CN103163080B - 一种用于农田多种气体实时在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于农田多种气体实时在线监测装置，包括超辐射发光二极管、二极管控制器、函数发生器、光谱仪、离轴石英音叉增强型光声池、功率计、加法器、锁相放大器和数据采集卡以及笔记本电脑，通过超辐射发光二极管发出的调制光经过分束镜分束，一部分光经透镜聚集进入光谱仪，另一部分光经透镜聚集进入离轴石英音叉增强型光声池，光声池中的气体吸收能量，无辐射跃迁产生热能，致使气体膨胀收缩，在管状谐振腔内产生共振声波被石英音叉检测到，两个石英音叉把检测到的声信号转换成电信号，两个电信号分别经前置放大器放大后再通过加法器相加后传输给锁相放大器进行解调，解调后的信号被采集卡采集，经分析后可以得到气体的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及农田多种气体监测技术，具体是基于离轴石英音叉增强型光声光谱技术的农田多种气体实时在线监测装置。
背景技术
随着全球气候的变暖，大气中的甲烷、二氧化碳、氧化亚氮和氯氟烃等温室气体的排放引起人们的普遍关注。农田是重要的温室气体排放源之一，长期淹水的农田可经过发酵作用产生甲烷，土壤中的有机质经微生物分解，释放出二氧化碳，全球一半以上的氧化亚氮来自农田土壤的硝化和反硝化过程。确定农田温室气体的排放量并探寻减排方法已经成为世界各国的当务之急。目前，对于农田释放的温室气体检测主要采用气相色谱的方法检测。该方法需要采样，且采样时间长，难以做到实时在线监测。光声光谱方法具有零背景、选择性好、灵敏度高、动态范围大等优点，是实现农田释放气体实时在线监测的有效方法，且选择合适的光源可以实现多种气体同时监测。
发明内容
为解决上述背景技术问题，本发明提出了一种用于农田多种气体实时在线监测装置，该检测装置检测速度快，能够实现多种气体实时在线监测。
为实现上述目的，本发明提供一种用于农田多种气体实时在线监测装置，包括超辐射发光二极管、二极管控制器、函数发生器、光谱仪、离轴石英音叉增强型光声池、功率计、加法器、锁相放大器和数据采集卡以及笔记本电脑，其特征在于：所述的超辐射发光二极管通过电缆线与二极管控制器相连，所述的函数发生器通过IEEE488数据线与所述的二极管控制器相连，所述的离轴石英音叉增强型光声池中设有两个石英音叉，所述的两个石英音叉通过电线分别经过前置放大器与加法器相连；
所述的加法器将分别与两个石英音叉相连的前置放大器所得到的信号进行相加运算；
所述的加法器通过电缆线与锁相放大器相连，通过锁相放大器将加法器所得到的信号进行解调；
所述的函数发生器通过电缆线与锁相放大器相连，给锁相放大器提供参考信号；
所述的锁相放大器通过电缆线与数据采集卡相连，所述的锁相放大器将得到的信号进行解调后传输至数据采集卡；
所述的离轴石英音叉增强型光声池与功率计之间设有一聚集透镜，通过聚焦透镜收集经过离轴石英音叉增强型光声池后的光功率，所述的功率计通过电缆线与数据采集卡相连，通过采集卡将采集到的功率数据用于光声信号的归一化；
所述的数据采集卡通过IEEE488数据线与笔记本电脑相连，所述的数据采集卡将所采集到的数据通过笔记本电脑来进行存储；
所述的光谱仪通过USB接口与笔记本电脑相连。
所述的超辐射发光二极管与离轴石英音叉增强型光声池之间设有分束镜和聚集透镜，所述的分束镜倾斜小于45°的角度设置在所述的聚集透镜的前方，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输至离轴石英音叉增强型光声池内，所述的分束镜与光谱仪之间也设有一聚集透镜，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输给光谱仪。
所述的离轴石英音叉增强型光声池包括：管状谐振腔、两个石英音叉和气体池，所述的管状谐振腔中间位置对称开有两个小孔，所述的管状谐振腔安装在两个石英音叉之间，所述的管状谐振腔与超辐射发光二极管所发出的光束同轴，所述的聚集透镜的焦点正好位于所述管状谐振腔的正中央，所述的两个石英音叉双臂均与管状谐振腔平行。
