一种多组分痕量气体传感器检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多组分痕量气体传感器检测系统及其检测方法，第一光源驱动器分别与第一激光器、第三激光器相连，第二光源驱动器分别与第二激光器、第四激光器相连；第一耦合器的一端分别与第一激光器、第三激光器相连，另一端与光声气室的一端相连；第二耦合器的一端通过光纤分别与第二激光器、第四激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的另一端相连；在所述光声气室中产生的信号通过微音器与前置放大器的输入端相连，前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连；信号发生器的调制信号输出端分别与第一光源驱动器和第二光源驱动器的调制信号输入端相连，锁相放大器的信号输出端和数据采集器相连，数据采集器的输出端与计算机系统相连。

A multi-component trace gas sensor detection system and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种多组分痕量气体传感器检测系统及其检测方法
本专利技术涉及气体检测系统
，具体地涉及一种多组分痕量气体传感器检测系统。本专利技术还涉及一种多组分痕量气体传感器检测系统的检测方法。
技术介绍
随着社会的进步和发展，人们的环保意识越来越强，环境问题也就变得尤为重要。气体检测作为环境监测的重要部分，当然也就受到了广泛关注。气体检测技术不仅可以应用在大气的气体检测中，更能够应用在人类日常生活、工业发展以及航空航天技术当中。尤其是近年来，出现的运用光声光谱的方法来检测多组分的痕量气体，使得气体检测技术有了明显的提高。运用该技术检测气体，提高了气体检测的稳定性同时提高了检测气体的效率。传统的光声光谱技术是在光声效应的基础上实现的，通过光声效应对实验结果中的吸收光谱进行分析，进而检测出气体的幅值和浓度。因现有的技术虽然能检测出气体，但是检测的效率还比较低而且每次实验能检测出的气体的种类也是非常受限的。因此，想到了通过频分复用和时分复用相结合的光声光谱的技术来实现对多组分痕量气体的检测。运用频分复用的技术可以有效的缩短检测的时间，在相同的时间内检测多种痕量气体；而运用时分复用的技术则可以将检测出的多种痕量气体的二次谐波信号同时显示出来，增强了气体吸收过程中声波信号，进一步提高检测的极限。
技术实现思路
为解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术提供了一种多组分痕量气体传感器检测系统，本专利技术运用了频分复用与时分复用相结合的技术，使用不同的调制频率以及更少的锁相放大器和驱动器，能够同时检测出四种痕量气体。而且还可以同时输出四种痕量气体信号的二次谐波。相比与传统多组分气体检测，使用了更少的仪器检测出了更多种类的气体，缩短了气体检测的时间，提高了检测效率。本专利技术还提供了一种多组分痕量气体传感器检测系统的检测方法。为实现上述技术目的，本专利技术所采取的技术方案是：一种多组分痕量气体传感器检测系统，包括第一光源驱动器、第二光源驱动器、第一耦合器、第二耦合器、第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、光声气室、前置放大器、数据采集器、锁相放大器、信号发生器以及计算机系统，所述第一光源驱动器分别与第一激光器、第三激光器相连，所述第二光源驱动器分别与第二激光器、第四激光器相连；所述第一耦合器的一端通过光纤分别与第一激光器、第三激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的一端相连；所述第二耦合器的一端通过光纤分别与第二激光器、第四激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的另一端相连；在所述光声气室中产生的信号通过微音器与前置放大器的输入端相连，所述前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连；所述信号发生器的调制信号输出端分别与第一光源驱动器和第二光源驱动器的调制信号输入端相连，所述锁相放大器的信号输出端和数据采集器相连，数据采集器的输出端与计算机系统相连。进一步的，所述光声气室内部设置有缓冲室和共振腔，所述光声气室是一种通过光声效应产生声波进而对声波进行放大滤波的一种装置，光声气室的一端设置有第一准直器，另一端设置有第二准直器，所述第一激光器、第三激光器的信号经过第一耦合器耦合处理后通过第一准直器进入缓冲室，然后再进入共振腔；所述第二激光器、第四激光器的信号经过第二耦合器耦合处理后通过第二准直器进入缓冲室，然后再进入共振腔；所述光声气室的上方还设有进气口和出气口。进一步的，所述微音器设置在光声气室的下方声波波腹处，通过光纤与前置放大器相连接，微音器的信号经过前置放大器放大处理后输出进入锁相放大器的信号输入端。进一步的，所述第一、第二、第三、第四激光器均为分布反馈半导体激光器。一种多组分痕量气体传感器检测系统的检测方法，包括以下步骤：打开电源，通过光源驱动器分别给第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器供电，分别打开第一激光器、第三激光器和第二激光器、第四激光器；第一激光器和第三激光器发射的激光经过第一耦合器进行光耦合之后再通过第一准直器进入光声气室，同时第二激光器和第四激光器发射的激光经过第二耦合器进行光耦合之后再通过第二准直器进入光声气室，然后通过频分复用的方法对四种不同的气体进行检测；打开电源的同时，通过进气口从外界输入已配置好浓度的多组分痕量气体，气体通过缓冲室进入共振腔，与激光在共振腔发生光声效应，在光声气室中由光声效应产生的声波在共振腔中形成驻波的形式，然后二次谐波光声信号可以通过驻波的放大作用在共振腔中获得共振加强；从光声气室中得到的二次谐波光声信号通过微音器将信号收集起来，通过前置放大器将光声气室中产生的微弱的压电信号进行放大转为谐波电压，然后经过锁相放大器进行检测，解调信号，最后通过数据采集器将信号采集出来，通过计算机系统进行数据的处理后将结果显示出来。进一步的，所述光声气室可根据共振腔的大小、长度等参数计算出共振腔的固有谐振频率，在对信号发生器中的正弦信号设置调制频率时，应考虑共振腔的固有频率，当二倍的调制频率恰好可以在共振腔内产生谐振时，二次谐波在光声气室中放大效果最好。进一步的，运用时分复用的方法，把信号发生器的调制频率设定为f1、f2,将信号发生器中调制频率为f1的正弦信号与锯齿波进行叠加，作为第一激光器的驱动信号，将信号发生器中调制频率为f1的正弦信号与延迟半个周期后的锯齿波进行叠加，作为第三激光器的驱动信号；同理，将信号发生器中调制频率为f2的正弦信号与锯齿波进行叠加，作为第二激光器的驱动信号，将信号发生器中调制频率为f2的正弦信号与延迟半个周期后的锯齿波进行叠加，作为第四激光器的驱动信号。进一步的，通过所述第一耦合器连接的第一激光器、第三激光器与通过所述第二耦合器连接的第二激光器、第四激光器运用频分复用的技术分别从光声气室的左右两侧进行光路的射入。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术运用了时分复用的技术可以有效的缩短检测的时间，在相同时间的情况下，运用时分复用的技术可以输出两种不同气体浓度对应的光声信号的二次谐波，因此，在相同的时间和频率内可以检测多种痕量气体。(2)本专利技术运用频分复用的技术则则可以同时检测出多种痕量气体，在气体吸收过程中增强声波信号，进一步提高检测的极限。基于频分复用的光声光谱痕量双组分气体传感器具有稳定性好、检测精度高、结构简单、制造和维护成本低等优点，可广泛应用于各个领域。(3)本专利技术运用时分复用和频分复用相结合的方法，可以结合两种技术的优点，提高系统检测痕量气体的效率，实用价值更高。附图说明图1为本专利技术实施例中的结构示意图。图2为本专利技术工作原理波形图。图中：1-第一光源驱动器、2-第二光源驱动器、3-第一耦合器、4-第二耦合器、5-第一激光器、6-第二激光器、7-第三激光器、8-第四激光器、9-光声气室、10-前置放大器、11-数据采集器、12-锁相放大器、13-信号发生器、14-计算机系统、15-微音器、16-缓冲室、17-共振腔、18-第一准直器、19-第二准直器、20-进气口、21-出气口。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多组分痕量气体传感器检测系统，包括第一光源驱动器、第二光源驱动器、第一耦合器、第二耦合器、第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、光声气室、前置放大器、数据采集器、锁相放大器、信号发生器以及计算机系统，其特征在于：所述第一光源驱动器分别与第一激光器、第三激光器相连，所述第二光源驱动器分别与第二激光器、第四激光器相连；所述第一耦合器的一端通过光纤分别与第一激光器、第三激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的一端相连；所述第二耦合器的一端通过光纤分别与第二激光器、第四激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的另一端相连；在所述光声气室中产生的信号通过微音器与前置放大器的输入端相连，所述前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连；所述信号发生器的调制信号输出端分别与第一光源驱动器和第二光源驱动器的调制信号输入端相连，所述锁相放大器的信号输出端和数据采集器相连，数据采集器的输出端与计算机系统相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种多组分痕量气体传感器检测系统，包括第一光源驱动器、第二光源驱动器、第一耦合器、第二耦合器、第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、光声气室、前置放大器、数据采集器、锁相放大器、信号发生器以及计算机系统，其特征在于：所述第一光源驱动器分别与第一激光器、第三激光器相连，所述第二光源驱动器分别与第二激光器、第四激光器相连；所述第一耦合器的一端通过光纤分别与第一激光器、第三激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的一端相连；所述第二耦合器的一端通过光纤分别与第二激光器、第四激光器相连，另一端通过光纤与光声气室的另一端相连；在所述光声气室中产生的信号通过微音器与前置放大器的输入端相连，所述前置放大器的输出端与锁相放大器的输入端相连；所述信号发生器的调制信号输出端分别与第一光源驱动器和第二光源驱动器的调制信号输入端相连，所述锁相放大器的信号输出端和数据采集器相连，数据采集器的输出端与计算机系统相连。


