CN101706411A - 跟踪光声池共振频率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟踪光声池共振频率的装置及方法，采用多级扫频原理，不但可以实现光声池共振频率的精确获取，而且可以在较短时间内通过较少个数的不同频率的声波，跟踪获取到光声池的共振频率；可以根据光声气体检测的实际情况设置共振频率跟踪的范围和精度，有效完成光声池共振频率的跟踪；将扬声器安装在共振光声池的缓冲室或者共振段，微音器安装在共振段，用光声池分时实现频率跟踪和光声信号共振检测的功能。本发明的优点是：能实现在线、快速、准确跟踪光声池的共振频率，有效提高气体的检测灵敏度和抵抗环境噪声干扰，为共振法光声气体检测的实用化提供了途径和手段。

Description

跟踪光声池共振频率的装置及方法

技术领域

本发明涉及传感器系统中的气体浓度检测领域，特别是涉及一种基于光声光谱法检测气体浓度时，跟踪光声池共振频率的装置和方法。

背景技术

光声气体检测是一种基于光声光谱效应检测气体浓度的技术。光声效应是物质吸收调制光能后产生声信号的效应，是一种由光能转变成热能、热能转化成声信号的效应。光声气体检测装置主要由光源(如激光器)、光声池、声传感器(如微音器)和信号检测处理模块四部分构成。光源发射强度受到调制的光，射入光声池，光声池内的气体因间歇吸收光能而形成声波，声传感器检测声信号并传给信号检测处理模块，根据预先建立的声强与标准气体浓度之间的关系，可以检测未知气体的浓度。

可以采用光声信号在光声池中的声共振效应来增强光声信号；共振光声池具有纵向、角向和径向三种共振模式。声共振效应可以把原始光声信号的幅值增强数倍至数百倍。将微音器安装在共振光声池内检测共振的声信号，可以在微音器灵敏度一定的情况下有效增加系统的检测灵敏度和抗声干扰的能力。

实现光声信号共振要求光声信号的频率与光声池的共振频率一致；也就是要求在光声气体检测中入射光的调制频率与光声池的共振频率相同。由于光声池的共振频率在光声池的几何参数确定以后，其共振频率虽然基本确定，但却随光声池内气体组分、温度、湿度、粉尘等因素的变化而变化，所以在气体浓度的检测过程中，必须对光声池的共振频率进行有效跟踪，方可保持激光的调制频率与光声池的共振频率一致，使微音器检测到共振的声信号。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种跟踪光声池共振频率的装置及方法，能在线、快速、准确地跟踪光声池的共振频率。

本发明的技术方案如下：一种跟踪光声池共振频率的装置，包括光声池，在光声池的共振段的内部安装有微音器，微音器通过传输线路依次与检波电路和控制器连接，在光声池内安装有扬声器，扬声器与信号发生器连接，信号发生器与控制器连接。

光声池上设置有缓冲室，所述扬声器安装在缓冲室上。

所述信号发生器是单频信号发生器。

所述信号发生器是近单频信号发生器。

本发明还公开了一种利用所述跟踪光声池共振频率的装置跟踪光声池共振频率的方法，包括如下步骤：

第一步，设置控制器的频率跟踪参数，包括N级扫频、频率范围、跟踪频率和扫频时间间隔；

第二步，控制器发出控制信号驱动信号发生器发出一定频率的电驱动信号，驱动扬声器发出与电驱动信号频率一致的声信号，并在光声池内部传播；

第三步，微音器检测声信号，将其转换为与声信号频率相同的电信号输出；

第四步，检波电路检测微音器输出的电信号的幅值和频率，并将检测出的电信号的幅值和频率输出给控制器；

第五步，控制器把接收到幅值信号和与它对应的频率保存，并与接收到的下一个幅值信号比较，保存较大的幅值和该幅值所对应的频率；

第六步，完成第一级扫频后，按第二步至第五步进行第二级扫频，如是重复，直到完成设定的N级扫频，最后获得光声池的共振频率，完成一次频率跟踪；

第七步，经过设定的扫频时间间隔后，自动进行下一次频率跟踪：重复第二步至第六步，最后获得所需要精度的光声池共振频率。

与现有技术相比，本发明的优点是：能实现在线、快速、准确跟踪光声池的共振频率，有效提高气体的检测灵敏度和抵抗环境噪声干扰，为共振法光声气体检测的实用化提供了途径和手段。采用多级扫频原理，不但可以实现光声池共振频率的精确获取，而且可以在较短时间内通过较少个数的不同频率的声波，跟踪获取到光声池的共振频率。可以根据光声气体检测的实际情况设置共振频率跟踪的范围和精度，有效完成光声池共振频率的跟踪。将扬声器安装在共振光声池的缓冲室或者共振段，微音器安装在共振段，用光声池分时实现频率跟踪和光声信号共振检测的功能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种跟踪光声池共振频率的装置，包括光声池，在光声池1的共振段12的内部安装有微音器3，微音器3通过传输线路依次与检波电路4和控制器5连接，在光声池内部安装有扬声器2，扬声器2与信号发生器6连接，信号发生器6与控制器5连接。信号发生器6可以是单频信号发生器，也可以是近单频信号发生器。

