CN108896487A - 校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种校正光声系统二次谐波波形及精度提升的装置和方法，属于光纤气体传感检测领域，该装置包括DFB激光器、温控模块、单片机、信号发生器、光声池、微音器、前置放大器、锁相放大器等。两个单片机分别产生锯齿波和反锯齿波作为扫描信号，单片机和信号发生器的输出端连接加法器的输入端，加法器的输出端连接DFB激光器，温控模块控制DFB激光器，用来调节气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，DFB激光器出射的光进入光声池，微音器置于微音器固定处上，用于声波的探测，微音器输出端连接前置放大器输入端，前置放大器输出端连接锁相放大器输入端，锁相放大器的输出端连接计算机。在计算机上得到两个下峰谷对称的二次谐波信号，提升了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种校正二次谐波信号的技术，具体讲的是一种校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置和方法，属于光纤气体传感检测领域。
背景技术
随着社会的进步和工业的发展，对各类气体的监测成为日益凸显的一个问题，越来越影响着人们的衣食住行。基于光声光谱的光纤传感器具有探测灵敏度高、实时性强等优点。光声光谱技术是基于光声效应发展起来的检测技术，对于光声信号的检测，波长调制光谱技术是一种非常有效的方法。波长调制光谱技术是DFB激光器波长调制技术和弱信号检测技术的结合，当DFB激光器波长被调制时，会引起光功率的起伏，导致二次谐波信号畸变，表现在二次谐波波形上就是其两个下峰谷不对称，影响测量的准确性。
王强在论文“近红外光纤水气传感器的关键技术研究”(山东大学博士学位论文2016P99102)中提出了一种基于BRD的双光束波形矫正技术来校正二次谐波的波形，通过一个光纤耦合器将激光器输出的光分成两束，分别作为信号光和参考光，通过BRD电路调整后由锁相放大器进行检测，可以有效的恢复理想的二次谐波波形。但是上述方法需要将激光器的光进行分光，信号幅度会明显降低，信噪比降低，不利于信号的检测。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置和方法，能够在保证不降低信噪比的前提下对二次谐波波形进行校正。
本发明的技术方案是按以下方式实现的：
一种校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置，包括单片机a、信号发生器a、加法器a、温控模块a、DFB激光器a、锁相放大器、前置放大器、微音器、光声池、温控模块b、DFB激光器b、加法器b、单片机b、信号发生器b和计算机，其特征在于单片机a和信号发生器a的输出端分别连接到加法器a的两输入端，加法器a和温控模块a的输出端分别连接到DFB激光器a；单片机b和信号发生器b的输出端分别连接到加法器b的两输入端，加法器b和温控模块b的输出端分别连接到DFB激光器b；光声池是由钢材制成的圆桶状封闭结构，其两端分别开有两个激光入口a、b，光声池的前后端上方带有入气口和出气口，光声池中间位置上部带有微音器固定处，光声池的前后端位于入气口和出气口的下方空间分别是缓冲室a和缓冲室b，缓冲室a和缓冲室b之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔；DFB激光器a的出射端位于光声池的一个激光入口a之前，通过光纤将其连接到激光入口a端；DFB激光器b的出射端位于的光声池的另一激光入口b之前，通过光纤将其连接到激光入口b端；微音器被置于光声池中的微音器固定处上，微音器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的输出端和计算机相连接；
所述的DFB激光器a、b的中心波长对应于待测气体的吸收峰值波长。
一种利用上述装置进行工作的方法，步骤如下：
1)连接好上述装置，打开两个单片机和两个信号发生器及计算机的电源，在光声池中注入待测气体；
2)令单片机a产生一个锯齿波作为低频扫描信号，单片机b产生一个反锯齿波作为低频扫描信号，信号发生器a和信号发生器b产生光声池共振频率一半的高频调制信号，经过加法器a和加法器b将扫描信号和调制信号相加作为驱动信号；
