一种简易的多气体浓度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简易的多气体检测装置及方法，属于气体传感技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种简易的多气体浓度检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及气体传感技术，具体涉及一种简易的多气体浓度检测装置及方法
。

技术介绍

[0002]多气体在线检测在环境监测
、
医疗诊断
、
工业过程控制
、
食品工业
、
污染监测等方面有着重要的应用，是近年来备受关注的课题
。
近年来，光声光谱技术作为间接吸收光谱技术的一种，该技术在灵敏度
、
选择性和稳定性方面具有许多优点，是一种广泛认可的多气体分析技术
。
石英增强型光声光谱是对传统光声光谱的改进，该技术利用低成本，小尺寸的音叉式石英晶振
(
以下简称为石英音叉
)
替代传统的宽带麦克风，实现了微弱声波的探测
。
石英增强光声光谱技术的基本原理如下：气体分子吸收激励光源的光能后跃迁至高能态，由于碰撞退激发弛豫过程产生声波，声波推动石英音叉两振臂产生对称性振动，从而借助石英材料的压电特性将与气体浓度相关的声波信号转换为易于探测分析的电学信号
。
但是，石英增强型光声光谱是一种接触测量技术，如果目标气体是酸性或腐蚀性气体，石英音叉探测器表层的金属膜会被腐蚀，从而导致石英音叉共振频率漂移
、
品质因数降低，甚至导致石英音叉无法工作，这一特性限制了石英增强光声光谱的应用领域
。
光致热弹光谱
(
又称为石英增强光热光谱
)
解决了石英增强型光声光谱存在的瓶颈问题
。
石英增强光热光谱的基本原理如下：当激励光源照射到石英音叉表面时，石英音叉吸收光能并产生热沉积，石英音叉表面材料之间的热梯度使其发生热形变，通过石英音叉振臂的压电效应可将此形变转化为电信号
。
石英增强光热光谱是一种非接触式测量技术，检测系统中的石英音叉与被测气体无接触，较高的品质因数能够保证气体检测灵敏度，从而可实现对目标气体的遥感检测
。
而将光声光谱与光致热弹光谱相结合可实现光声
、
光热信号的同时检测
。
目前，绝大多数的光声
‑
光致热弹光谱采用多个石英音叉检测系统以实现对目标气体检测信号的叠加增强，这一方法虽然有效的提升了目标气体的检测信号幅值，但多音叉检测系统中的各个石英音叉共振频率会有所差别，从而会出现共振频率失配现象而限制系统检测灵敏度
。
此外，多音叉检测系统还存在搭建过程复杂程度高
、
光源整形难度大
、
检测气体种类单一等问题
。
[0003]因此，考虑采用单个石英音叉
(
利用时分复用或频分复用的方法
)
检测多气体浓度信息，在降低传统光声
‑
光致热弹光谱气体检测系统搭建以及调整难度的同时检测多种气体浓度信息
。
其中，为保证气体信号的有效激励及探测，激励光源的调制频率必须远低于样品分子的弛豫率，因此，在利用单个石英音叉的基础上，将石英增强光声光谱与光致热弹光谱相结合的方法，可以有效实现多气体浓度的检测
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中多音叉共振频率失配问题，本专利技术旨在提供一种简易的基于单个石英音叉的光声
‑
光致热弹光谱的多气体浓度检测装置及方法，该方法将其中一束激励光源照射到石英音叉表面利用光致热弹效应检测一种气体光热信号，另一束激励光源照射到石英音叉两振臂之间利用光声效应检测另一种气体光声信号，仅使用单个石英音叉实现多
气体浓度信息的检测目的
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种简易的多气体浓度检测装置包括光源模块
、
信号探测模块和数据处理模块；所述光源模块包括第一激励光源
、
第一函数发生器
、
第二函数发生器
、
第一光源温度控制器
、
第二激励光源
、
第三函数发生器
、
第四函数发生器和第二温度控制器，所述信号探测模块由气体参考池
、
汇聚透镜
、
石英音叉和气室组成，所述石英音叉设置在气室内；所述数据处理模块包括跨阻抗前置放大器
、
第一锁相放大器
、
第二锁相放大器和计算机；所述第一函数发生器的信号输出端和第一激励光源的电流调制输入端连接，所述第二函数发生器的信号输出端与第一激励光源的电流扫描输入端连接，第一函数发生器的同步信号输出端与第一锁相放大器的参考信号输入端连接，所述第一光源温度控制器的输出端与第一激励光源的温控输入端连接；所述第三函数发生器的信号输出端和第二激励光源的电流调制输入端连接，所述第四函数发生器的信号输出端与第二激励光源的电流扫描输入端连接，第三函数发生器的同步信号输出端与第二锁相放大器的参考信号输入端连接，所述第二光源温度控制器的输出端与第二激励光源的温控输入端连接；所述跨阻抗前置放大器的信号输入端与石英音叉连接，跨阻抗前置放大器的信号输出端分别与第一锁相放大器和第二锁相的放大器的输入端连接，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的通讯端口分别与计算机的两个通讯端口相连接
