基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法。本发明专利技术的目的是解决现有的气体检测装置及方法在气体检测过程中存在的探测周期长、探测灵敏度不高且需要频繁校准石英晶振电学参数的技术问题。本发明专利技术的技术方案是：一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，包括光声信号探测模块、气室、光源模块和数据采集模块；本发明专利技术通过探测石英音叉输出的压电信号与锁相放大器的解调信号经混频过程产生的拍频信号，可在毫秒量级的时间内精确获得石英晶振的电学参数以及待测气体的浓度，比现有技术中的石英增强光声光谱痕量气体检测装置快三个数量级，可用于环境监测、食品安全监测以及工业生产控制等领域的气体在线监测。

【技术实现步骤摘要】
基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法
本专利技术涉及气体传感技术，具体为一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法。
技术介绍
气态物质成分的精确测量在国防、航天、医疗、环境监测等各个领域都有着重要意义。光声光谱技术是一种发展较为成熟的气体检测技术，该技术由于具有零背景、对光源波长无选择性、探测灵敏度与光源功率成正相关等特性而被广泛应用。石英增强光声光谱技术是于2002年被美国莱斯大学Kosterev等人专利技术的一种新型光声光谱技术(专利说明书为USZOOS/0117155AI)。该技术采用价格低廉的音叉式石英晶振(简称：石英音叉)代替传统光声光谱技术中价格昂贵的宽带麦克风，作为光声转换器以完成微弱光声信号的检测。具体来讲，波长对应于目标气体吸收线的激励光的能量在被待测气体吸收后，有一部分会由于气体分子的碰撞退激发以声波的形式被释放出来，并且声波的频率与激励光的调制频率相同。因此当激励光源以石英音叉的共振频率被调制时，基于光声效应产生的声波会通过与石英音叉共振将能量转化为石英音叉振臂周期性振动的机械能。这部分机械能会由于石英材料的压电效应被转换为电信号并经由石英音叉底端的电极传输至电信号探测装置被探测。由于压电信号与气体浓度成正相关，因此对某种气体进行测量时，仅需事先通过已知浓度的该种气体对测量装置进行浓度标定，标定后的装置就能对该种气体进行测量。目前被广泛用于石英增强光声光谱传感器的石英音叉是具有高品质因素Q(常压下裸音叉的品质因数Q>10000)且标称频率(指晶体元件规范中所指定的频率)f0约为32.7kHz的商用石英音叉且石英音叉的振臂间隙约为0.3mm。如此高的品质因数使得该石英音叉具有极窄的频率响应区间(常压下，频率响应区间约为2Hz)。因此对石英增强光声光谱痕量气体检测装置而言，激励光源的调制频率必须与石英音叉的共振频率精确一致。然而，由于加工工艺、使用环境(包括气体成分、气体压强、环境温度等)、材料特性等因素的影响，石英音叉的实际共振频率很难与其标定的谐振频率长期保持一致。因此，石英增强光声光谱传感装置中石英音叉的共振频率必须被反复的、精确的测定，否则石英晶振将无法高效的对正比于气体浓度的光声信号产生响应。重复的频率测定过程不仅增加了装置的复杂程度及使用难度，也使石英增强光声光谱传感装置无法完成痕量气体的连续在线监测。另外，上述石英音叉的响应时间约为100ms，考虑数据采集及处理等必要相关测量过程，传统石英增强光声光谱痕量气体监测装置的响应周期至少为500ms，如此长的响应时间不能很好的满足当今社会各个领域对痕量气体实时高效检测的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有的气体检测装置及方法在气体检测过程中存在的探测周期长、探测灵敏度不高且需要频繁校准石英音叉电学参数的技术问题，提供一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，包括光声信号探测模块、气室、光源模块和数据采集模块；所述光声信号探测模块为音叉式石英晶振；所述气室的两侧壁上分别设有入射窗口和出射窗口，气室下端靠近入射窗口的一侧设有气体入口，气室上端靠近出射窗口一侧设有气体出口，所述光声信号探测模块通过支座竖直设置在气室的内腔中，所述气室的入射窗口和出射窗口位于同一光路上；所述光源模块包括激光光源、