所述管状谐振腔和两个石英音叉都安装在气体池内的底座上，所述的气体池开设有入射窗口、出射窗口和进气口以及出气口，所述的入射窗口和出射窗口处各设置有一块蓝宝石窗片，所述的进气口通过进气管和进气阀与空气过滤器相连，所述的出气口通过出气管和出气阀与另一个空气过滤器相连，所述的入射窗口与出射窗口相互对称，进气口与出气口相互对称，所述的空气过滤器过滤大气中的气溶胶颗粒，所述的蓝宝石窗片也可以是氟化钙窗片。
所述的超辐射发光二极管和二极管控制器以及其它用电元件均采用锂电池进行供电，所述超辐射发光二极管具有宽光谱、高能量、低噪声和小发散角等优点，其能量是传统卤素钨灯能量的106倍，其波长在1350nm-1800nm之间，完全在近红外区域，且由于具有良好的方向性，光源能量能够被充分利用。
综上所述本发明的有益效果具有以下几点：
1、采用宽带超辐射发光二极管作为光源，可以实现多种气体同时检测，例如甲烷、二氧化碳和氧化亚氮；
2、石英音叉探测到的信号与气体的浓度成正比，采用两个石英音叉作为声探测元件，可以增强探测到的信号，从而有效提高探测灵敏度；
3、石英音叉由于其共振频率高(32.76kHz)能够很好地排除外界干扰，可以在开放环境下工作，无需采样；
4、进气口、出气口装有空气过滤器，可以减小在开放环境下空气中的气溶胶颗粒对气体池、管状谐振腔和石英音叉的污染；
5、关键的元件安装在恒温箱中，可以减小外界温度变化对光声探测的影响，满足农田工作的需要。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明石英音叉和管状谐振腔放大结构示意图；
图3是本发明气体池放大结构示意图；
图4是本发明石英音叉和管状谐振腔放大立体结构图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1-4所示，一种用于农田多种气体实时在线监测装置，包括超辐射发光二极管、二极管控制器、函数发生器、光谱仪、离轴石英音叉增强型光声池、功率计、加法器、锁相放大器和数据采集卡以及笔记本电脑，其特征在于：所述的超辐射发光二极管通过电缆线与二极管控制器相连，所述的函数发生器通过IEEE488数据线与所述的二极管控制器相连，所述的离轴石英音叉增强型光声池中设有两个石英音叉，所述的两个石英音叉通过电线分别经过前置放大器与加法器相连；
所述的加法器将分别与两个石英音叉相连的前置放大器所得到的信号进行相加运算；
所述的加法器通过电缆线与锁相放大器相连，通过锁相放大器将加法器所得到的信号进行解调；
所述的函数发生器通过电缆线与锁相放大器相连，给锁相放大器提供参考信号；
所述的锁相放大器通过电缆线与数据采集卡相连，所述的锁相放大器将得到的信号进行解调后传输至数据采集卡；
所述的离轴石英音叉增强型光声池与功率计之间设有一聚集透镜，通过聚焦透镜收集经过离轴石英音叉增强型光声池后的光功率，所述的功率计通过电缆线与数据采集卡相连，通过采集卡将采集到的功率数据用于光声信号的归一化；
所述的数据采集卡通过IEEE488数据线与笔记本电脑相连，所述的数据采集卡将所采集到的数据通过笔记本电脑来进行存储；
所述的光谱仪通过USB接口与笔记本电脑相连。
所述的超辐射发光二极管与离轴石英音叉增强型光声池之间设有分束镜和聚集透镜，所述的分束镜倾斜小于45°的角度设置在所述的聚集透镜的前方，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输至离轴石英音叉增强型光声池内，所述的分束镜与光谱仪之间也设有一聚集透镜，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输给光谱仪。
如图2、图3和图4所示，离轴石英音叉增强型光声池包括：管状谐振腔1、两个石英音叉2和气体池4，管状谐振腔1中间位置对称开有两个小孔3，管状谐振腔1安装在两个石英音叉2之间，管状谐振腔1与超辐射发光二极管所发出的光束同轴，聚集透镜的焦点正好位于所述管状谐振腔1的正中央，两个石英音叉2双臂均与管状谐振腔1平行。