。
[0007]进一步地，使用所述检测装置时，所述气体参考池
、
汇聚透镜位于第一激励光源输出光束照射至石英音叉振臂根部的光路上
。
[0008]更进一步地，所述第一锁相放大器
、
第二锁相放大器的解调频率与石英音叉的共振频率相匹配
。
目的为了对石英音叉产生的电信号进行完美解调
。
[0009]利用上述简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，是采用频分复用技术进行多气体浓度检测，包括以下步骤：
[0010](a)
第一激励光源在第一函数发生器
、
第二函数发生器和第一光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第一激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，经过气体参考池
、
汇聚透镜后照射至石英音叉振臂根部，以此确定第一激励光源输出光束的光路；
[0011]第二激励光源在第三函数发生器
、
第四函数发生器和第二光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第二激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，通过气室照射至石英音叉两振臂之间，以此确定第二激励光源输出光束的光路；
[0012](b)
第二函数发生器输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第一函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第一激励光源的输出光束波长进行调制，调制后的第一激励光源的输出光束经过气体参考池，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种简易的多气体浓度检测装置，其特征在于：包括光源模块
、
信号探测模块
(5)
和数据处理模块；所述光源模块包括第一激励光源
(1)、
第一函数发生器
(2)、
第二函数发生器
(3)、
第一光源温度控制器
(4)、
第二激励光源
(13)、
第三函数发生器
(10)、
第四函数发生器
(11)
和第二温度控制器
(12)
，所述信号探测模块
(5)
由气体参考池
(51)、
汇聚透镜
(52)、
石英音叉
(53)
和气室
(54)
组成，所述石英音叉
(53)
设置在气室
(54)
内；所述数据处理模块包括跨阻抗前置放大器
(6)、
第一锁相放大器
(7)、
第二锁相放大器
(9)
和计算机
(8)
；所述第一函数发生器
(2)
的信号输出端和第一激励光源
(1)
的电流调制输入端连接，所述第二函数发生器
(3)
的信号输出端与第一激励光源
(1)
的电流扫描输入端连接，第一函数发生器
(2)
的同步信号输出端与第一锁相放大器
(7)
的参考信号输入端连接，所述第一光源温度控制器
(4)
的输出端与第一激励光源
(1)
的温控输入端连接；所述第三函数发生器
(10)
的信号输出端和第二激励光源
(13)
的电流调制输入端连接，所述第四函数发生器
(11)
的信号输出端与第二激励光源
(13)
的电流扫描输入端连接，第三函数发生器
(10)
的同步信号输出端与第二锁相放大器
(9)
的参考信号输入端连接，所述第二光源温度控制器
(12)
的输出端与第二激励光源
(13)
的温控输入端连接；所述跨阻抗前置放大器
(6)
的信号输入端与石英音叉
(53)
连接，跨阻抗前置放大器
(6)
的信号输出端分别与第一锁相放大器
(7)
和第二锁相的放大器
(9)
的输入端连接，所述第一锁相放大器
(7)
和第二锁相放大器
(9)
的通讯端口分别与计算机
(8)
的两个通讯端口相连接
。2.
根据权利要求1所述的一种简易的多气体浓度检测装置，其特征在于：使用所述检测装置时，所述气体参考池
(51)、
汇聚透镜
(52)
位于第一激励光源
(1)
输出光束照射至石英音叉
(53)
振臂根部的光路上
。3.
根据权利要求1所述的一种简易的多气体浓度检测装置，其特征在于：所述第一锁相放大器
(7)、
第二锁相放大器
(9)
的解调频率与石英音叉
(53)
的共振频率相匹配
。4.