光声池为共振光声池，由共振段12和数个缓冲室11构成，光声池可工作在设定的任一种共振模式。扬声器可安装在光声池的缓冲室11或者共振段12，微音器3安装在共振段12，用微音器3分时实现频率跟踪和光声信号检测的功能。

利用本发明的装置跟踪光声池共振频率的方法是：

第一步，设置控制器(如单片机)5的频率跟踪参数，如N级扫频、频率范围、跟踪频率和扫频时间间隔；

第二步，控制器5发出控制信号驱动信号发生器发出一定频率的电驱动信号，驱动扬声器2发出与电驱动信号频率一致的声信号，并在光声池内部传播；

第三步，微音器3检测声信号，将其转换为与声信号频率相同的电信号输出；

第四步，检波电路4检测微音器3输出的电信号的幅值和频率，并将检测出的电信号的幅值和频率输出给控制器5；

第五步，控制器5把接收到幅值信号和与它对应的频率保存，并与接收到的下一个幅值信号比较，保存较大的幅值和该幅值所对应的频率；

第六步，完成第一级扫频后，按第二步至第五步进行第二级扫频，如是重复，直到完成设定的N级扫频，最后获取的最大的幅值对应的频率与光声池的共振频率接近，可确定为光声池的共振频率；

第七步，经过设定的频率跟踪间隔时间后，自动进行下一次频率跟踪，即重复第二步至第六步，通过这种方式获得所需要精度的光声池的共振频率。

为了实现光声池的共振频率的精确获取，本发明的跟踪方法还可以采用多级扫频原理，即在第一级扫频时，采用较大的频率范围和较大的扫描步长，获取一个最大的信号幅值及其对应频率；然后以该频率为中心，缩小扫频范围，减小扫描步长完成第二级扫频；同理进行多级扫频，达到所需要的频率精度。通过这种方式可以在较短时间内，跟踪获取到最大的幅值信号，该信号对应的频率可确定为光声池的共振频率。

本发明还可以根据光声气体检测的实际情况设置共振频率跟踪的范围和精度，有效完成光声池共振频率的实时跟踪，以跟踪因光声池内的气体组分、温度、湿度等因素的改变而引起的光声池共振频率的变化。

控制器5的驱动软件包括多级扫频，可以通过该软件设置每一级扫频的频率范围、跟踪频率以及两次扫频之间的时间间隔，以获取准确的共振频率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种跟踪光声池共振频率的装置，其特征在于：包括光声池，在光声池的共振段的内部安装有微音器，微音器通过传输线路依次与检波电路和控制器连接，在光声池内部安装有扬声器，扬声器与信号发生器连接，信号发生器与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的跟踪光声池共振频率的装置，其特征在于：在光声池上设置有缓冲室，所述扬声器安装在缓冲室上。

3.根据权利要求1或2所述的跟踪光声池共振频率的装置，其特征在于：所述信号发生器是单频信号发生器。

4.根据权利要求1或2所述的跟踪光声池共振频率的装置，其特征在于：所述信号发生器是近单频信号发生器。

5.一种利用权利要求1所述的跟踪光声池共振频率的装置跟踪光声池共振频率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，设置控制器的频率跟踪参数，包括N级扫频、频率范围、跟踪频率和扫频时间间隔；

第二步，控制器发出控制信号驱动信号发生器发出一定频率的电驱动信号，驱动扬声器发出与电驱动信号频率一致的声信号，并在光声池内部传播；

第三步，微音器检测声信号，将其转换为与声信号频率相同的电信号输出；

第四步，检波电路检测微音器输出的电信号的幅值和频率，并将检测出的电信号的幅值和频率输出给控制器；

第五步，控制器把接收到的幅值信号和与它对应的频率保存，并与接收到的下一个幅值信号比较，保存较大的幅值和该幅值所对应的频率；

第六步，完成第一级扫频后，按第二步至第五步进行第二级扫频，如是重复，直到完成设定的N级扫频，最后获得光声池的共振频率，完成一次频率跟踪；

第七步，经过设定的扫频时间间隔后，自动进行下一次频率跟踪：重复第二步至第六步，最后获得光声池所需要精度的共振频率。

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