CN103293107A - 基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置 - Google Patents

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谢亮
王瑞
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Abstract

本发明公开了一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，包括DFB激光器、调制电流源、温度控制器、控制箱、功率分配器、任意波形发生器、锁相放大器、基座、套管、尾纤连接器、自聚焦透镜、石英音叉和电脑，其中：调制电流源和温度控制器分别控制DFB激光器的注入电流和工作温度，使DFB激光器的输出波长在1370nm附近有一个较强的水汽吸收峰；任意波形发生器提供调制信号，周期性的调制DFB激光器的输出光频率；DFB激光器输出光通过自聚焦透镜后，聚焦光束的焦点位于石英音叉两臂之间的间隙中，通过石英音叉检测光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，经锁相放大器放大后输出给电脑，由电脑实时显示测量到的空气湿度。

Description

基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置
技术领域
本发明属于气体传感装置技术领域，特别涉及一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置。
背景技术
空气湿度是空气中水汽浓度的表征。空气湿度检测广泛应用于气象观测、环境控制、干燥处理、植物栽培、过程控制等领域。传统的湿度测量方法主要有“干湿球”法、“露点仪”法和“湿敏电容”法，这些方法在实际应用中存在一定的局限性：干湿球湿度计的准确度较低，并且测量条件较为苛刻；露点法测湿度的优势是准确度和分辨率都很高，但其平衡时间长，不适合动态湿度测量；湿敏电容湿度传感器灵敏度高，容易实现小型化和集成化，但精度较低。
采用红外光谱吸收法进行空气湿度检测，确定水汽的特征吸收谱线，并控制半导体激光器输出对应波长的激光透过待测空气，通过检测吸收强度得到水蒸气浓度，结合温度就可以得到空气的相对湿度。该方法具有灵敏度高、精度高、响应时间快等优点，自出现后便得到了迅速的发展。但其成本高，设备复杂，体积庞大，应用受到了限制。因此，发展灵敏度高、精度高、响应时间快，并且体积小、成本低、结构简单的空气湿度检测装置具有十分重要的应用价值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，以实现灵敏度高、精度高、响应时间快，并且体积小、成本低、结构简单的空气湿度检测装置。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，该空气湿度动态检测装置包括DFB激光器1、调制电流源2、温度控制器3、控制箱4、功率分配器5、任意波形发生器6、锁相放大器7、基座8、套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11、石英音叉12和电脑13，其中：调制电流源2和温度控制器3分别控制DFB激光器1的注入电流和工作温度，使DFB激光器1的输出波长锁定在1370nm附近一个较强的水汽吸收峰上；任意波形发生器6提供调制信号，周期性的调制DFB激光器1的输出光频率；DFB激光器1输出光通过自聚焦透镜11后，聚焦光束的焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙中，通过石英音叉12检测光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，经锁相放大器7放大后输出给电脑13，由电脑13实时显示测量到的空气相对湿度。
上述方案中，该DFB激光器1在调制电流源2和温度控制器3的控制下，通过改变工作温度和注入电流，使其输出光波长在1370nm附近有一个较强的水汽吸收峰，其输出光通过尾纤连接器10被自聚焦透镜11聚焦至石英音叉12两臂之间的间隙。
上述方案中，该调制电流源2的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的注入电流；该温度控制器3的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的工作温度。该控制箱4的两个输出端分别控制调制电流源2和温度控制器3，其输入端连接于功率分配器5的一个输出端，用于控制调制电流源2和温度控制器3，为DFB激光器1提供调制信号。
上述方案中，该功率分配器5包括两个输出端和一个输入端，其输入端连接于任意波形发生器6，将任意波形发生器6的输出信号分成频率相等的两路输出信号，分别输出给控制箱4的输入端和锁相放大器7的参考信号输入端。该任意波形发生器6，其输出端连接于功率分配器5的输入端，用于向功率分配器5输出信号频率为f的波，且f为石英音叉共振频率f0的二分之一，即
