基于光声光谱检测一氧化碳系统的设计及实验

李 姣

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

近年来，由于CO 泄露导致工厂爆炸的事故频发，究其原因在于对CO 存储不当、现场管理不符合要求及对CO 泄露检测不及时、不准确所导致。目前，针对CO 气体的监测可采用的技术包括有气相色谱分析技术、非分散红外技术、传感器阵列技术以及光声光谱技术。其中，气相色谱分析技术无法实现对CO气体的实时检测；非分散红外技术的检测精度和灵敏度低；传感器阵列技术的精度和稳定性较差，测量所得结果存在数据漂移的情况[1]。因此，本文将基于光声光谱技术设计一款CO 检测系统，并对系统的性能进行实验验证。

1 光声光谱技术原理分析

光声光谱检测气体的核心技术为根据现场光学和声学方面的信号，换算得出现场被测气体的浓度值，所依托的效应为光声效应，对应的工作过程如图1 所示。

图1 光声效应工作示意图

如图1 所示，被测气体在光源照射的作用下被激发从基础状态跃发至激发状态；当气体处于激发状态时，分子会通过无辐射跃迁的形式再次回到基础状态。根据能量守恒定律，在此阶段存在的能量差会转换为热能，使得被测气体的压强发生了变化。而且，随着对光源信号的调制对应所得被测气体的压强变化也是不同；与此同时，采用微音器对过程中的声音信号进行采集，得到微音器电信号与被测气体浓度之间的函数关系，从而换算得出被测气体的浓度值[2]。

2 光声光谱气体检测系统的设计

本节将基于光声效应工作原理，并结合CO 气体吸收谱线的重心频率完成检测系统的方案设计，包括整体设计方案和光源的选择与调制、光声池的设计以及相关元器件的选型。

2.1 光声光谱气体检测系统的整体设计

结合光声光谱效应的工作原理和CO 气体的实际检查需求，设计如图2 所示的基于光声光谱气体检测系统的整机结构框图。

图2 光声光谱CO 气体检测系统整体结构框图

如图2 所示，基于光声光谱CO 气体检测系统包括有激光器、光声池、微音器、带通放大器、锁相放大器以及低通滤波器等。其中，带通放大器、锁相放大器以及低通滤波器、A/D 转换器为对信号处理的关键元器件。

激光器为可经过三角波和正弦波调制后发射出能够覆盖CO 气体谱线中心频率的光源；由激光器发生的光源在光学池中与被测气体CO 发生光声效应的反应，继而产生一定频率的声音信号[3]。微音器的主要作用是对光声池中光声效应反应所产生的声音信号进行采集，并在信号处理电路的作用下对具体数值进行显示；并且对CO 气体超过合理浓度值的情况进行报警。

2.2 激光器的选择

激光器为本系统中的关键部件，激光器是否能够发射出涵盖被测CO 气体谱线中心频率的光线对于能够实现对CO 气体浓度的检测尤为重要，也决定着整个系统的检测精度和灵敏度。激光器的选择即为对光源的选择。

在光源的选择中尤其首要保证的是，光源所发出光线的波长或者频率与被测CO 气体相匹配。除此之外，光源的选择还需兼顾各方面的性能。为保证检测系统的精度和灵敏度，光源选择时需遵循如下原则：

1）由于CO 气体包含有强度不等的吸收谱线。因此，为保证检测系统的灵敏度和精度，应选择强度最大的吸收谱线，并且根据强度最大吸收谱线的中心频率确定光源的波长。

2）所选择的光源具备稳定的工作状态，尤其是要求所选光源的具有较好的温度特性。此外，激光器在实际工作中会产生较大的热量。因此，还需为激光器配置温度控制系统。

3）要求所选光源的寿命、维护便捷性以及成本进行综合考虑[4]。

经对CO 气体的吸收光谱的强度进行测定，得出CO 气体吸收光谱的强度分布情况，本系统选用VCSEL 激光二极管作为其光源产生器。该激光器具有较小的光束发散角，且该激光器与市面上大部分光学器件相匹配。同时，为了保证VCSEL 激光器的散热效果，还为其配置了TEC 半导体热电中制冷器加速激光器的散热；此外，配置对应的热敏电阻对光源温度进行监测，并根据实际情况适时启动制冷器。

2.3 光声池的设计

光声池为光线与被测CO 气体发生光声效应的场所。光声池的性能对于CO 气体检测系统的灵敏度和精度的影响巨大。根据工作方式的不同，可将光声池的结构分为谐振式和非谐振式。其中，谐振式结构的光声池可实现光线调制频率与光声池结构的共振频率一致；也就是说基于谐振结构的光声池可将光声效应反应所产生的音频信号放大[5]。

本系统光声池谐振腔采用黄铜材质制作，并将谐振腔的内腔进行抛光处理。谐振腔的结构尺寸为长度为100 mm，直径为3 mm 的管道，在谐振腔左右两侧配置了直径为20 mm，长度为50 mm 的缓冲室，并在内壁加装O 型环解决背景噪声，达到提升检测精度的目的。

3 CO 检测系统的实验验证

为验证本文基于光声光谱技术设计的CO 检测系统的测试精度，首先需对所选型的激光器的波长以及光声池的共振频率进行测试。

激光器的波长特性：结合对激光器波长特性的测试结果，需对所得数据增加相应的调整系数，具体数值为0.44 nm/mA。

在标准大气压和25℃的环境下，测得光声池的共振频率为1 607 Hz。

在上述测试结果的基础上对检测系统信号处理电路进行修正，得出实际测量和理论值的对比，测试结果如表1 所示。

表1 实测值与真实值的对比

如表1 所示，基于光声光谱技术所设计的CO 检测系统的检测的相对误差最大仅为1.3%，控制在1.5%以内，满足实际测量要求。

4 结语

为精准、快速且实时对工业现场CO 气体浓度的检测，本文基于光声光谱技术完成了CO 检测系统。所设计CO 检测系统所配置的激光器型号为VCSEL，为保证激光器的温度特性集成了热敏电阻和TEC 半导体热电中制冷器；采用铜为基础材质完成光声池的谐振腔的设计，并为其配置缓冲腔。通过实验测试可知：基于光声光谱技术所设计的一氧化碳检测系统的检测的相对误差最大仅为1.3%，控制在1.5%以内，满足实际测量要求。