一种利用简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，其特征在于：所述检测方法是采用频分复用技术进行多气体浓度检测，包括以下步骤：
(a)
第一激励光源
(1)
在第一函数发生器
(2)、
第二函数发生器
(3)
和第一光源温度控制器
(4)
的驱动下输出光束，调整第一激励光源
(1)
输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块
(5)
，经过气体参考池
(51)、
汇聚透镜
(52)
后照射至石英音叉
(53)
振臂根部，以此确定第一激励光源
(1)
输出光束的光路；第二激励光源
(13)
在第三函数发生器
(10)、
第四函数发生器
(11)
和第二光源温度控制器
(12)
的驱动下输出光束，调整第二激励光源
(13)
输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块
(5)
，通过气室
(54)
照射至石英音叉
(53)
两振臂之间，以此确定第二激励光源
(13)
输出光束的光路；
(b)
第二函数发生器
(3)
输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源
(1)
输出光束的波长在气体参考池
(51)
中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第一函数发生器
(2)
输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第一激励光源
(1)
的输出光束波长进行调制，调制后的第一激励光源
(1)
的输出光束经过气体参考池
(51)
，经汇聚透镜
(52)
整形后的照射到石英音叉
(53)
振臂根部以产生光热信号，所述光热信号使石英音叉
(53)
产生热形变并通过其振臂的压电效应转化为电信号，并被跨阻抗前置放大器
(6)
所接收和放大；
第四函数发生器
(11)
输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第二激励光源
(13)
输出光束的波长在气室
(54)
中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第三函数发生器
(10)
输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第二激励光源
(13)
的输出光束波长进行调制，调制后的第二激励光源
(13)
的输出光束入射至信号探测模块
(5)
，通过气室
(54)
照射至石英音叉
(53)
两振臂之间，与待测气体相互作用后产生光声信号，气体分子吸收第二激励光源
(13)
输出光束的光能跃迁至高能态，在碰撞退激发弛豫过程产生声波，声波推动石英音叉
(53)
的振臂振动，由石英音叉的压电效应将光声信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器
(6)
所接收和放大；
(c)
第一锁相放大器
(7)
接收来自跨阻抗前置放大器
(6)
的电信号以及第一函数发生器
(2)
提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光热信号转换的电信号进行处理；第二锁相放大器
(9)
接收来自跨阻抗前置放大器
(6)
的电信号以及第三函数发生器
(10)
提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光声信号转换的电信号进行处理；第一锁相放大器
(7)
和第二锁相放大器
(9)
解调后的二次谐波数据分别传输至计算机
(8)
，通过计算机
(8)
中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息
。5.
根据权利要求4所述的一种利用简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，其特征在于：所述步骤
(a)
中，调整第一激励光源
(1)
输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块
(5)
，经过气体参考池
(51)、
汇聚透镜
(52)
后照射至石英音叉
(53)
振臂根部，具体为：当所述第一激励光源
(1)
输出光束入射至气体参考池
(51)
时，在确定输出光束经过气体参考池
(51)
后，将汇聚透镜
(52)
放置在第一激励光源
(1)
输出光束的光路上，根据气体参考池
(51)
和汇聚透镜
(52)
的间距确定汇聚透镜
(52)
的焦距以及石英音叉
(53)
的装配位置，确使第一激励光源
(1)
输出光束整形后的圆形光斑照射到石英音叉
(53)
振臂根部没有镀层的石英晶片上，从而产生光热信号
。6.
根据权利要求4所述的一种利用简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，其特征在于：所述步骤
(a)
中，调整第二激励光源
(13)
输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块
(5)
，照射至石英音叉
(53)
两振臂之间，具体为：当所述第二激励光源
(13)
输出光束入射至气室
(54)
内的石英音叉
(53)
两振臂之间时，由石英音叉
(53)
顶部为起始点调整输出光束的垂直位置，向下位移，使输出光束照射至石英音叉
(53)
高度的三分之一区域，以产生最佳光声信号
。7.
根据权利要求4所述的一种利用简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，其特征在于：所述步骤
(b)
中，对第一激励光源
(1)
输出光束的波长在气...

【专利技术属性】
技术研发人员：武红鹏，申晓雯，董磊，崔茹悦，薛积禹，文钦佐，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：