【技术实现步骤摘要】
本申请涉及气体检测领域，特别是涉及一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置及方法。
技术介绍
1、气体检测技术在环境监测、工业控制和医疗诊断等领域中扮演着重要角色，特别是在温室气体排放、危险气体泄漏以及呼吸分析等场景中，对气体浓度的精确检测至关重要。波长调制光谱技术(wavelength modulation spectroscopy,wms)作为一种非接触式的光学气体检测方法，已经被广泛应用于气体浓度的精确测量。传统的波长调制技术通过对激光光源施加锯齿波，并且在锯齿波上叠加单一的正弦调制信号，驱动激光器的波长在目标气体吸收峰附近进行周期性扫描，并通过二次谐波检测技术提取出与气体浓度相关的信号。该技术具有高灵敏度、低噪声、响应快速等优点，能够有效地检测单一气体或气体混合物中的特定成分。
2、然而，当需要检测吸收线非常接近的多种气体或存在共振吸收的多种气体时，传统的波长调制方式存在一定的局限性。简单的锯齿波叠加单一的正弦调制信号难以在同一时间有效区分多种气体的吸收峰，特别是当这些吸收峰在同一波长范围内较为密集时，信号的分辨能力下降，导致测量精度降低。传统调制技术在面对复杂环境气体混合物时，难以实现对各成分气体浓度的精准区分和测量。
技术实现思路
1、本申请的目的是提供一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置及方法，可同时准确检测出多种吸收线紧邻的气体的浓度。
2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
3、第一方面，本申请提供了一种
4、所述光源模块用于输出激励光束，并将所述激励光束照射至所述光声信号探测模块的气室内；所述气室内至少含有一种待测气体；所述激励光束是经一个锯齿波信号和两个不同频率的正弦波调制后的光束；
5、所述光声信号探测模块用于接收所述气室内待测气体与所述激励光束相互作用后产生的光声信号，以及将所述光声信号转换成压电信号；
6、所述数据处理模块用于对所述光声信号探测模块输出的压电信号进行二次谐波解调，得出解调后的二次谐波数据以及根据所述解调后的二次谐波数据反演待测气体浓度，得出待测气体的浓度。
7、可选地，所述光源模块包括激励光源、光源温度控制器、第一函数发生器、第二函数发生器和第三函数发生器；
8、所述光源温度控制器的输出端与所述激励光源的温控输入端连接；所述第一函数发生器的信号输出端与所述激励光源的电流扫描输入端连接；所述第二函数发生器和所述第三函数发生器的信号输出端均与所述激励光源的电流调制输入端连接；所述第二函数发生器和所述第三函数发生器的同步信号输出端与所述数据处理模块的信号输入端连接；
9、所述第一函数发生器用于输出所述锯齿波信号；所述第二函数发生器用于输出第一正弦调制信号；所述第三函数发生器用于输出第二正弦调制信号；所述第一正弦调制信号和所述第二正弦调制信号的频率不同；
10、所述光源温度控制器用于调控所述激励光源输出的激励光束的温度；
11、所述激励光源，用于在所述光源温度控制器、所述第一函数发生器、所述第二函数发生器和所述第三函数发生器同时驱动下，输出所述激励光束，并将所述激励光束照射至所述光声信号探测模块的气室内。
12、可选地，所述数据处理模块包括信号放大器、第一锁相放大器、第二锁相放大器和计算机；
13、所述信号放大器的信号输入端与所述光声信号探测模块的信号输出端连接，所述信号放大器的信号输出端分别连接所述第一锁相放大器和所述第二锁相放大器的信号输入端，所述第一锁相放大器和所述第二锁相放大器的通讯端口分别与所述计算机的通讯端口连接；
14、所述第一锁相放大器的参考信号输入端与所述第三函数发生器的同步信号输出端连接；所述第二锁相放大器的参考信号输入端与所述第二函数发生器的同步信号输出端连接；
15、所述信号放大器用于对所述光声信号探测模块输出的压电信号进行放大处理，并将放大压电信号发送给所述第一锁相放大器和所述第二锁相放大器；
16、所述第一锁相放大器用于接收所述放大压电信号和所述第三函数发生器输出的同步信号，以及在第一解调频率下对所述放大压电信号进行二次谐波解调，得出第一解调谐波信号；
17、所述第二锁相放大器用于接收所述放大压电信号和所述第二函数发生器输出的同步信号，以及在第二解调频率下对所述放大压电信号进行二次谐波解调，得出第二解调谐波信号；所述解调后的二次谐波数据包括所述第一解调谐波信号和所述第二解调谐波信号；
18、所述计算机用于接收所述第一解调谐波信号和所述第二解调谐波信号，并根据所述第一解调谐波信号和所述第二解调谐波信号反演待测气体浓度，得出待测气体的浓度。
19、可选地，所述第一正弦调制信号的频率为所述光声信号探测模块的基频频率的一半；
20、所述第二正弦调制信号的频率为所述光声信号探测模块的高阶泛频频率的一半。
21、可选地，所述第一解调频率和所述第二解调频率与所述光声信号探测模块的共振频率相匹配。
22、可选地，所述第一解调频率为所述光声信号探测模块的高阶泛频频率；所述第二解调频率为所述光声信号探测模块的基频频率。
23、可选地，所述激励光源的激励光束的光功率计算公式为：
24、