3)打开DFB激光器a的电源，调整好激光使光束进入激光入口a，在计算机上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块a使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，关闭DFB激光器a的电源，打开DFB激光器b的电源，调整好激光使光束进入激光入口b，在计算机上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块b使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，关闭DFB激光器b的电源；
4)同时打开DFB激光器a和DFB激光器b的电源，光入射到光声池中被气体分子吸收，产生声波，微音器用来将探测到的声信号转换为电信号，前置放大器将电信号进行放大，放大后的电信号被锁相放大器解调，在计算机上观察到校正后的二次谐波信号，如两个下峰谷不对称时，重复步骤3)，直到观察到经校正后的二次谐波信号的两个下峰谷对称时为止，此时所得到的二次谐波信号幅值相比于一个DFB激光器工作时增大了一倍，提升了检测精度；
5)信号处理完毕，关闭电源。
本发明的所述的光声池和微音器可以用气室和石英音叉替换。
本发明装置可用来检测含有水蒸气、乙炔、一氧化碳、二氧化硫，甲烷等气体的待测气体。
有益效果：
本发明采用的方法，具有操作简单，成本低廉等优点。能得到两个下峰谷对称的二次谐波信号。而且提升了信噪比。
附图说明
图1是本发明装置的结构图。
其中：1、单片机a，2、信号发生器a，3、加法器a，4、温控模块a，5、DFB激光器a，6、锁相放大器，7、前置放大器，8、微音器，9、光声池，10、温控模块b，11、DFB激光器b，12、加法器b，13、单片机b，14、信号发生器b，15、计算机。
图2是本发明光声池的示意图。
其中16、激光入口a，17、入气口，18、微音器固定处，19、出气口，20、缓冲室b，21、激光入口b，22、缓冲室a，23、谐振腔。
图3是加法器a输出的驱动信号。
图4是加法器b输出的驱动信号。
图5是单独打开DFB激光器a的电源，在计算机上观察到的二次谐波信号。
图6是单独打开DFB激光器a的电源，在计算机上观察到的二次谐波信号
图7是DFB激光器a和DFB激光器b同时工作时，在计算机上观察到的二次谐波信号，明显可以看出二次谐波信号被校正，且信号幅度相比于一个激光器单独工作增大了一倍。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置，如图1所示，包括单片机a1、信号发生器a2、加法器a3、温控模块a4、DFB激光器a5、锁相放大器6、前置放大器7、微音器8、光声池9、温控模块b10、DFB激光器b11、加法器b12、单片机b13、信号发生器b14和计算机15，单片机a1和信号发生器a2的输出端分别连接到加法器a4的两输入端，加法器a3和温控模块a4的输出端分别连接到DFB激光器a5；单片机b13和信号发生器b14的输出端分别连接到加法器b12的两输入端，加法器b12和温控模块b10的输出端分别连接到DFB激光器b11；如图2所示，光声池9是由钢材制成的圆桶状封闭结构，其两端分别开有激光入口a16和激光入口b21，光声池的前后端上方带有入气口17和出气口19，光声池9中间位置上部带有微音器固定处18，光声池的前后端位于入气口17和出气口19的下方空间分别是缓冲室a22和缓冲室b20，缓冲室a22和缓冲室b20之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔23；DFB激光器a5的出射端位于光声池的一个激光入口a16端之前，通过光纤将其连接到激光入口a端；DFB激光器b11的出射端位于的光声池的另一激光入口b21之前，通过光纤将其连接到激光入口b21端；微音器8被置于光声池9中的微音器固定处18上，微音器8的输出端连接前置放大器7的输入端，前置放大器7的输出端连接到锁相放大器6的输入端，锁相放大器6的输出端和计算机15相连接；
所述的DFB激光器a、b的中心波长对应于待测气体的吸收峰值波长。
实施例2：
一种利用上述装置进行工作的方法，步骤如下：
