CN107607476A - 一种利用fft算法获取光声池共振频率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体浓度检测技术领域，具体涉及一种利用FFT(Fast Fourier Transformation)算法获取光声池共振频率的装置，包括宽频信源驱动电路、光声池、FFT运算器及微处理器；光声池内设置有缓冲室，缓冲室内设置有扬声器，扬声器的输入端与宽频信源驱动电路电连接；光声池共频段的内部设置有微音器，微音器经A/D转换电路与FFT运算器的输入端电连接，FFT运算器输出端与微处理器电连接。本发明可同时发射共振频率漂移范围所在的频段内的各频率的信号，利用快速傅里叶变换将采集的声音数字信号变换成频谱信号，从而可以方便的找出频谱信号最强处所对应的信号频率(即光声池共振频率)，具有实时性好、响应速度快的优点。

Description

一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置及方法

技术领域

本发明属于气体浓度检测技术领域，具体涉及一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置及方法。

背景技术

光声光谱气体检测是在物质光声效应基础上发展起来的一种光谱检测技术，光声效应是物质吸收脉冲或者调制光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。这种气体检测技术具有很高的灵敏度和极好的适应性，适用于痕量气体的检测。光声气体检测装置主要由光源、光声池、声敏感元件和信号检测处理模块四部分构成。光源发射被调制的光，射入光声池，光声池内的气体因间歇吸收光能而形成声波，声敏感元件拾取声信号并传给信号检测处理模块，根据声信号与标准气体浓度之间的标定关系，可以检测待测气体的浓度。

在设计光声气体检测系统时，可以根据不同光声池的特点，选用共振型或非共振型光声池。共振型光声池利用光学窗口与气体进出口的噪声信号不直接耦合的声共振模式，能使气体连续流动，又能够减少光学窗口材料产生的背景噪声信号；同时共振光声池还能相对的减少池内壁气体吸附与释放的影响；另外通过提高共振光声池的品质因数(Q)值，还能进一步提高系统的探测灵敏度。由于共振频率会随着光声池内环境因素的改变而变化，如温度、湿度和气体的组分等，就需要对光源的调制频率做出相应的改变，光声信号才能正确表示光声池内待测气体的浓度，因此对共振型光声池的共振频率进行实时的获取校正是非常重要的工作。

目前实现共振频率获取的方式主要有两种：一种是扫频幅值法，即信号源连续发射能覆盖共振频率范围内的单频声信号，通过微音器检测到的信号幅值来锁定共振频率；另一种是相差定值法，即通过判断声源发出的原始信号与微音器接收到的信号二者的相位差来确定共振频率，可用锁相环电路实现。尽管这两种方式简单易行，但存在着耗时多，实时性差的缺点，从而导致系统的响应时间不够快，测量精度不够准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置及方法，该方法实时性好、响应速度快。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置，包括宽频信源驱动电路、光声池、FFT运算器及微处理器；光声池内设置有缓冲室，缓冲室内设置有扬声器，扬声器的输入端与宽频信源驱动电路电连接；光声池共频段的内部设置有微音器，微音器经A/D转换电路与FFT运算器的输入端电连接，FFT运算器输出端与微处理器电连接。

一种利用FFT算法获取光声池共振频率的方法，包括以下步骤：

S1、根据光声池设计的共振频率和气体浓度变化过程中共振频率可能存在的漂移范围选择宽频信号源，选定的宽频信号源产生的信号频率覆盖光声池共振频率的漂移范围，并判定共振频率漂移范围所在的频段；

S2、选定的宽频信号源同时发射共振频率漂移范围所在的频段内的各频率的信号；

S3、所述信号经过数模D/A转换成模拟信号驱动安装在光声池内的扬声器发声，扬声器发出的声信号经过共振放大后被微音器接收；

S4、微音器将接收到的声信号转化为电信号，所述电信号经A/D变换为数字信号，所述数字信号被传送到FFT运算器进行FFT变换得到频谱信号；

S5、微处理器对所述频谱信号进行分析，得到频谱信号最强处对应的信号频率，该频率即为光声池的共振频率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：利用快速傅里叶变换将采集的声音数字信号变换成频谱信号，从而可以方便的找出频谱信号最强处所对应的信号频率，即光声池的共振频率；由于在使用时，可同时发射共振频率漂移范围所在的频段内的各频率的信号，无需逐一扫描，如果共振频率发生漂移，可实时获取发现，因此，本发明具有实时性好、响应速度快的优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的框架示意图；

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

如图1所示，本实施例提供一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置，包括宽频信源驱动电路、光声池、FFT运算器及微处理器；光声池内设置有缓冲室，缓冲室内设置有扬声器1，宽频信源驱动电路包括宽频信号源和D/A转换电路，宽频信号源经D/A转换电路连接扬声器1输入端；光声池共频段的内部设置有微音器2，微音器2经A/D转换电路与FFT运算器的输入端电连接，FFT运算器输出端与微处理器电连接。FFT运算器为快速傅里叶变换运算器，为现有技术中已有的器件。

如图2所示，本实施例提供一种利用FFT算法获取光声池共振频率的方法，包括以下步骤：

S1、根据光声池设计的共振频率和气体浓度变化过程中共振频率可能存在的漂移范围选择宽频信号源，选定的宽频信号源产生的信号频率覆盖光声池共振频率的漂移范围，并判定共振频率漂移范围所在的频段；判定共振频率偏移范围所在的频段的判定方法可采用现有判定方法，此处不再赘述；

S2、选定的宽频信号源同时发射共振频率漂移范围所在的频段内的各频率的信号；

S3、该信号经过D/A转换电路转换成模拟信号，该模拟信号驱动安装在光声池内的扬声器1发声，扬声器1发出的声信号经过共振放大后被微音器2接收；

S4、微音器2将接收到的声信号转化为电信号，该电信号经A/D转换电路转换为数字信号，该数字信号被传送到FFT运算器进行FFT变换得到频谱信号；

S5、微处理器对该频谱信号进行分析，得到频谱信号最强处对应的信号频率，该频率即为光声池的共振频率。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims (3)

1.一种利用FFT算法获取光声池共振频率的装置，其特征在于，包括宽频信源驱动电路、光声池、FFT运算器及微处理器；光声池内设置有缓冲室，缓冲室内设置有扬声器，扬声器的输入端与宽频信源驱动电路电连接；光声池共频段的内部设置有微音器，微音器经A/D转换电路与FFT运算器的输入端电连接，FFT运算器输出端与微处理器电连接。

2.根据权利要求1所述的利用FFT算法获取光声池共振频率的装置及方法，其特征在于，所述宽频信源驱动电路包括宽频信号源和D/A转换电路，宽频信号源经D/A转换电路连接扬声器输入端。

3.一种利用FFT算法获取光声池共振频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据光声池设计的共振频率和气体浓度变化过程中共振频率可能存在的漂移范围选择宽频信号源，选定的宽频信号源产生的信号频率覆盖光声池共振频率的漂移范围，并判定共振频率漂移范围所在的频段；

S2、选定的宽频信号源同时发射共振频率漂移范围所在的频段内的各频率的信号；

S3、所述信号经过数模D/A转换成模拟信号驱动安装在光声池内的扬声器发声，扬声器发出的声信号经过共振放大后被微音器接收；

S4、微音器将接收到的声信号转化为电信号，所述电信号经A/D变换为数字信号，所述数字信号被传送到FFT运算器进行FFT变换得到频谱信号；

S5、微处理器对所述频谱信号进行分析，得到频谱信号最强处对应的信号频率，该频率即为光声池的共振频率。