一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法，其特征在于，包括波长可调谐激光器、光纤隔离器、光纤功率放大器、准直器、反射镜、样品池、聚焦透镜、石英音叉、转换电路、低噪声前置放大器、数据采集卡、激光器控制器、计算机控制单元。本发明专利技术以石英音叉作为光热信号探测器，设计了一种新型激光器调制信号和波长调制解调算法，使得单个音叉同时获取一次谐波和二次谐波信号，实现基于石英音叉的免校准波长调制光谱测量。本发明专利技术能避免基于石英音叉的光谱测量系统中光强抖动、气流干扰、系统机械振动等干扰，从而提高系统在实际应用中的稳定性和探测灵敏度。实际应用中的稳定性和探测灵敏度。实际应用中的稳定性和探测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光光谱和光电检测
，具体为一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法。

技术介绍

[0002]石英晶振因其体积小、功耗低和高频率稳定性被广泛用作应力传感器、压力传感器和温度传感器等。近年来，在光谱学领域，石英晶振去掉外壳后，其内部的石英音叉作为新型声信号传感器和光电探测器而广泛应用于痕量气体检测等。由于石英音叉具有价格便宜，具有宽广的波长响应范围等优势，基于石英音叉的激光光谱技术得到了迅猛发展。随着石英音叉光谱技术的发展，基于石英音叉的多组分气体激光光谱检测方法受到越来越多光谱学者们的关注。总体而言，石英音叉作为光电探测器用于吸收光谱已成为当前的研究热点。虽然石英音叉微小的体积使其在微型化气体传感器应用方面具有独特的优势，然而，石英音叉具有的最佳响应位置特性使得实际应用中很难保证入射光束长期固定在最佳激发位置。此外，石英音叉的光电转化效率与入射光光强具有一定的依赖性。实际应用中入射光强抖动或激发光源自身不稳定造成的光强的变化、外部环境的气流扰动、实验系统的振动等不可控环境因素的干扰，严重影响了基于石英音叉吸收光谱或光声光谱系统信号的稳定性，进而直接影响基于石英音叉光谱系统的探测精度和检测灵敏度。基于石英音叉光声光谱技术，由于该技术是一种间接的光谱方法，需要通过已知标样对光声光谱系统进行校准获取校准曲线后，才能反演出未知气体的浓度。然而光声光谱技术对入射光光强的线性依赖性，当入射光源的自身功率发生改变时，必然使得校准曲线的准确度降低。
[0003]针对上述基于石英音叉光谱技术中面临的几个关键技术问题，本专利提出一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测技术，利用两个不同调制频率信号的叠加信号调制光谱系统中的激发光源，结合石英音叉自身的谐振特性和压电效应，以及适当的信号提取算法，同时获得一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，从而提出一种基于2f/1f归一化的石英音叉免校准波长调制光谱技术。该光谱技术能有效抑制激发光源光强波动的影响，对提高光谱系统检测稳定性和测量精度具有非常好的改善效果。

