高精度多组分温室气体自动化实时监测系统及方法与流程

1.本技术涉及温室气体检测的技术领域，尤其是涉及高精度多组分温室气体自动化实时监测系统及方法。


背景技术：

2.光声光谱气体检测技术具有吸收光谱检测技术的全部优点，即操作简单、响应速度快、选择性好、灵敏度高、多组分在线检测等优点，主要如下：pas是一种无背景检测技术，测量灵敏度高（可达ppb量级）；动态范围大，对于物质浓度从ppm-ppt均能检测；检测系统简便，无需载气和复杂的气路系统，可实现实时在线监测；光束经过物质发生的反射、散射无法影响光声光谱技术的探测能力及准确性，可应用于各种试样检测（不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶体等），从本质上解决了传统光谱法对弱吸收、强散射、不透明等样品检测的难题。针对现有常规痕量物质检测技术的诸多缺陷及弊端，基于mems声波传感器的全光型pas多组份物质高灵敏度检测方式具有绝对的技术优势及巨大的应用潜能。
3.光声光谱技术作为一种研究物质吸收光谱的新技术，以前独特的技术优势，已经在诸多痕量分析技术中独占头角，成为了痕量分析行业中最有前途的发展新技术。该技术也可广泛应用于地球化学、材料科学、生物医学、环境科学、安全防护、军事、仓库存储、电网电厂、表面科学以及罪证分析等多行业多领域，具有巨大的应用潜能及广阔的发展空间。另外小型化和高集成化的激光光声光谱仪器设备是痕量气体检测技术的产品核心竞争力，该技术已逐步取代传统光学物质检测方法，成为电力、石化、核能等行业安全生产的重要保障。随着痕量分析技术的快速发展和广泛的气体检测场景，国内外市场对光声光谱分析仪产生了海量需求，基于光声光谱方法的气体检测设备市场化应用显得尤其重要。


