一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，包括硬件系统、控制策略与反演算法。硬件系统包括微控制器、频率合成器、10路信号输出通道、加法器、石英音叉、信号调理电路、模数转换器；控制策略包括：1、生成10路正弦信号并叠加；2、将叠加后的信号输入至石英音叉，对石英音叉输出信号进行数据采集及频谱分析，分别记录频率f1+n

【技术实现步骤摘要】
一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法


[0001]本专利技术属于光声光谱(PAS)
，具体涉及一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法。

技术介绍

[0002]光声光谱是基于光声效应的一种吸收光谱技术，探测的是目标气体样品吸收的光能量，具有较好的长期稳定性以及优良的线性度。对比其他光谱仪器具有灵敏度高、体积小等特点，目前该技术已被广泛应用于环境检测、工业控制、医疗诊断等多个领域。
[0003]光声光谱技术通常对可调谐半导体激光器注入电流施加低频扫描信号以及高频调制信号，高频调制信号频率设置为石英音叉共振频率的一半，出射光束经过目标气体后聚焦于石英音叉之上。当目标气体分子的吸收波段位于激光器调谐范围内时，石英音叉产生共振信号。对石英音叉共振信号进行放大滤波及锁相检测则可得到气体吸收的二次谐波信号，从而反演得到目标气体的浓度信息。
[0004]其中石英音叉已广泛应用于光声光谱的信号检测，其共振频率受环境温度、气压、湿度等参数影响，在测量过程中需频繁对其共振频率进行标定。使用传统方法进行频率标定时，向石英音叉一引脚输入频率为f的正弦输入信号，从另一引脚测量输出信号，保持正弦信号幅值不变，不断改变输入正弦信号的频率，使其连续递增或递减Δf，记录输出正弦信号的幅值。若输出正弦信号幅值在频率f0处达到最大，则认为f0为石英音叉的共振频率。
[0005]由于石英音叉输出稳定共振信号需要一定响应时间，且对标定信号频率的改变以及信号采集处理均需耗费时间，因此如果在较大频率范围内对石英音叉进行精确的频率标定则需要耗费较长时间。针对于实时在线测量应用，在频率标定过程中存在遗漏重要测量数据的风险。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法，以实现石英音叉共振频率的快速测量，有助于保障光声光谱技术在实时在线测量中数据的连续性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，包括微控制器、频率合成器、10路信号输出通道、加法器、石英音叉、信号调理电路、模数转换器；
[0009]微控制器设置频率合成器输出信号的频率及初始相位，10路输出通道分别产生10路独立的正弦标定信号；
[0010]通过加法器将10路独立的正弦标定信号叠加，得到混频信号；
[0011]生成的混频信号输入至石英音叉，通过信号调理电路，对石英音叉的输出信号进行信号调理与信号采集。
[0012]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0013]进一步地，混频信号从石英音叉的某一引脚输入，并从另一引脚输出至信号调理电路；信号调理电路对石英音叉的输出信号进行放大、滤波处理后输入至模数转换器，采集得到的数据由微控制器进行数据分析处理。
[0014]进一步地，10路正弦信号在叠加之后的电压幅值不超过加法器的供电电源。
[0015]一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统的频率快速标定方法，包括以下步骤：
[0016]S1、通过频率合成器，产生10路独立的正弦标定信号；
[0017]S2、将10路独立的正弦标定信号叠加从而得到混频信号；
[0018]S3、将生成的混频信号输入至石英音叉，对石英音叉的输出信号进行信号调理与信号采集；
[0019]S4、对采集得到的信号进行频谱分析，分别记录频率f1+n
·
Δf1处的频谱强度A
1n
，f1为正弦中心频率，Δf1为频率递增值，n取值为整数；
[0020]S5、对频谱强度数据A
1n
进行洛伦兹线型拟合，计算拟合曲线的峰值对应的频率f
01
，f
01
为当前测得的中心共振频率；
[0021]S6、替换正弦中心频率为上一次测试的拟合曲线的峰值对应的频率结果，将频率递增值设置为上一次测试中频率递增值的1/10，重复步骤S1
‑
S5；