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上述方案中，该锁相放大器7包括参考信号输入端、被测信号输入端和输出端，其参考信号输入端与功率分配器5的一个输出端连接，其被测信号输入端与石英音叉12的输出端连接，其输出端与电脑13连接，用于对功率分配器5输入的参考信号及石英音叉12输入的被测信号进行二次谐波测量，得到幅值，并输出给电脑13。该电脑13与锁相放大器7的输出端连接，通过安装的LabVIEW程序计算并显示空气湿度。
上述方案中，该基座8用来固定套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11和石英音叉12，该套管9对尾纤连接器10和自聚焦透镜11起保护和固定作用。该尾纤连接器10，其端面与自聚焦透镜一端面连接，用紫外固化胶固定，尾纤与DFB激光器1的输出连接；该自聚焦透镜11，将DFB激光器1发出的光聚焦，焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙；该石英音叉12，其共振频率为f0＝32.768kHz，包括两臂和输出端，其输出端与锁相放大器7的被测信号输入端连接。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：第一，基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置光程短，无需制作气室，用简单基座固定，简化了其机械结构。第二，基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，省去了常规气体吸收法测量气体浓度时使用的光电探测器，大大降低了成本。第三，使用石英音叉增强气体光声光谱技术，音叉是常规的钟表石英振荡器，成本低，灵敏度高，稳定性好，极少受外界电磁、机械振动和环境噪声的干扰。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是依照本发明实施例的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置的结构示意图。
图2a是图1中基座的机械结构的示意图，用来固定套管、尾纤连接器、自聚焦透镜和石英音叉。
图2b是图1中石英音叉的结构示意图，包括两臂和输出端。
图2c是图1中DFB激光器与石英音叉之间光耦合装置的示意图，包括：尾纤连接器、自聚焦透镜、套管。
图3是图1中光电转换部分的结构示意图，包括图2a、图2b、图2c中各部分组合后的装置图，将DFB激光器输出光转换为石英音叉输出端的电流信号输出。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1是依照本发明实施例的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置的结构示意图，该空气湿度动态检测装置包括DFB激光器1、调制电流源2、温度控制器3、控制箱4、功率分配器5、任意波形发生器6、锁相放大器7、基座8、套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11、石英音叉12和电脑13，其中：调制电流源2和温度控制器3分别控制DFB激光器1的注入电流和工作温度，使DFB激光器1的输出波长在1370nm附近有一个较强的水汽吸收峰；任意波形发生器6提供调制信号，周期性的调制DFB激光器1的输出光频率；DFB激光器1输出光通过自聚焦透镜11后，聚焦光束的焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙中，通过石英音叉12检测光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，经锁相放大器7放大后输出给电脑13，由电脑13实时显示测量到的空气湿度。
其中，该DFB激光器1在调制电流源2和温度控制器3的控制下，通过改变工作温度和注入电流，使其输出光波长锁定在1370nm附近一个较强的水汽吸收峰上，其输出光通过尾纤连接器10被自聚焦透镜11聚焦至石英音叉12两臂之间的间隙。
该调制电流源2的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的注入电流；该温度控制器3的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的工作温度。该控制箱4的两个输出端分别控制调制电流源2和温度控制器3，其输入端连接于功率分配器5的一个输出端，用于控制调制电流源2和温度控制器3，为DFB激光器1提供调制信号。
该功率分配器5包括两个输出端和一个输入端，其输入端连接于任意波形发生器6，将任意波形发生器6的输出信号分成频率相等的两路输出信号，分别输出给控制箱4的输入端和锁相放大器7的参考信号输入端。该任意波形发生器6，其输出端连接于功率分配器5的输入端，用于向功率分配器5输出信号频率为f的波，且f为石英音叉共振频率f0的二分之一，即 f = 1 2 f 0 .
