本发明专利技术涉及气体传感技术，具体为一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置及方法。解决了目前光声光谱测声装置采用光束质量较差的光源时系统背景噪声难以除去的技术问题。一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置，包括一个光谱测声装置；所述光谱测声装置包括一个微型气室以及设在微型气室内部的石英增强光声光谱传感组件；所述石英增强光声光谱传感组件包括有一个音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振的第一引脚通过信号衰减器连接到双通道函数发生器的一个调制信号输出端，双通道函数发生器的另一个调制信号输出端连接有LED光源驱动板，LED光源驱动板驱动一个LED光源；所述光谱测声装置位于透镜组的出射光路上。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及气体传感技术，具体为一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置及方法。解决了目前光声光谱测声装置采用光束质量较差的光源时系统背景噪声难以除去的技术问题。一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置，包括一个光谱测声装置；所述光谱测声装置包括一个微型气室以及设在微型气室内部的石英增强光声光谱传感组件；所述石英增强光声光谱传感组件包括有一个音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振的第一引脚通过信号衰减器连接到双通道函数发生器的一个调制信号输出端，双通道函数发生器的另一个调制信号输出端连接有LED光源驱动板，LED光源驱动板驱动一个LED光源；所述光谱测声装置位于透镜组的出射光路上。【专利说明】基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置及方 法
本专利技术涉及气体传感技术，具体为一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气 体探测装置及方法。
技术介绍
近年来，光声光谱技术作为一种新型光谱探测技术以其零吸收背景，高探测灵敏 度，探测器件没有波长选择选择性等优点被广泛运用于工业控制、农业生产、航空航天检测 等各个行业。当一束被调制的激光穿过待测样品时，若光源的发射波长与样品的吸收线波 长相吻合时，激光能量就会被样品吸收。吸收了光能量的样品分子被激发到激发态，然后由 于激发态的不稳定性会产生碰撞退激发而引起样品周围的气体温度局部升高和降低，进而 产生压力波向四周传递，此压力波即为声波。通过声波换能器探测声波压力而转化为电信 号就能反演出吸收气体的浓度。 传统的常用光声光谱声波换能器为高灵敏度宽带麦克风，它的缺点是麦克风过宽 的响应带宽使得环境噪声容易被带入到探测系统中。2002年美国RICE大学的FRANK教 授研究小组发展了一种新型石英增强光声光谱探测技术（QEPAS)，该技术采用一个商用的 32768音叉式石英晶振来代替传统的宽带麦克风来充当声波换能器。音叉式石英晶振的 工作原理是压电效应，当该音叉式石英晶振的两支振臂受到声波的推动时音叉式石英晶振 输出电流，然后用前置放大器将电流提取出来，再通过信号后处理反演出所需的气体浓度 信号。这种音叉式石英晶振有三个优点：第一，它只在固定的频率32768 Hz附近有响应， 对其它频段的声音的响应非常微弱，这就造就了基于音叉式石英晶振的传感器有极高的环 境噪声免疫能力；第二，它拥有极高的Q值，高Q值在光声光谱技术中意味着更高的信号峰 值；第三，音叉式石英晶振只有在对称振动模式(音叉的两只振臂向相反的方向做往复运 动)下才能产生电流，因此这更进一步减小了来自音叉外部的噪声声波干扰。目前国际上流 行的QEPAS传感组件配置有两种方式：一、共轴配置（on-beam)，在音叉式石英晶振的两侧 安装两支不锈钢毛细管作为声学谐振腔，以此来积累声波，使声学谐振腔与音叉共振耦合， 以此来提高传感器的探测灵敏度。共轴配置的QEPAS传感组件的优点是，相比于无谐振腔 的单个音叉能显著地提高灵敏度达30倍，缺点是两侧的谐振腔增加了对光束质量的要求， 加大了准直难度，光束质量很差的光源很难用在共轴配置的QEPAS传感组件中；二、离轴配 置（off-beam)，在音叉式石英晶振的一侧放置一根侧面开口的不锈钢毛细管作为声学谐振 腔，让音叉振臂间隙紧贴住声学谐振腔的开口处，以此来使音叉和声学谐振腔相互耦合来 提高探测灵敏度。离轴配置的QEPAS传感组件的优点是光束不需穿过音叉振臂间隙，只需 要穿过声学谐振腔即可(谐振腔内径一般大于音叉振臂间隙的尺寸)，降低了传感组件对于 光束质量的要求，缺点是其探测灵敏度相比于共轴配置大打折扣。 由于光声光谱中传感器探测的是声波，和其它光学技术相比，对声波的探测没有 波长选择性，所以在做不同类别样品探测时，只需要更换对应于该样品吸收波长的光源即 可，不需要更换对应的探测器。