一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置及方法，其中，所述装置包括：锁相放大器、数据采集卡、计算处理单元、激光器驱动器、激光器、电光调制器、准直器、俯仰调整架、光声池、无膜光学麦克风和温度控制器。利用扫频调制同时实现了传统测量中正弦信号叠加锯齿信号的复杂调制的功能，降低了对调制信号的要求，数据采集卡输出的扫频正弦信号的频率范围可调，可在大范围内进行调制。可在大范围内进行调制。可在大范围内进行调制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及光声光谱气体检测
，尤其涉及一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置及方法。

技术介绍

[0002]痕量气体检测已经广泛应用于环境污染监测、工业生产和排放测量、医学诊断、农业和食品安全等领域；光声光谱技术因其高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点成为痕量气体检测领域的一个重要分支。作为光声光谱系统核心的光声池，直接决定了气体检测的准确性和检测限；然而实际使用的光声池的共振特性与理论设计的参数往往具有一定的偏差；加工误差、微音器的安装误差以及环境温度变化都会影响光声池的共振特性，如共振峰的偏移、共振信号幅值变化等。测量光声池的共振特性可以评价光声池的设计和加工装配效果，还可以对光声池进行标定，提高测量准确性。因此，测量每个光声池的共振特性十分重要。
[0003]传统的测量光声池共振特性的方法是使用光声光谱系统测量不同频率处光声信号的幅值，对数据点进行拟合得到光声池的共振特性曲线。这种测量方式费时费力，如果加工效果较差，还需要多轮测试，先大范围测量，确定共振峰的大概位置，再精细的测量，得到共振特性曲线。虽然测量结果较为精准，但是费时费力的数据测量以及繁琐的数据处理不利于光声池的大规模生产和使用过程中的校准。如中国专利CN112834430A公开了一种基于光声池声脉冲激励的气体检测装置及方法，以偏离光声池共振频率的频率对激励光源进行调制，通过测量拍频信号计算共振峰中心频率，并根据多次测量数据拟合计算衰减常数得到品质因数，但是该方法为了保证拍频的产生，需要预先知道出厂时的标称共振频率，且只能在偏离标称共振频率10
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200Hz的范围内进行调制；另外，其也没有考虑到环境温度对测量结果的影响，而在许多应用场景中，气体浓度的检测往往与温度有着强耦合关系，在这些场合下，气体浓度的检测会在一个宽温区内进行，将温度作为扰动，会从气体谱线展宽、光声信号、光声效应、声学传声器等方面影响光声光谱系统的测量，对于温度的测量能够对测量结果进行校准，提高测量精准度。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置及方法，以解决现有的测量光声池共振特性的方法为了保证拍频的产生，需要预先知道出厂时的标称共振频率，且只能在小范围内进行调制的问题。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术提供了一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其中，所述装置包括：锁相放大器、数据采集卡、计算处理单元、激光器驱动器、激光器、电光调制器、准直器、俯仰调整架、光声池、无膜光学麦克风和温度控制器；所述数据采集卡，与所述锁相放大器和电光调制器电性连接，用于向电光调制器
输出扫频正弦信号，向锁相放大器输出二倍频扫频正弦信号；所述激光器驱动器，与所述激光器电性连接，用于驱动激光器形成稳定的激光输出，且使激光波长位于测量气体吸收谱线的中心；所述电光调制器，与所述激光器连接，用于根据数据采集卡输出的扫频正弦信号对激光器输出的激光进行强度调制；所述准直器，与所述电光调制器连接，用于对电光调制器输出的调制激光进行准直；所述俯仰调整架，与所述准直器转动连接，用于支撑准直器，并通过俯仰调节对调制激光的输出光路进行校准；所述光声池，用于通入测量气体，并接收经过准直器准直的调制激光，产生光声效应；所述无膜光学麦克风，固定于所述光声池的谐振腔中部，用于探测光声效应产生的声音信号，并转换为电信号；所述锁相放大器，与所述无膜光学麦克风电性连接，用于根据数据采集卡输出的二倍频扫频正弦信号，对无膜光学麦克风采集的声音信号进行锁相，提取出声音信号二倍频分量的幅值并输出至数据采集卡；所述温度控制器，与所述光声池连接，用于控制光声池的温度；所述计算处理单元，与所述数据采集卡电性连接，用于根据数据采集卡采集的幅值计算光声池的共振特性和环境温度。
[0006]在以上技术方案的基础上，优选的，所述数据采集卡的第一模拟输出通道连接电光调制器的电压信号输入端，用于输出扫频正弦信号到电光调制器；所述数据采集卡的第二模拟输出通道连接锁相放大器的参考信号输入端，用于输出二倍频扫频正弦信号到锁相放大器；所述数据采集卡的两路模拟输出通道保持同相位。
[0007]在以上技术方案的基础上，优选的，所述激光器为窄线宽激光器。
[0008]在以上技术方案的基础上，优选的，所述光声池包括谐振腔、两个缓冲腔、气体流入通道、气体流出通道和两侧端窗；一侧端窗正对准直器，并通过一个缓冲腔与气体流入通道和谐振腔的一侧连通；另一侧端窗通过另一个缓冲腔与气体流出通道和谐振腔的另一侧连通；所述谐振腔的中部上端开口处固定无膜光学麦克风。
[0009]在以上技术方案的基础上，优选的，所述无膜光学麦克风用于通过声压改变空气的折射率来测量声音信号。
[0010]在以上技术方案的基础上，优选的，所述温度控制器用于控制光声池的温度，按照一定间隔调节温度，建立光声池共振特性与温度的关联数据库。