该锁相放大器7包括参考信号输入端、被测信号输入端和输出端，其参考信号输入端与功率分配器5的一个输出端连接，其被测信号输入端与石英音叉12的输出端连接，其输出端与电脑13连接，用于对功率分配器5输入的参考信号及石英音叉12输入的被测信号进行二次谐波测量，锁相放大器的增益选择为107V/A，其读数与二次谐波信号的幅值成比例，输出给电脑13。该电脑13与锁相放大器7的输出端连接，应用LabVIEW语言进行程序设计。由于锁相放大器的输出信号与水汽的体积分数成正比，因此，通过安装于该电脑13的LabVIEW程序计算并显示空气湿度。
该基座8，请参阅图2a所示，用来固定套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11和石英音叉12。该套管9，如图2c所示，对尾纤连接器10和自聚焦透镜11起保护和固定作用。该尾纤连接器10，其端面与自聚焦透镜一端面连接，用紫外固化胶固定，尾纤与DFB激光器1的输出连接；该自聚焦透镜11，将DFB激光器1发出的光聚焦，焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙；该石英音叉12，其共振频率为f0＝32.768kHz，包括两臂和输出端，其输出端与锁相放大器7的被测信号输入端连接。图3是图1中光电转换部分的结构示意图，包括图2a、图2b、图2c中各部分组合后的装置图，将DFB激光器输出光转换为石英音叉输出端的电流信号输出。
在本发明中，自聚焦透镜11和石英音叉12固定在基座8上，DFB激光器1输出光束通过尾纤连接器10进入自聚焦透镜11，尾纤连接器10与自聚焦透镜12连接，并将其共同固定在套管9中，DFB激光器1发出的光经自聚焦透镜11后被聚焦至石英音叉12两臂之间的间隙，即聚焦光束的焦点位于石英音叉两臂间隙之间。石英音叉12的共振频率为检测频率为2f的频率成分的信号幅度。
本发明提供的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，是基于石英音叉增强气体光声光谱技术检测气体吸收谱线，具有以下优势：成本低，灵敏度高，稳定性好，极少受外界电磁、机械振动和环境噪声的干扰。
本发明提供的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，光程短，不需制作气室，只需设计简单的固定基座。该装置中，使用石英音叉探测光声信号，将其转化为电流信号输出，代替红外光谱吸收法进行空气湿度检测时使用的价格昂贵的光电探测器。
因此，本发明提出的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，灵敏度和精度高，响应时间快，并且体积小，结构简单，大大降低了制造成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该空气湿度动态检测装置包括DFB激光器(1)、调制电流源(2)、温度控制器(3)、控制箱(4)、功率分配器(5)、任意波形发生器(6)、锁相放大器(7)、基座(8)、套管(9)、尾纤连接器(10)、自聚焦透镜(11)、石英音叉(12)和电脑(13)，其中：调制电流源(2)和温度控制器(3)分别控制DFB激光器(1)的注入电流和工作温度，使DFB激光器(1)的输出波长锁定在1370nm附近一个较强的水汽吸收峰上；任意波形发生器(6)提供调制信号，周期性的调制DFB激光器(1)的输出光频率；DFB激光器(1)输出光通过自聚焦透镜(11)后，聚焦光束的焦点位于石英音叉(12)两臂之间的间隙中，通过石英音叉(12)检测光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，经锁相放大器(7)放大后输出给电脑(13)，由电脑(13)实时计算并显示测量到的空气湿度。
2.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该DFB激光器(1)在调制电流源(2)和温度控制器(3)的控制下，通过改变工作温度和注入电流，使其输出光波长锁定在1370nm附近一个较强的水汽吸收峰上，其输出光通过尾纤连接器(10)被自聚焦透镜(11)聚焦至石英音叉(12)两臂之间的间隙。
3.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该调制电流源(2)的输出端连接于DFB激光器(1)的输入端，用于控制该DFB激光器(1)的注入电流；该温度控制器(3)的输出端连接于DFB激光器(1)的输入端，用于控制该DFB激光器(1)的工作温度。
4.根据权利要求3所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该控制箱(4)的两个输出端分别控制调制电流源(2)和温度控制器(3)，其输入端连接于功率分配器(5)的一个输出端，用于控制调制电流源(2)和温度控制器(3)，为DFB激光器(1)提供调制信号。
5.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该功率分配器(5)包括两个输出端和一个输入端，其输入端连接于任意波形发生器(6)，将任意波形发生器(6)的输出信号分成频率相等的两路输出信号，分别输出给控制箱(4)的输入端和锁相放大器(7)的参考信号输入端。
6.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该任意波形发生器(6)，其输出端连接于功率分配器(5)的输入端，用于向功率分配器(5)输出信号频率为f的波，且f为石英音叉共振频率f0的二分之一，即