25、式中，p(t)表示激励光源的激励光束的光功率；p0表示仅施加锯齿波信号的激励光束的光功率；α(v0)表示初始波数v0对应的吸收系数；α′(v0)表示α(v0)的一阶导；α”(v0)表示α(v0)的二阶导；δv1表示与第一正弦调制信号的频率相关的波数变化幅度；δv2表示与第二正弦调制信号的频率相关的波数变化幅度；f1表示第一正弦调制信号的频率；f2表示第二正弦调制信号的频率；l表示吸收路径长度。
26、可选地，所述第一解调谐波信号的计算公式为：
27、
28、所述第二解调谐波信号的计算公式为：
29、
30、式中，表示第一解调谐波信号；表示第二解调谐波信号。
31、可选地，所述光声信号探测模块包括光声池探测器、石英音叉探测器和悬臂梁探测器。
32、第二方面，本申请提供一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测方法，应用于上述任一项所述的一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，所述基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测方法包括：
33、控制光源模块输出激励光束，并将所述激励光束照射至所述光声信号探测模块的气室内；所述气室内至少含有一种待测气体；所述激励光束是经一个锯齿波信号和两个不同频率的正弦波调制后的光束；
34、利用光声信号探测模块接收所述气室内待测气体与所述激励光束相互作用后产生的光声信号，并将所述光声信号转换成压电信号；
35、利用数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置包括：光源模块、光声信号探测模块和数据处理模块；
2.根据权利要求1所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述光源模块包括激励光源、光源温度控制器、第一函数发生器、第二函数发生器和第三函数发生器；
3.根据权利要求2所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括信号放大器、第一锁相放大器、第二锁相放大器和计算机；
4.根据权利要求3所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一正弦调制信号的频率为所述光声信号探测模块的基频频率的一半；
5.根据权利要求4所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一解调频率和所述第二解调频率与所述光声信号探测模块的共振频率相匹配。
6.根据权利要求5所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一解调频率为所述光声信号探测模块的高阶泛频频
7.根据权利要求6所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述激励光源的激励光束的光功率计算公式为：
8.根据权利要求7所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一解调谐波信号的计算公式为：
9.根据权利要求1所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述光声信号探测模块包括光声池探测器、石英音叉探测器和悬臂梁探测器。
10.一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测方法，应用于权利要求1至9任一项所述的一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测方法包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置包括：光源模块、光声信号探测模块和数据处理模块；
2.根据权利要求1所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述光源模块包括激励光源、光源温度控制器、第一函数发生器、第二函数发生器和第三函数发生器；
3.根据权利要求2所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括信号放大器、第一锁相放大器、第二锁相放大器和计算机；
4.根据权利要求3所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一正弦调制信号的频率为所述光声信号探测模块的基频频率的一半；
5.根据权利要求4所述的基于双频率波长调制及解调的多气体同步检测装置，其特征在于，所述第一解调频率和所述第二解调频率与所述光声信号探测模块的共振频率相匹配。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：武红鹏，申晓雯，孙朝峰，董磊，崔茹悦，贾锁堂，肖连团，文钦佐·路易吉·斯帕格诺，彼得罗·帕蒂米斯科，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：
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