所述管状谐振腔1和两个石英音叉2都安装在气体池4内的底座8上，气体池4开设有入射窗口5、出射窗口和进气口6以及出气口，入射窗口5和出射窗口处各设置有一块蓝宝石窗片7，进气口6通过进气管和进气阀与空气过滤器相连，出气口通过出气管和出气阀与另一个空气过滤器相连，入射窗口5与出射窗口相互对称，进气口与出气口相互对称，空气过滤器过滤大气中的气溶胶颗粒，蓝宝石窗片也可以是氟化钙窗片。
超辐射发光二极管和二极管控制器以及其它用电元件均采用锂电池进行供电，超辐射发光二极管具有宽光谱、高能量、低噪声和小发散角等优点，其能量是传统卤素钨灯能量的106倍，其波长在1350nm-1800nm之间，完全在近红外区域，且由于具有良好的方向性，光源能量能够被充分利用。
本发明的工作原理：超辐射发光二极管发出的调制光经过分束镜分束，一部分经透镜聚集进入光谱仪，另一部分经透镜聚集进入离轴石英音叉增强型光声池，光声池中的气体吸收能量，无辐射跃迁产生热能，致使气体膨胀收缩，在管状谐振腔内产生共振声波被石英音叉检测到，两个石英音叉把检测到的声信号转换成电信号，电信号分别经前置放大器放大后再通过加法器相加后传输给锁相放大器进行解调，解调后的信号被采集卡采集，经分析后可以得到气体的浓度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种用于农田多种气体实时在线监测装置，包括超辐射发光二极管、二极管控制器、函数发生器、光谱仪、离轴石英音叉增强型光声池、功率计、加法器、锁相放大器和数据采集卡以及笔记本电脑，其特征在于：所述的超辐射发光二极管通过电缆线与二极管控制器相连，所述的函数发生器通过IEEE488与所述的二极管控制器相连，所述的离轴石英音叉增强型光声池中设有两个石英音叉，所述的两个石英音叉通过电线分别经过前置放大器与加法器相连；所述的加法器将分别与两个石英音叉相连的前置放大器所得到的信号进行相加运算；所述的加法器通过电缆线与锁相放大器相连，通过锁相放大器将加法器所得到的信号进行解调；所述的函数发生器通过电缆线与锁相放大器相连，给锁相放大器提供参考信号；所述的锁相放大器通过电缆线与数据采集卡相连，所述的锁相放大器将得到的信号进行解调后传输至数据采集卡；所述的离轴石英音叉增强型光声池与功率计之间设有一聚集透镜，通过聚焦透镜收集经过离轴石英音叉增强型光声池后的光功率，所述的功率计通过电缆线与数据采集卡相连，通过采集卡将采集到的功率数据用于光声信号的归一化；所述的数据采集卡通过IEEE488数据线与笔记本电脑相连，所述的数据采集卡将所采集到的数据通过笔记本电脑来进行存储；所述的光谱仪通过USB接口与笔记本电脑相连；
所述的超辐射发光二极管与离轴石英音叉增强型光声池之间设有分束镜和聚集透镜，所述的分束镜倾斜小于45o的角度设置在所述的聚集透镜的前方，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输至离轴石英音叉增强型光声池内，所述的分束镜与光谱仪之间也设有一聚集透镜，将分束镜分出的光束经过聚集透镜传输给光谱仪；
所述的超辐射发光二极管和二极管控制器以及其它用电元件均采用锂电池进行供电。
2.根据权利要求1所述一种用于农田多种气体实时在线监测装置，其特征在于：所述的离轴石英音叉增强型光声池包括：管状谐振腔、两个石英音叉和气体池，所述的管状谐振腔中间位置对称开有两个小孔，所述的管状谐振腔安装在两个石英音叉之间，所述的管状谐振腔与超辐射发光二极管所发出的光束同轴，所述的聚集透镜的焦点正好位于所述管状谐振腔的正中央，所述的两个石英音叉双臂均与管状谐振腔平行。
3.根据权利要求2所述一种用于农田多种气体实时在线监测装置，其特征在于：所述管状谐振腔和两个石英音叉都安装在气体池内的底座上，所述的气体池开设有入射窗口、出射窗口和进气口以及出气口，所述的入射窗口和出射窗口处各设置有一块蓝宝石窗片，所述的进气口通过进气管和进气阀与空气过滤器相连，所述的出气口通过出气管和出气阀与另一个空气过滤器相连，所述的入射窗口与出射窗口相互对称，进气口与出气口相互对称。
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