[0011]在以上技术方案的基础上，优选的，所述计算处理单元用于对提取的幅值信号进行平滑处理，根据扫频正弦信号的时间与频率的关系将时间轴换算为频率轴，然后对处理后的数据进行洛伦兹拟合得到光声池的共振特性曲线，再根据建立的光声池共振特性与温度的关联数据库计算环境温度。
[0012]在以上技术方案的基础上，优选的，所述数据采集卡输出的扫频正弦信号的频率范围可调。
[0013]在以上技术方案的基础上，优选的，所述数据采集卡输出的扫频正弦信号的周期可调。
[0014]另一方面，本专利技术提供一种基于扫频调制的光声池共振特性测量方法，其采用了如上所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其中，包括如下步骤：S101.数据采集卡的第一模拟输出通道输出扫频正弦信号到电光调制器；数据采集卡的第二模拟输出通道输出二倍频扫频正弦信号到锁相放大器的参考信号输入端；S102.激光器驱动器驱动激光器形成稳定的激光输出，且使激光波长位于测量气体吸收谱线的中心；S103.电光调制器根据数据采集卡输出的扫频正弦信号对激光器输出的激光进行扫频强度调制；S104.电光调制器输出的调制激光经过准直器准直，穿过预先通入光声池的测量气体，产生光声效应；S105.位于光声池谐振腔中部的无膜光学麦克风采集光声效应产生的声音信号，转换为电信号；S106.锁相放大器对无膜光学麦克风输出的电信号和数据采集卡输出的二倍频扫频正弦信号进行锁相，提取各频率位置的光声信号的二倍频分量的幅值；S107.数据采集卡采集幅值信号传递至计算处理单元，计算处理单元对锁相放大器输出的幅值信号进行平滑处理，根据扫频正弦信号的时间与频率的关系将时间轴换算为频率轴，然后对处理后的数据进行洛伦兹拟合，得到光声池的共振特性曲线；S108.根据测得的光声池的共振特性曲线和光声池共振特性与温度的关联数据库，计算环境温度。
[0015]在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S108中，光声池共振特性与温度的关联数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述装置包括：锁相放大器（1）、数据采集卡（2）、计算处理单元（3）、激光器驱动器（4）、激光器（5）、电光调制器（6）、准直器（7）、俯仰调整架（8）、光声池（9）、无膜光学麦克风（10）和温度控制器（11）；所述数据采集卡（2），与所述锁相放大器（1）和电光调制器（6）电性连接，用于向电光调制器（6）输出扫频正弦信号，向锁相放大器（1）输出二倍频扫频正弦信号；所述激光器驱动器（4），与所述激光器（5）电性连接，用于驱动激光器（5）形成稳定的激光输出，且使激光波长位于测量气体吸收谱线的中心；所述电光调制器（6），与所述激光器（5）连接，用于根据数据采集卡（2）输出的扫频正弦信号对激光器（5）输出的激光进行强度调制；所述准直器（7），与所述电光调制器（6）连接，用于对电光调制器（6）输出的调制激光进行准直；所述俯仰调整架（8），与所述准直器（7）转动连接，用于支撑准直器（7），并通过俯仰调节对调制激光的输出光路进行校准；所述光声池（9），用于通入测量气体，并接收经过准直器（7）准直的调制激光，产生光声效应；所述无膜光学麦克风（10），固定于所述光声池（9）的谐振腔中部，用于探测光声效应产生的声音信号，并转换为电信号；所述锁相放大器（1），与所述无膜光学麦克风（10）电性连接，用于根据数据采集卡（2）输出的二倍频扫频正弦信号，对无膜光学麦克风（10）采集的声音信号进行锁相，提取出声音信号二倍频分量的幅值并输出至数据采集卡（2）；所述温度控制器（11），与所述光声池（9）连接，用于控制光声池（9）的温度；所述计算处理单元（3），与所述数据采集卡（2）电性连接，用于根据数据采集卡（2）采集的幅值计算光声池（9）的共振特性和环境温度。2.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述数据采集卡（2）的第一模拟输出通道连接电光调制器（6）的电压信号输入端，用于输出扫频正弦信号到电光调制器（6）；所述数据采集卡（2）的第二模拟输出通道连接锁相放大器（1）的参考信号输入端，用于输出二倍频扫频正弦信号到锁相放大器（1）；所述数据采集卡（2）的两路模拟输出通道保持同相位。3.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述激光器（5）为窄线宽激光器。4.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述光声池（9）包括谐振腔、两个缓冲腔、气体流入通道、气体流出通道和两侧端窗；一侧端窗正对准直器（7），并通过一个缓冲腔与气体流入通道和谐振腔的一侧连通；另一侧端窗通过另一个缓冲腔与气体流出通道和谐振腔的另一侧连通；所述谐振腔的中部上端开口处固定无膜光学麦克风（10）。5.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述温度控制器（11）用于控制光声池（9）的温度，按照一定间隔调节温度，建立光声池共振特性与温度的关联数据库。
6.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述计算处理单元（3）用于对提取的幅值信号进行平滑处理，根据扫频正弦信号的时间与频率的关系将时间轴换算为频率轴，然后对处理后的数据进行洛伦兹拟合得到光声池（9）的共振特性曲线，再根据建立的光声池共振特性与温度的关联数据库计算环境温度。7.如权利要求1所述的基于扫频调制的光声池共振特性测量装置，其特征在于：所述数据采集卡（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：任波，夏治武，张沙沙，刘阳，苏和平，陈燕，王科，
申请(专利权)人：武汉格蓝若智能技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：