第一函数发生器、第二函数发生器和光束聚焦装置；第一函数发生器的信号输出端和激光光源的电流扫描输入端口相连；第二函数发生器的信号输出端与激光光源的电流调制输入端口相连，激光光源的出射光路上设有光束聚焦装置，激光光束通过光束聚焦装置后通过入射窗口入射进气室内的微型声音谐振腔中；所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器、锁相放大器、数据采集卡以及用于处理和记录相关数据并控制装置正常运转的计算机；所述跨阻抗前置放大器的一个信号输入端与音叉式石英晶振的一个电极连接，另一个信号输入端与音叉式石英晶振的另一个电极连接后接地；锁相放大器的信号输入端连接跨阻抗前置放大器的信号输出端，锁相放大器的同步信号输入端与第二函数发生器的同步输出信号端连接；数据采集卡的信号输入端连接锁相放大器的信号输出端，数据采集卡的RS232接口连接计算机的信号采集端口。进一步地，所述光声信号探测模块还包括与音叉式石英晶振相匹配的微型声音谐振腔，所述微型声音谐振腔与气室的入射窗口和出射窗口位于同一光路上；本专利技术还提供了一种使用基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置的气体检测方法，包括如下步骤：1)将待测气体连续不断的从气体入口充入气室中，并从气体出口流出；2)激光光源在第一函数发生器和第二函数发生器的驱动下发出激光光束，控制第一函数发生器的扫描电压幅值，使激光光源的输出中心波长达到所需值，且激光光源的输出波长扫描速率为18cm-1s-1～200cm-1s-1；控制第二函数发生器的调制信号频率，对激光光源的波长进行调制；所述第二函数发生器的调制信号频率f与音叉式石英晶振前一次测到的共振频率fi-1(第一次测量使用标称频率f0，下标i表示第i次测量)设定10-210Hz的频率差；3)调制后的激光光束在光束聚焦装置的作用下被聚焦整形，聚焦后的光束通过入射窗口进入气室内的光声信号探测模块中，并从出射窗口透出，激光与气室中的待测气体作用并产生光声信号，光声信号探测模块将该光声信号转换成频率为音叉式石英晶振共振频率fi的压电信号后经光声信号探测模块的音叉式石英晶振的电极传输给跨阻抗前置放大器；4)跨阻抗前置放大器将接收到的压电信号放大后传输至锁相放大器，锁相放大器以频率为f的解调信号对接收到的频率为fi的压电信号进行解调，解调后形成频率为Δfi(下标i表示第i次测量)拍频信号传输至数据采集卡中，所述锁相放大器的探测带宽为1kHz～100kHz；5)数据采集卡将采集到的拍频信号传输至装有LabView软件的计算机中进行运算处理后得到相应的拍频信号图谱，并通过LabView软件自动寻找拍频信号的各个波峰值，从所得拍频信号图谱上任取一个峰值点的信号值S，带入以下公式计算待测气体浓度值C，式中，C为待测气体浓度值；SN为本装置在高纯N2条件下的信号值；S1为本装置在浓度为C0的标准气体条件下相应峰值点的信号值；S为选取峰值点的信号值；C0为标准气体的浓度值。进一步地，所述锁相放大器对接收到的压电信号的解调为混频和滤波，压电信号经混频形成频率为Δfi的拍频信号再经滤波后传输至数据采集卡中。进一步地，还包括步骤6)：所述LabView软件自动寻找拍频信号的各个波峰值后，利用拍频信号的第一个波峰值、两相邻波峰值间的时间间隔以及对各个峰值点进行e指数拟合获得的拍频信号衰荡时间τ，根据公式Δfi＝|f-fi|计算石英音叉的本次测量实际共振频率fi；根据公式Q＝π·fi·τ计算石英音叉的品质因数Q，式中，Δfi为第i次测量的拍频信号的频率，f为第二函数发生器输出的调制信号的频率，fi为石英音叉第i次测量的实际共振频率，τ为拍频信号的衰荡时间，Q为石英音叉的品质因数，π为圆周率；循环步骤1-6，实现气体浓度的连续测量。本专利技术的有益效果是：1.