[0022]S7、若要继续提高共振频率测试精度，则在步骤S6完成后，不断重复步骤S6，直至满足测试精度需求。
[0023]进一步地，步骤S1中，10路独立的正弦标定信号频率依次递增。
[0024]进一步地，步骤S1中，每一路正弦信号表示为：
[0025][0026]其中，n取值为
‑
5至4之间的整数，为初始相位，t为时间。
[0027]进一步地，生成的10路正弦信号叠加后表示为：
[0028][0029]进一步地，步骤S2中，每一路正弦标定信号的幅值相等，初始相位相同。
[0030]进一步地，步骤S4中，f1取值为石英音叉的出厂共振频率值。
[0031]进一步地，步骤S6中包括，正弦信号的中心频率设置为上一次线型拟合计算得到的中心频率，频率递增值取值为上一次测试中频率递增值的1/10。
[0032]本专利技术的有益效果是：通过本专利技术的技术方案，与现有技术相比，本专利技术仅通过2～3次信号产生、数据采集与处理过程即可测得石英音叉的共振频率，且可保证测试频率精度高于0.01Hz，能够满足绝大部分光声光谱测量应用。该专利技术实现了石英音叉共振频率的快速标定，避免了由于石英音叉标定耗时过长导致的测量中断，有效地保证了光声光谱技术在工程应用中测量数据的连续性。
附图说明
[0033]图1是本专利技术的硬件系统框图。
[0034]图2是本专利技术的频率快速标定方法流程图。
[0035]图3是本专利技术幅频响应洛伦兹线型拟合示意图。
[0036]附图标记：1
‑
微控制器；2
‑
频率合成器；3
‑
10路信号输出通道；4
‑
加法器；5
‑
石英音叉；6
‑
信号调理电路；7
‑
模数转换器(ADC)。
具体实施方式
[0037]现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。
[0038]本专利技术提供了一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，包括硬件系统、控制策略与反演算法。硬件部分如图1所示，包括微控制器1、频率合成器2、10路信号输出通道3、加法器4、石英音叉5、信号调理电路6、模数转换器(ADC)7。微控制器1设置频率合成器2输出信号的频率及初始相位，使其10路输出通道3分别产生频率依次递增的正弦信号，10路正弦信号幅值相同，初始相位相同，并通过加法器4叠加形成混频信号。此处频率合成器电路及加法电路中的反馈电阻及电容需具有高精度、低温漂的特点，以确保10路信号幅值严格一致。同时需要限制10路正弦信号的幅值大小，使其在叠加之后的电压幅值不超过加法器4的供电电源，从而避免混频信号失真。混频信号从石英音叉5某一引脚输入，并从另一引脚输出至信号调理电路6，信号调理电路6对石英音叉5输出信号进行放大、滤波处理后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，其特征在于，包括微控制器、频率合成器、10路信号输出通道、加法器、石英音叉、信号调理电路、模数转换器；微控制器设置频率合成器输出信号的频率及初始相位，10路输出通道分别产生10路独立的正弦标定信号；通过加法器将10路独立的正弦标定信号叠加，得到混频信号；生成的混频信号输入至石英音叉，通过信号调理电路，对石英音叉的输出信号进行信号调理与信号采集。2.如权利要求1所述的石英音叉频率快速标定系统，其特征在于，混频信号从石英音叉的某一引脚输入，并从另一引脚输出至信号调理电路；信号调理电路对石英音叉的输出信号进行放大、滤波处理后输入至模数转换器，采集得到的数据由微控制器进行数据分析处理。3.如权利要求1所述的石英音叉频率快速标定系统，其特征在于，10路正弦信号在叠加之后的电压幅值不超过加法器的供电电源。4.一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统的频率快速标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过频率合成器，产生10路独立的正弦标定信号；S2、将10路独立的正弦标定信号叠加从而得到混频信号；S3、将生成的混频信号输入至石英音叉，对石英音叉的输出信号进行信号调理与信号采集；S4、对采集得到的信号进行频谱分析，分别记录频率f1+n
·
Δf1处的频谱强度A
1n
，f1为正弦中心频率，Δf1为频...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祥，贾志超，李新华，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：