技术实现要素：

4.为了提高探测的精确性，本技术提供了高精度多组分温室气体自动化实时监测系统及方法。
5.第一方面，本技术提供的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统采用如下的技术方案。
6.高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，包括：共振光声池、光电探测器、锁相放大器、掺铒光纤放大器以及带宽可调谐激光器；所述光电探测器用于采集光声信号；所述掺铒光纤放大器的输入端与所述共振光声池相连接；所述光电探测器连接有mems声波传感器；所述锁相放大器的输入端与所述光电探测器的输出端相连接；所述锁相放大器的输出端用于与终端设备连接；所述带宽可调谐激光器的输入端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，所述带宽可调谐激光器的输出端用于与终端设备连接；
其中，根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。
7.可选的，所述共振光声池包括：共振管、气体缓冲室、窗片、进气口、出气口以及信号检测口；其中，所述共振光声池设置有腔体；所述共振管设置于所述腔体内；所述气体缓冲室成型于所述腔体中；所述共振管的两端分别设置有一所述气体缓冲室；所述信号检测口设置于所述共振管的中点位置；所述mems声波传感器安装于所述信号检测口；相较于所述共振管的中点，所述进气口更靠近所述共振管其中一端；相较于所述共振管的中点，所述出气口更靠近所述共振管另一端。
8.可选的，所述共振光声池呈轴对称圆柱形。
9.可选的，所述mems声波传感器包括mems膜片；所述mems膜片包括振动膜片以及设置于所述振动膜片周围的四个悬臂支架；所述振动膜片用于充当惯性质量块；四个所述悬臂支架用于起支撑作用。
10.可选的，所述mems膜片包括依次设置的顶部硅层、sio2绝缘层及背衬底硅；所述顶部硅层的表面涂覆有铬金或者金层。
11.可选的，所述振动膜片的加工方法包括：将顶部硅层置于所述sio2绝缘层上；用氢氧化钾对所述背衬底硅进行各向异性刻蚀，以打开悬浮mems膜片的背面，同时，顶部硅层通过一层热氧化物进行保护；通过各向同性蚀刻，对顶部硅层进行加工，制成四悬臂梁形状；使用10%氢氟酸缓冲腐蚀溶液对剩余结构进行腐蚀处理。
12.可选的，所述mems膜片通过环氧树脂粘合到共振光声池内部。
13.第二方面，本技术提供的高精度多组分温室气体自动化实时监测方法采用如下的技术方案。
14.高精度多组分温室气体自动化实时监测方法，基于上述的系统，包括：根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。
15.可选的，通过对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等，以使入射激光波长匹配各物质特征波长，实现单组分单谱线测量；使用最小二乘法对测量结果进行标定；根据吸收特征波长确定物质种类，由光声信号强度获得物质浓度信息。
附图说明
16.图1是本技术实施例高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的系统框图；图2是本技术一阶纵向共振气体检测共振光声池的示意图；图3是mems声波传感器的结构图。
具体实施方式
17.下面结合附图1-图3和具体实施例对本技术作进一步说明：首先，这里需要说明的是：在本技术的描述中，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等方位词，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制；此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”等数字量词仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。另外，在本技术中，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接、过盈配合、过渡配合等限位连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；因此对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
18.本技术实施例公开高精度多组分温室气体自动化实时监测系统。参照图1，作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的一种实施方式，高精度多组分温室气体自动化实时监测系统包括：共振光声池、光电探测器、锁相放大器、掺铒光纤放大器以及带宽可调谐激光器；所述光电探测器用于采集光声信号；所述掺铒光纤放大器的输入端与所述共振光声池相连接；所述光电探测器连接有mems声波传感器；所述锁相放大器的输入端与所述光电探测器的输出端相连接；所述锁相放大器的输出端用于与终端设备连接；所述带宽可调谐激光器的输入端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，所述带宽可调谐激光器的输出端用于与终端设备连接；其中，根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。
19.具体地，上述的终端设备可以是计算机，使用时将计算机与本系统进行连接。
