坚硬材质，用于承装标准溶液与液滴气溶胶，材质包括不锈钢、石英或铝合金中的任意一种。
51.可选地，压电陶瓷传感器包括水听器、音叉或微型麦克风中的任意一种。
52.压电陶瓷传感器根据实际应用确定，本实施例不做具体限制，包括但不限于水听器、音叉或微型麦克风中的任意一种。
53.可选地，光声共振腔的形状包括圆柱体或方形体。
54.光声共振腔的形状根据实际应用确定，本实施例不做具体限制，包括但不限于圆柱体或方形体。在一个具体的实施例中，光声共振腔的形状包括圆柱体，光声共振腔长50mm-150mm，直径为5mm-15mm。可以针对不同光束质量的光源，选择不同的共振腔直径，在保证背景噪声不变的情况下，获得最大的光声信号。光声共振腔的长度可以满足不同的应
用环境，减低噪声的影响，提高信噪比。当然也可使用固定的共振腔作为非共振式光声池使用，此时则需要通过滤波装置进行降噪、放大处理。
55.光声池还可以包括密封圈4，在法兰与光学窗片之间、光学窗片与壳体的端口之间均可以设置密封圈，密封圈可以使光学窗片与法兰以及与壳体的端口之间密封良好，使光声池形成一个密闭空间。光声池还可以底座支架，用于支持整个器件。
56.光声池的设计结构简单，各个组件对称分布，易加工；光声腔内表面抛光处理，减少了阻尼，有利于光声信号能量在腔中的积累，从形成驻波，提高了灵敏度；同时，避免液滴附着在内壁表面干扰采样结果。
57.本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的系统，包括激光光源、斩波器、放大器、示波器和上述的光声池；其中，
58.激光光源，用于产生激光，并将激光发射到斩波器；
59.斩波器，用于对进入的激光进行调制，并将调制后的激光发射到光声池的光声共振腔中；
60.光声池，用于采集光声共振腔中气溶胶产生的声光信号对应的电信号；
61.放大器，用于对电信号进行放大；
62.示波器，用于对放大后的电信号进行采集。
63.参阅图3，用于气溶胶酸度检测的系统包括激光光源11、斩波器12、气溶胶发生器13、放大器14、示波器15和光声池16。气溶胶发生器13用于将酸性溶液制备成气溶胶并填充到光声池的光声共振腔中，激光光源11发出的光通过斩波器12调制后，照射到光声池16，光声池16内气溶胶的光声信号通过放大器进行放大和降噪处理，并通过示波器进行信号采集。光声池使中不同酸度的气溶胶发生光声效应，产生不同强度的光声信号。
64.激光光源可以使用纳秒激光器，产生的1064nm的激光，能量密度高，产生的光声信号强，产生的光声信号也更为清晰。
65.斩波器可以使用oe3001光学斩波器，采用了高精度锁相环准确跟踪外部触发信号，另外采用了pid控制精准地驱动电机并提供稳定的参考输出信号。oe3001由主机箱、斩波机械和连接线三大部分组成。其中，主机箱是电子控制系统；斩波机械包含了斩波座和斩波叶片等部分，实现斩波动作；主机箱通过连接线控制电机和读取电机转速。
66.放大器可以为sr560型低噪声放大器，在放大光声信号的同时可以进行降噪滤波处理，提高信噪比。示波器可以采用mdo3034型示波器。
67.光声池采用了共振式结构，在共振腔中声压模式为一次纵向驻波模式，因此为使光声信号与共振腔的共振频率形成共振，将积累的光声能量达到最大，需要对激励光源进行调制(》1khz)，这样可以减低1/f噪声的影响。利用压电陶瓷传感器以及纳秒激光器作为激发光源可以提高光声信号的强度，此时也可以不对光线进行调制，将光声池作为非共振式的光声池使用。
68.参阅图4，本发明实施例提供了一种用于气溶胶酸度检测的方法，应用于上述的系统，包括：
69.s100、将酸性溶液通过气溶胶发生器制备气溶胶，并将气溶胶填充到光声池的光声共振腔中。
70.液滴气溶胶通过气溶胶发生器生成，利用压缩空气从尖端喷射出气体搅动标准溶
液形成直径2.5μm左右的气溶胶，再随着气流一起进入光声共振腔，进行测定。由于过程中气溶胶一直是流动的，很好地模拟了大气环境。实际进行大气采样时，需要将大气气溶胶泵入光声池中进行检测。
71.s200、确定激光光源和斩波器的控制参数，并开启激光光源和斩波器。
72.值得注意的是，信号幅值与激光功率成正比，功率越大，信号幅值越大。但实际情况下，激光器的功率并不是越大越好。随着激光器输出功率的提高，一方面会出现饱和效应，被测信号幅值和功率不成线性关系；另一方面，激光光束质量会开始变差，部分杂散光会打到光声池腔壁，造成系统的噪声增加；因此需要确定较为合适的范围。
73.s300、通过示波器采集电信号，并根据标准曲线和采集的电信号确定气溶胶的酸度；所述标准曲线表征已知酸度和电信号的关系曲线。
74.在进行气溶胶检测前，需要利用液相检测测定标准曲线，标准溶液包括硫酸、硫酸钠溶液、硫酸铵溶液以及上述溶液的混合溶液等，液滴气溶胶成分需与标准曲线的溶液成分一致。测量过程中，通过将采集的电信号与标准曲线进行对比，确定气溶胶的酸度。
