(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210984442.9 (22)申请日 2022.08.17 (71)申请人 山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路9 2号 (72)发明人 武红鹏　冯超凡　董磊　 (74)专利代理 机构 北京高沃 律师事务所 1 1569 专利代理师 韩雪梅 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于光声池的气体浓度检测装置及方 法 (57)摘要 本发明提供了一种基于光声池的气体浓度 检测装置及方法， 包括： 探测模块、 声源驱动模块 和数据采集及处理模块； 探测模块包括共振光声 池， 共振光声池内腔壁上设有声波信号发生机 构、 声波信号收集机构、 进气口和出气口， 进气口 连接进气管路， 出气口连接出气管路， 声源驱动 模块包括函数 发生器和声波发生驱动器， 当共振 光声池通入待测气体后， 数据采集及处理模块基 于采集的声波信号和函数发生器输出的频率信 号生成声波 ‑频率响应曲线， 确定共振频率， 根据 共振频率和气体浓度的函数关系计算待测气体 浓度。 本发 明解决基于传统光声光谱技术检测气 体浓度时的效率低以及成本高的问题。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 115406838 A 2022.11.29 CN 115406838 A 1.一种基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 包括： 探测模块、 声源驱动模块 和数据采集及处 理模块； 所述探测模块包括共振光声池； 所述共振光声池的内腔壁上设有声波信号发生机构和 声波信号收集机构； 所述共振光声池还设有进气口和出气口； 所述进气口连接进气管路， 所 述出气口连接出气管路； 所述声源驱动模块包括 函数发生器和声 波发生驱动器； 所述函数发生器的信号输入端连接所述数据采集及处理模块； 所述函数发生器的信号 输出端连接所述声波发生驱动器的信号输入端， 所述声波发生驱动器的信号输出端连接所 述声波信号 发生机构的信号输入端； 所述声波信号收集机构的信号输出端连接所述数据采 集及处理模块的信号输入端； 所述数据采集及处理模块， 用于当所述共振光声池通入待测气体后， 基于采集的声波 信号和所述函数发生器输出 的频率信号生成的声波信号 ‑频率响应曲线确定共振频率， 并 根据共振频率和气体浓度的函数关系计算待测气体浓度。 2.根据权利要求1所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 所述进气管路 上设有第一针阀、 气路压力显示计和气路流 量显示计； 所述出气管路上设有第二针阀； 所述第一针阀和所述第二针阀， 用于调节气体管路内气体的压强和流 量。 3.根据权利要求2所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 所述出气管路 上还设有真空隔膜泵。 4.根据权利要求1所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 所述数据采集 及处理模块包括前置放大器、 锁相放大器和控制器； 所述前置放大器的信号输入端连接所述声波信号收集机构的信号输出端， 所述前置放 大器的信号输出端连接所述锁相放大器的信号输入端， 所述锁相放大器的信号输出端连接 所述控制 器的信号输入端， 所述控制器的信号输出端连接所述函数发生器的信号输入端； 所述锁相放大器的同步信号输入端与所述 函数发生器的同步信号输出端连接； 所述前置放大器， 用于将所述声 波信号收集机构输出的声 波信号放大； 所述锁相放大器， 用于对所述前置放大器输出的放大声 波信号进行解调。 5.根据权利要求1所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特 征在于， 所述声波信号发生机构设于所述共 振光声池的内腔中心位置对应的腔壁上。 6.根据权利要求1所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特 征在于， 所述声波信号发生机构和所述声波信号收集机构分别设于所述共振光声池的内腔中 心位置对应的腔壁上。 7.根据权利要求5或6所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 所述声波 信号收集机构与所述声 波信号发生机构沿所述共 振光声池的轴线对称。 8.根据权利要求1所述的基于光声池的气体浓度检测装置， 其特征在于， 所述共振光声 池包括一阶纵模 共振光声池； 所述一阶纵模共振光声池中包括第 一缓冲室、 第 二缓冲室、 声学谐振腔、 所述声波信号 发生机构、 所述声 波信号接收机构； 所述第一缓冲室和所述第二缓冲室设于所述声学谐振腔两侧且与所述声学谐振腔连 通； 所述第一缓冲室上设有所述进气口； 所述第二缓冲室上设有所述出气口；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115406838 A 2所述声波信号发生机构和所述声波信号接收机构分别设于所述声学谐振腔的中心位 置对应的内腔壁上， 且所述声波信号 发生机构和所述声波信号收集机构沿所述共振光声池 的轴线对称。 9.根据权利要求1 ‑8任一项所述的气体检测装置的气体浓度检测方法， 其特征在于， 包 括： 将待测气体通入共振光声池， 利用进气管路上的第 一针阀和出气管路上的第 二针阀调 整所述共 振光声池内气体的压强和流速直至保持稳定； 控制函数发生器输出不同频率的方波驱动声波信号发生机构产生不同频率的声波信 号； 控制声波信号收集机构收集所述共振光声池内的不同频率的所述声波信号并将所述 声波信号转化为电信号； 根据声波电信号和所述函数发生器输出的频率绘制声波电信号 ‑频率曲线图； 根据所 述声波电信号 ‑频率曲线图获取共振光声池的共振频率并根据共振频率和气 体浓度的函数 关系计算待测气体浓度。 10.根据权利要求9所述的气体检测装置的气体浓度检测方法， 其特征在于， 所述根据 声波电信号和所述 函数发生器输出的频率绘制声 波电信号 ‑频率曲线图， 具体包括： 设置扫描频率范围和扫描步进； 基于所述扫描步进扫描所述扫描频率范围内的所述声波电信号并生成所述声波电信 号‑频率曲线图； 判断所述声 波电信号 ‑频率曲线图中的曲线变化趋势是否为持续上升或 持续下降； 若是， 则增大所述扫描频率范围， 并重新扫描所述声波信号收集机构输出的所述声波 电信号； 若否， 则输出当前所述声波电信号 ‑频率曲线图， 其中电信号最大处对应的频率值即为 光声池的共 振频率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115406838 A 3