20.将mems声波传感器安置于共振光声池预留检测口，安装前采用橡胶包裹mems声波传感器，最大限度提高光声信号。根据共振光声池与mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对共振光声池进行温度调控的方式使二者共振频率相匹配；同时，需进一步调制光源激光的辐照频率，对入射激光施加偏置电流，使光声信号频率与共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等，实现双共振光声增强型检测系统。在此基础上，将多组分物质检测转化为单组分单谱线测量，故需根据其各自吸收谱线特征选择相互独立的特征波长，避免彼此吸收干扰，同时保证该物质在此特征波长处具有较大的光吸收系数，增强光声信号。采用
基于可调谐光学滤波的宽带稳定光信号发生技术，实现宽带宽可调谐光信号激励（4-9μm），使入射激光波长精确匹配各物质特征波长，实现单组分单谱线测量。使用最小二乘法对测量结果进行标定，最终实现对未知多组分物质的区分检测，即根据吸收特征波长确定物质种类，由光声信号强度获得物质浓度信息。
21.参照图2，作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的一种具体实施方式，所述共振光声池包括：共振管、气体缓冲室、窗片、进气口、出气口以及信号检测口；其中，所述共振光声池设置有腔体；所述共振管设置于所述腔体内；所述气体缓冲室成型于所述腔体中；所述共振管的两端分别设置有一所述气体缓冲室；所述信号检测口设置于所述共振管的中点位置；所述mems声波传感器安装于所述信号检测口；相较于所述共振管的中点，所述进气口更靠近所述共振管其中一端；相较于所述共振管的中点，所述出气口更靠近所述共振管另一端。
22.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的一种具体实施方式，所述共振光声池呈轴对称圆柱形。
23.具体地，上述的共振光声池可以为一阶纵向光声池，整体结构为轴对称圆柱形，结构材料选择铜，因其具有较大的热传导系数，可降低温度对测量结果的影响。采用3d打印技术一体打印成型，共振光声池主要包括：共振管、气体缓冲室、窗片、进气口、出气口以及信号检测口。圆筒状腔体中间设置共振管，共振管的两端设置气体缓冲室，最大程度地抑制窗口片以及气流造成的背景噪声。入射窗口安装透过率大于90%的石英窗片并密封在池体一侧，与入射窗口相对的一端安装全反射镜，以提高入射激光的池内光辐射强度。工作于一阶纵向共振模式时的共振光声池，共振管1/2l（l为共振管长度）处的声场最强，是驻波的波腹，故在此处加工信号检测口，预安装mems声波传感器。为了避免池中气体流动所引起的噪声，将共振光声池的进气口和出气口设置在声场最弱处，即共振管两端。
24.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的一种具体实施方式，所述mems声波传感器包括mems膜片；所述mems膜片包括振动膜片以及设置于所述振动膜片周围的四个悬臂支架；所述振动膜片用于充当惯性质量块；四个所述悬臂支架用于起支撑作用。
25.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的其中一种实施方式，所述mems膜片包括依次设置的顶部硅层、sio2绝缘层及背衬底硅；所述顶部硅层的表面涂覆有铬金或者金层。
26.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的其中一种实施方式，所述振动膜片的加工方法包括：将顶部硅层置于所述sio2绝缘层上；用氢氧化钾对所述背衬底硅进行各向异性刻蚀，以打开悬浮mems膜片的背面，同时，顶部硅层通过一层热氧化物进行保护；通过各向同性蚀刻，对顶部硅层进行加工，制成四悬臂梁形状；使用10%氢氟酸缓冲腐蚀溶液对剩余结构进行腐蚀处理。
27.具体地，研制mems声波传感器的核心元件为mems膜片，由于光声信号声压作用，导致mems膜片发生形变微位移（δd），此振动系统可等效于单自由度的质量弹簧振动系统。为了精确测量mems膜片振动位移，通过对输出正交信号进行相位解调、信号细分，可以实现纳米甚至亚纳米级精度的位移测量。mems膜片主要由中心方形振动膜片以及周围四个悬臂支架构成，其中方形振动膜片充当惯性质量块，而起支撑作用的四个悬臂梁则相当于弹簧结构，即四粱加速度计。基于soi光刻技术，利用硅片制作光学mems膜片。soi基片的顶层硅为器件层，将其置于sio2绝缘层上，厚度约为3μm，作为下一步制作mems膜片的基底。背衬底硅片厚度约为380μm，作为支撑mems膜片的刚性结构。在整个制作过程中，共使用2个光刻掩模板。第一步，用氢氧化钾对背衬底硅进行各向异性刻蚀，以打开悬浮mems膜片的背面。在此过程中，顶层硅通过一层热氧化物进行保护。然后，通过各向同性蚀刻，对顶部硅层进行加工，制成四悬臂梁形状。接下来，使用10%氢氟酸缓冲腐蚀溶液对剩余soi结构进行腐蚀处理，最终获得自由振动硅mems膜片。如上所述，基于激光干涉仪的微位移检测技术，对mems膜片所反射回来的光信息量特别敏感，因此在最后一步中，在振动膜片的顶部涂敷一层薄铬/金层，以提高振动膜片的光反射率，继而优化声波mems声波传感器响应灵敏度。将芯片切成3x3（mm2）大小，并使用353nd环氧树脂粘合到共振光声池内部。
28.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测系统的其中一种实施方式，所述mems膜片通过环氧树脂粘合到共振光声池内部。
29.本技术还提供了一种精度多组分温室气体自动化实时监测方法，作为高精度多组分温室气体自动化实时监测方法的其中一种实施方式，该监测方法包括：根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。