75.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中用于气溶胶酸度检测的光声池包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出，压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号；用于气溶胶酸度检测的系统包括激光光源、斩波器、气溶胶发生器、放大器、示波器和光声池，激光光源产生的激光通过斩波器调制后射入光声池中的光声共振腔，通过压电陶瓷传感器测量气溶胶的光声信号，并通过放大器和示波器采集气溶胶的光声信号，最后根据气溶胶的光声信号确定气溶胶的酸度，从而实现通过激光光谱测量气溶胶的酸度，提高气溶胶酸度检测的准确性。
76.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种用于气溶胶酸度检测的光声池，其特征在于，包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，在光声共振腔与壳体交界的两端分别安装光学窗口，进气管道和出气管道经过壳体分别连接光声共振腔的两端，压电陶瓷传感器安装在光声共振腔的横截面方向；气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出；压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号。2.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，壳体内设有圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内部设置有固定槽，压电陶瓷传感器安装在圆柱形凹槽内，并采用固定槽定位。3.根据权利要求2所述的光声池，其特征在于，在圆柱形凹槽与压电陶瓷传感器之间的空隙内填充有去离子水或松节油以排除空气。4.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，光声池还包括法兰，通过法兰将压电陶瓷传感器固定在壳体上，通过法兰将光学窗口固定在壳体上。5.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，光学窗口的材料包括红外晶体材料，所述红外晶体材料包括氟化镁、硫化锌、硒化锌、蓝宝石或硅中的任意一种。6.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，壳体的材料包括不锈钢、石英或铝合金中的任意一种。7.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，压电陶瓷传感器包括水听器、音叉或微型麦克风中的任意一种。8.根据权利要求1所述的光声池，其特征在于，光声共振腔的形状包括圆柱体或方形体。9.一种用于气溶胶酸度检测的系统，其特征在于，包括激光光源、斩波器、放大器、示波器和如权利要求1-5任一项所述的光声池；其中，激光光源，用于产生激光，并将激光发射到斩波器；斩波器，用于对进入的激光进行调制，并将调制后的激光发射到光声池的光声共振腔中；光声池，用于采集光声共振腔中气溶胶产生的声光信号对应的电信号；放大器，用于对电信号进行放大；示波器，用于对放大后的电信号进行采集。10.一种用于气溶胶酸度检测的方法，其特征在于，应用于如权利要求9所述的系统，包括：将酸性溶液通过气溶胶发生器制备气溶胶，并将气溶胶填充到光声池的光声共振腔中；确定激光光源和斩波器的控制参数，并开启激光光源和斩波器；通过示波器采集电信号，并根据标准曲线和采集的电信号确定气溶胶的酸度；所述标准曲线表征已知酸度和电信号的关系曲线。

技术总结
本发明公开了一种用于气溶胶酸度检测的光声池、系统和方法，包括壳体、光学窗口、进气管道、出气管道、贯穿壳体的光声共振腔和壳体内的压电陶瓷传感器，在光声共振腔与壳体交界的两端分别安装光学窗口，进气管道和出气管道经过壳体分别连接光声共振腔的两端，压电陶瓷传感器安装在光声共振腔的横截面方向；气溶胶从进气管道进入光声共振腔，并从出气管道导出；压电陶瓷传感器用于检测光声共振腔内气溶胶的光声信号。本发明实施例可以气溶胶酸度检测的准确性，可广泛应用于检测技术领域。可广泛应用于检测技术领域。可广泛应用于检测技术领域。


技术研发人员：殷实 吴易航 蒋兴旺 王亚东
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/8/4