7.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该锁相放大器(7)包括参考信号输入端、被测信号输入端和输出端，其参考信号输入端与功率分配器(5)的一个输出端连接，其被测信号输入端与石英音叉(12)的输出端连接，其输出端与电脑(13)连接，用于对功率分配器(5)输入的参考信号及石英音叉(12)输入的被测信号进行二次谐波测量，得到幅值并输出给电脑(13)。
8.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该电脑(13)与锁相放大器(7)的输出端连接，通过安装的LabVIEW程序计算并显示空气湿度。
9.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，该基座(8)用来固定套管(9)、尾纤连接器(10)、自聚焦透镜(11)和石英音叉(12)，该套管(9)对尾纤连接器(10)和自聚焦透镜(11)起保护和固定作用。
10.根据权利要求9所述的基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，其特征在于，
该尾纤连接器(10)，其端面与自聚焦透镜一端面连接，用紫外固化胶固定，尾纤与DFB激光器(1)的输出连接；
该自聚焦透镜(11)，将DFB激光器(1)发出的光聚焦，焦点位于石英音叉(12)两臂之间的间隙；
该石英音叉(12)，其共振频率为f0＝32.768kHz，包括两臂和输出端，其输出端与锁相放大器(7)的被测信号输入端连接。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105510233A (zh) * 2015-12-25 2016-04-20 哈尔滨工业大学 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法
CN117367582A (zh) * 2023-12-06 2024-01-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3345077A1 (de) * 1983-01-08 1984-07-12 Horiba Ltd., Kyoto Optoakustisches geraet zum messen einer gaskonzentration
US20050117155A1 (en) * 2002-06-10 2005-06-02 William Marsh Rice University Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
CN101358918A (zh) * 2007-07-24 2009-02-04 Ir微系统股份有限公司 用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器
CN101960290A (zh) * 2008-03-07 2011-01-26 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有背景补偿的光声样本探测器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3345077A1 (de) * 1983-01-08 1984-07-12 Horiba Ltd., Kyoto Optoakustisches geraet zum messen einer gaskonzentration
US20050117155A1 (en) * 2002-06-10 2005-06-02 William Marsh Rice University Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
CN101358918A (zh) * 2007-07-24 2009-02-04 Ir微系统股份有限公司 用于进行石英增强的光声光谱测量的方法和气体传感器
CN101960290A (zh) * 2008-03-07 2011-01-26 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有背景补偿的光声样本探测器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孙善文等: "水气含量对基于QEPAS甲烷气体探测性能的影响", 《中国激光》 *
林成等: "珐珀解调的石英增强光声光谱气体探测系统", 《光谱学与光谱分析》 *
王贵师: "基于石英音叉增强型光谱技术（QEPAS）的实时探测系统研究", 《物理学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105510233A (zh) * 2015-12-25 2016-04-20 哈尔滨工业大学 一种多点测量的光声光谱气体传感器及测量方法
CN117367582A (zh) * 2023-12-06 2024-01-09 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统
CN117367582B (zh) * 2023-12-06 2024-03-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种太阳光谱遥感仪器的光学调制系统

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