与现有技术中的石英增强光声光谱痕量气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于：包括光声信号探测模块、气室(2)、光源模块和数据采集模块；所述光声信号探测模块为音叉式石英晶振(1)；所述气室(2)的两侧壁上分别设有入射窗口(21a)和出射窗口(21b)，气室(2)下端靠近入射窗口(21a)的一侧设有气体入口(22a)，气室(2)上端靠近出射窗口(21b)一侧设有气体出口(22b)，所述光声信号探测模块通过支座竖直设置在气室(2)的内腔中，所述气室的入射窗口(21a)和出射窗口(21b)位于同一光路上；所述光源模块包括激光光源(5)、第一函数发生器(6)、第二函数发生器(7)和光束聚焦装置(8)；第一函数发生器(6)的信号输出端和激光光源(5)的电流扫描输入端口相连；第二函数发生器(7)的信号输出端与激光光源(5)的电流调制输入端口相连，激光光源(5)的出射光路上设有光束聚焦装置(8)，激光光束通过光束聚焦装置(8)后通过入射窗口(21a)入射进气室(2)内的微型声音谐振腔(3)中；所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器(4)、锁相放大器(9)、数据采集卡(10)以及用于处理和记录相关数据并控制装置正常运转的计算机(11)；所述跨阻抗前置放大器(4)的一个信号输入端与音叉式石英晶振(1)的一个电极连接，另一个信号输入端与音叉式石英晶振的另一个电极连接后接地；锁相放大器(9)的信号输入端连接跨阻抗前置放大器(4)的信号输出端，锁相放大器(9)的同步信号输入端与第二函数发生器(7)的同步输出信号端连接；数据采集卡(10)的信号输入端连接锁相放大器(9)的信号输出端，数据采集卡(10)的RS232接口连接计算机(11)的信号采集端口。...

【技术特征摘要】
1.一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于：包括光声信号探测模块、气室(2)、光源模块和数据采集模块；所述光声信号探测模块为音叉式石英晶振(1)；所述气室(2)的两侧壁上分别设有入射窗口(21a)和出射窗口(21b)，气室(2)下端靠近入射窗口(21a)的一侧设有气体入口(22a)，气室(2)上端靠近出射窗口(21b)一侧设有气体出口(22b)，所述光声信号探测模块通过支座竖直设置在气室(2)的内腔中，所述气室的入射窗口(21a)和出射窗口(21b)位于同一光路上；所述光源模块包括激光光源(5)、第一函数发生器(6)、第二函数发生器(7)和光束聚焦装置(8)；第一函数发生器(6)的信号输出端和激光光源(5)的电流扫描输入端口相连；第二函数发生器(7)的信号输出端与激光光源(5)的电流调制输入端口相连，激光光源(5)的出射光路上设有光束聚焦装置(8)，激光光束通过光束聚焦装置(8)后通过入射窗口(21a)入射进气室(2)内的微型声音谐振腔(3)中；所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器(4)、锁相放大器(9)、数据采集卡(10)以及用于处理和记录相关数据并控制装置正常运转的计算机(11)；所述跨阻抗前置放大器(4)的一个信号输入端与音叉式石英晶振(1)的一个电极连接，另一个信号输入端与音叉式石英晶振的另一个电极连接后接地；锁相放大器(9)的信号输入端连接跨阻抗前置放大器(4)的信号输出端，锁相放大器(9)的同步信号输入端与第二函数发生器(7)的同步输出信号端连接；数据采集卡(10)的信号输入端连接锁相放大器(9)的信号输出端，数据采集卡(10)的RS232接口连接计算机(11)的信号采集端口。2.根据权利要求1所述的一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，其特征在于：所述光声信号探测模块还包括与音叉式石英晶振(1)相匹配的微型声音谐振腔(3)，所述微型声音谐振腔(3)与气室的入射窗口(21a)和出射窗口(21b)位于同一光路上。3.一种使用权利要求1或2所述的基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置的气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将待测气体连续不断的从气体入口(22a)充入气室(2)中，并从气体出口(22b)流出；2)激光光源(5)在第一函数发生器(6)和第二函数发生器(7)的驱动下发出激光光束，调节第一函数发生器(6)的扫描电压幅值，使激光光源(5)的输出中心波长达到所需值，且激光光源(5)的输出波长扫描速率为18...

【专利技术属性】
技术研发人员：董磊，武红鹏，弗兰克·蒂特尔，肖连团，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14