石英增强光声光谱技术自发展以来已经被用于多种不同吸 收波段的气体检测，可以采用的光源有近红外波段DFB激光器、中红外波段量子级联激光 器、光学参量振动器等。近年来迅猛发展的LED光源具有性价比高，功率高，体积小，寿命长 等特点，因此有人提出用LED作为激发光源结合QEPAS技术来进行气体探测。这进一步降 低了基于QEPAS技术的痕量气体传感器的成本，但是相比于激光，LED属于宽带光源，波长 无法调谐，光束相干性较差，并且光束质量较差，一般情况下有很大的发散角，因此LED在 用于QEPAS传感器中作为光源时必须做严格光束整形和空间滤波。就目前的科研情况，即 使有光束整形，同时采用对光束质量要求较低的离轴配置的QEPAS传感组件，还是不能完 全避免LED杂散光引起的背景噪声。特别是当LED发射功率较大时，强杂散光散射到音叉 上会带来严重的背景噪声，极大地破坏了传感器的探测灵敏度。 国际上有人提出了一种光学调制相消技术来对QEPAS传感器进行背景噪声补偿。 光学调制相消技术的原理是采取一个波长远离待测气体目标吸收线的光源做为平衡光源 来平衡背景噪声。探测时，平衡光源和激发光源同时作用到QEPAS传感组件上，平衡光源和 激发光源具有类似的光束质量和光场分布，因此对平衡光源强度调制时也会使传感器引起 类似的背景噪声。当两个光源受到同频率，但是相位差为180°的强度调制时，两个光源引 起的背景噪声相互抵消。光学调制相消技术可以有效的抑制背景噪声，但它需要同时使用 两台光源，并且需要复杂的锁定系统，所以这一方法增加了 QEPAS传感器的成本。 因此在采用光束质量较差的光源时，尤其是高功率LED时，如何降低系统背景噪 声，提高信噪比，但又不增加系统的复杂性，成了必须要解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术为解决目前光声光谱测声装置采用光束质量较差的光源时系统背景噪声 难以除去的技术问题，提供一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置及方 法。 本专利技术所述基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置是采用以下技 术方案实现的：一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置，包括一个光谱 测声装置；所述光谱测声装置包括一个微型气室以及设在微型气室内部的石英增强光声光 谱传感组件；所述石英增强光声光谱传感组件包括有一个音叉式石英晶振；所述音叉式石 英晶振的第一引脚通过信号衰减器连接有双通道函数发生器的一个调制信号输出端，双通 道函数发生器的另一个调制信号输出端连接有LED光源驱动板，LED光源驱动板驱动一个 LED光源；所述LED光源的出射光路上设有透镜组；所述光谱测声装置位于透镜组的出射光 路上；音叉式石英晶振的第二引脚通过前置放大器连接有一个锁相放大器；还包括带有数 据采集卡的计算机；锁相放大器的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数 据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；所述双通道函数发生器的同步信号 输出端与锁相放大器的同步信号输入端相连接。 石英增强光声光谱系统中被强度调制的激发光可以用如下表达式表达： 【权利要求】1. 一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置，包括一个光谱测声装置 (5);所述光谱测声装置（5)包括一个微型气室（56)以及设在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于LED光源并采用电学调制相消法的气体探测装置，包括一个光谱测声装置（5）；所述光谱测声装置（5）包括一个微型气室（56）以及设在微型气室（56）内部的石英增强光声光谱传感组件（55）；所述石英增强光声光谱传感组件（55）包括有一个音叉式石英晶振；其特征在于，所述音叉式石英晶振的第一引脚（12）通过信号衰减器（11）连接有双通道函数发生器（1）的一个调制信号输出端，双通道函数发生器（1）的另一个调制信号输出端连接有LED光源驱动板（2），LED光源驱动板（2）驱动一个LED光源（3）；所述LED光源（3）的出射光路上设有透镜组（4）；所述光谱测声装置（5）位于透镜组（4）的出射光路上；音叉式石英晶振的第二引脚（13）通过前置放大器（14）连接有一个锁相放大器（15）；还包括带有数据采集卡的计算机（16）；锁相放大器（15）的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；所述双通道函数发生器（1）的同步信号输出端与锁相放大器（15）的同步信号输入端相连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑华丹，董磊，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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