技术实现思路

[0004]针对现有基于石英音叉光谱技术中的不足之处，本专利技术提出了一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法。
[0005]为实现以上技术目的,本专利技术的技术方案是按以下方式实现的：
[0006]一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，包括：波长可调谐激光器、光纤隔离器、光纤功率放大器、准直器、反射镜、样品池、聚焦透镜、石英音叉、转换电路、低噪声前置放大器、数据采集卡、激光器控制器、计算机控制单元。
[0007]所述计算机控制单元的信号输出端与数据采集卡连接，所述数据采集卡的信号输出端与激光器控制器连接，所述激光器控制器输出端与可调谐激光器连接；所述可调谐激
光器的出射端与光纤隔离器的输入端连接；所述光纤隔离器的输出端与光纤功率放大器连接；所述光纤功率放大器输出端与准直器连接；所述准直器的出射光经过反射镜后进入样品池；所述样品池的出射光后设置有聚焦透镜，所述聚焦透镜后焦点处设置有石英音叉。所述石英音叉与转换电路的信号输入端连接，所述转换电路的信号输出端与低噪声前置放大器输入端连接，所述低噪声前置放大器的信号输出端接入数据采集卡，所述数据采集卡的输出端连接计算机控制单元。
[0008]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述可调谐激光器的中心波长依据待检测气体分子的种类而定。
[0009]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述的样品池可以为单通池或多通池。
[0010]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述激光打在石英音叉的位置不固定，可以在能引起音叉响应的任意位置处，无需精确的光学对准。
[0011]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块。
[0012]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述数字信号输出模块输出的信号为多频叠加数字信号。
[0013]进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述输出的叠加的多个信号频率分别为f1＝32758Hz,f2＝16380Hz。其中f1与2f2的频率数值间隔2Hz。
[0014]进一步地，所述的基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0015][01]计算机控制单元Labview软件编写的数字信号输出模块输出由两个频率叠加的混频调制信号通过数模转换模块变成模拟信号，其中一个频率为音叉中心频率，另一个频率为与中心频率间隔2Hz的频率的一半。再经过激光器控制模块输入可调谐激光器，实现激光器波长调谐和调制输出；
[0016][02]可调谐激光器发出的调制光通过光纤隔离器隔离后进入光纤功率放大器，再经过准直器准直后输出。
[0017][03]经准直器输出的出射光经过反射镜进入样品池内，样品池的出射光经过聚焦透镜聚焦，入射到石英音叉表面，由于调制信号的光热诱导和频率匹配进而引起石英音叉共振；
[0018][04]石英音叉因其压电效应产生压电电流，压电电流输入到转换电路转换为电压信号，再输入到低噪声前置放大器进行放大和降噪；
[0019][05]低噪声前置放大器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将信号输入到计算机控制单元中Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块，进行相关处理；
[0020][06]基于Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块首先对音叉的原始时域信号进行快速傅里叶变换得到对应的频域信号，实现两个频率信号的识别和分离，然后对两个频率的信号分别解调由气体吸收所产生的一次谐波(1f)和二次谐波信号(2f)。
[0021][07]将实时解调的二次谐波和一次谐波信号进行比值得到2f/1f光谱信号。
[0022][08]最后，结合吸收光谱满足的Lamber
‑
Beer定律或光谱信号与气体浓度之间的校正曲线，及其他相关物理量信息(温度、压力、吸收线强等)，即可实现石英音叉免校准波长调制光谱检测。
[0023]免校准波长调制光谱技术原理分析：
[0024]在波长调制光谱技术中，激光通过样品吸收池后的透射光强I
t
与入射光强I0遵循Beer
‑
Lambert定律并展开为傅里叶余弦级数：
[0025]式中，τ(v)称为透射率，N为每立方厘米待测气体分子个数，σ(v)为吸收横截面，v为中心波数，p为吸收池内压强，S(T)为对应温度下单位压强的分子谱线吸收强度。L为有效光程χ为待测分子体积分数，为吸收谱线线型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，该装置包括波长可调谐激光器(1)、光纤隔离器(2)、光纤功率放大器(3)、准直器(4)、反射镜(5)、样品池(6)、聚焦透镜(7)、石英音叉(8)、转换电路(9)、低噪声前置放大器(10)、数据采集卡(11)、激光器控制器(12)、计算机控制单元(13)；所述计算机控制单元(13)的信号输出端与数据采集卡(11)连接，所述数据采集卡(11)的信号输出端与激光器控制器(12)输入端连接，所述激光器控制器(12)输出端与可调谐激光器(1)输入端连接；所述可调谐激光器(1)的出射光与光纤隔离器(2)的输入端连接；所述光纤隔离器(2)的输出端与光纤功率放大器(3)连接；所述光纤功率放大器(3)的输出端与准直器(4)连接；所述准直器(4)的出射光经过反射镜(5)后进入样品池(6)；所述样品池(6)的出射光后设置有聚焦透镜(7)，所述聚焦透镜(7)后焦点处设置有石英音叉(8)；所述石英音叉(8)与转换电路(9)的信号输入端连接，所述转换电路(9)的信号输出端与低噪声前置放大器(10)的输入端连接，所述低噪声前置放大器(10)的信号输出端接入数据采集卡(11)，所述数据采集卡(11)的输出端连接计算机控制单元(13)。2.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述可调谐激光器(1)的中心波长依据待检测气体分子的种类而定，所述的样品池(6)可以为单通池或多通池。3.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述激光打在石英音叉的位置无需精确的光学对准。4.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(13)包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块。5.根据权利要求4所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述数字信号输出模块输出的信号为多频叠加数字信号。6.根据权利要求5所述的一种基于石英音叉的免校准波长...

【专利技术属性】
技术研发人员：李劲松，许林广，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：