30.作为高精度多组分温室气体自动化实时监测方法的其中一种实施方式，通过对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等，以使入射激光波长匹配各物质特征波长，实现单组分单谱线测量；使用最小二乘法对测量结果进行标定；根据吸收特征波长确定物质种类，由光声信号强度获得物质浓度信息。
31.综上，本技术的优势包括：利用微型光学mems声波传感器技术，将光声信号通过光纤传感方式进行探测，避免使用电子探测元件受环境因素影响大、抗电磁干扰弱等缺点。
32.集成优化设计一套共振式多相物质共振光声池与共振式mems声波传感器，二者共振频率相等且与光声信号频率一致，组成双共振增强型光声光谱检测系统。
33.需要说明的是：以上实施例仅用于说明本技术而并非限制本技术所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本技术已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本技术进行修改或者等同替换，而一切不脱离本技术的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，包括：共振光声池、光电探测器、锁相放大器、掺铒光纤放大器以及带宽可调谐激光器；所述光电探测器用于采集光声信号；所述掺铒光纤放大器的输入端与共振光声池相连接；所述光电探测器连接有mems声波传感器；所述锁相放大器的输入端与所述光电探测器的输出端相连接；所述锁相放大器的输出端用于与终端设备连接；所述带宽可调谐激光器的输入端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，所述带宽可调谐激光器的输出端用于与终端设备连接；其中，根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。2.根据权利要求1所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述共振光声池包括：共振管、气体缓冲室、窗片、进气口、出气口以及信号检测口；其中，所述共振光声池设置有腔体；所述共振管设置于所述腔体内；所述气体缓冲室成型于所述腔体中；所述共振管的两端分别设置有一所述气体缓冲室；所述信号检测口设置于所述共振管的中点位置；所述mems声波传感器安装于所述信号检测口；相较于所述共振管的中点，所述进气口更靠近所述共振管其中一端；相较于所述共振管的中点，所述出气口更靠近所述共振管另一端。3.根据权利要求2所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述共振光声池呈轴对称圆柱形。4.根据权利要求1所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述mems声波传感器包括mems膜片；所述mems膜片包括振动膜片以及设置于所述振动膜片周围的四个悬臂支架；所述振动膜片用于充当惯性质量块；四个所述悬臂支架用于起支撑作用。5.根据权利要求4所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述mems膜片包括依次设置的顶部硅层、sio2绝缘层及背衬底硅；所述顶部硅层的表面涂覆有铬金或者金层。6.根据权利要求5所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述振动膜片的加工方法包括：将顶部硅层置于所述sio2绝缘层上；用氢氧化钾对所述背衬底硅进行各向异性刻蚀，以打开悬浮mems膜片的背面，同时，顶部硅层通过一层热氧化物进行保护；通过各向同性蚀刻，对顶部硅层进行加工，制成四悬臂梁形状；使用10%氢氟酸缓冲腐蚀溶液对剩余结构进行腐蚀处理。
7.根据权利要求6所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测系统，其特征在于，所述mems膜片通过环氧树脂粘合到共振光声池内部。8.高精度多组分温室气体自动化实时监测方法，基于权利要求1-7任一项所述的系统，其特征在于，包括：根据所述共振光声池与所述mems声波传感器的频率响应特征及幅频特性，对所述共振光声池进行温度调控以使二者共振频率相匹配；对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等。9.根据权利要求8所述的高精度多组分温室气体自动化实时监测方法，其特征在于，通过对入射激光施加偏置电流，使所述光声信号的频率与所述共振光声池、mems声波传感器的共振频率相等，以使入射激光波长匹配各物质特征波长，实现单组分单谱线测量；使用最小二乘法对测量结果进行标定；根据吸收特征波长确定物质种类，由光声信号强度获得物质浓度信息。

技术总结
本申请涉及高精度多组分温室气体自动化实时监测系统及方法，涉及光声光谱的技术领域，其系统包括共振光声池、光电探测器、锁相放大器、掺铒光纤放大器以及带宽可调谐激光器；光电探测器用于采集光声信号；掺铒光纤放大器的输入端与共振光声池相连接；光电探测器连接有MEMS声波传感器；锁相放大器的输入端与光电探测器的输出端相连接；锁相放大器的输出端用于与终端设备连接；带宽可调谐激光器的输入端与掺铒光纤放大器的输出端连接，带宽可调谐激光器的输出端用于与终端设备连接。光器的输出端用于与终端设备连接。光器的输出端用于与终端设备连接。


技术研发人员：封磊 邹文 胡志勇
受保护的技术使用者：深圳市智多兴投控科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/8/13