2.根据权利要求1所述的多组分痕量气体传感器检测系统，其特征在于：所述光声气室是一种通过光声效应产生声波进而对声波进行放大滤波的一种装置，光声气室内部设置有缓冲室和共振腔，光声气室的一端设置有第一准直器，另一端设置有第二准直器，所述第一激光器、第三激光器的信号经过第一耦合器耦合处理后通过第一准直器进入缓冲室，然后再进入共振腔；所述第二激光器、第四激光器的信号经过第二耦合器耦合处理后通过第二准直器进入缓冲室，然后再进入共振腔；所述光声气室的上方还设有进气口和出气口。


3.根据权利要求1所述的多组分痕量气体传感器检测系统，其特征在于：所述微音器设置在光声气室的下方声波波腹处，通过光纤与前置放大器相连接，微音器的信号经过前置放大器放大处理后输出进入锁相放大器的信号输入端。


4.根据权利要求1所述的多组分痕量气体传感器检测系统，其特征在于：所述第一、第二、第三、第四激光器均为分布反馈半导体激光器。


5.一种多组分痕量气体传感器检测系统的检测方法，包括以下步骤：
打开电源，通过光源驱动器分别给第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器供电，分别打开第一激光器、...

【专利技术属性】
技术研发人员：田存伟，于元芳，钱思宇，王宗良，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37