1)连接好上述装置，打开单片机a2、信号发生器a3、单片机b13和信号发生器b14及计算机15的电源，在光声池9中注入含有乙炔的待测气体；
2)令单片机a2产生一个锯齿波作为低频扫描信号，单片机b13产生一个反锯齿波作为低频扫描信号，信号发生器a2和信号发生器b14产生光声池9共振频率一半的高频调制信号，经过加法器a4和加法器b12将扫描信号和调制信号相加作为驱动信号，如图3和4所不；
3)打开DFB激光器a5的电源，在计算机15上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块a4使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置如图5所示，关闭DFB激光器a5的电源，打开DFB激光器b11的电源，在计算机15上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块b10使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，如图6所示，关闭DFB激光器b11的电源；
4)同时打开DFB激光器a5和DFB激光器b11的电源，光入射到光声池9中被气体分子吸收，产生声波，微音器8用来探测声信号并转换为电信号，前置放大器7将电信号进行放大，放大后的电信号被锁相放大器6解调，在计算机15上观察到了校正后的二次谐波信号，如两个下峰谷不对称时，重复步骤3)，直到观察到经校正后的二次谐波信号的两个下峰谷对称时为止，如图7所示，此时所得到的二次谐波信号幅值相比于一个DFB激光器工作时增大了一倍，提升了检测精度；
5)信号处理完毕，关闭电源。
所述的DFB激光器的中心波长对应于乙炔气体的吸收峰为1530.37nm。
实施例3：
和实施例2相同，只是所述的待测气体为含有水蒸气的待测气体，所述的DFB激光器的中心波长对应于水蒸气气体的吸收峰为1368.597nm。
Claims (2)
1.一种校正光声系统二次谐波波形及提升精度的装置，包括单片机a、信号发生器a、加法器a、温控模块a、DFB激光器a、锁相放大器、前置放大器、微音器、光声池、温控模块b、DFB激光器b、加法器b、单片机b、信号发生器b和计算机，其特征在于单片机a和信号发生器a的输出端分别连接到加法器a的两输入端，加法器a和温控模块a的输出端分别连接到DFB激光器a；单片机b和信号发生器b的输出端分别连接到加法器b的两输入端加法器b和温控模块b的输出端分别连接到DFB激光器b；光声池是由钢材制成的圆桶状封闭结构，其两端分别开有两个激光入口a、b，光声池的前后端上方带有入气口和出气口，光声池中间位置上部带有微音器固定处，光声池的前后端位于入气口和出气口的下方空间分别是缓冲室a和缓冲室b，缓冲室a和缓冲室b之间是一个纵向共振模式的圆柱形谐振腔DFB激光器a的出射端位于光声池的一个激光入口a之前，通过光纤将其连接到激光入口a端；DFB激光器b的出射端位于的光声池的另一激光入口b之前，通过光纤将其连接到激光入口b端；微音器被置于光声池中的微音器固定处上，微音器的输出端连接前置放大器的输入端，前置放大器的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的输出端和计算机相连接；
所述的DFB激光器a、b的中心波长对应于待测气体的吸收峰值波长。
2.一种利用权利要求1所述装置进行工作的方法，步骤如下：
1)连接好上述装置，打开两个单片机和两个信号发生器及计算机的电源，在光声池中注入待测气体；
2)令单片机a产生一个锯齿波作为低频扫描信号，单片机b产生一个反锯齿波作为低频扫描信号，信号发生器a和信号发生器b产生光声池共振频率一半的高频调制信号，经过加法器a和加法器b将扫描信号和调制信号相加作为驱动信号；
3)打开DFB激光器a的电源，在计算机上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块a使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，关闭DFB激光器a的电源，打开DFB激光器b的电源，在计算机上观察气体吸收峰的位置，调节温控模块b使气体吸收峰波长在扫描信号周期的中间位置，关闭DFB激光器b的电源；
4)同时打开DFB激光器a和DFB激光器b的电源，光入射到光声池中被气体分子吸收，产生声波，微音器用来将探测到的声信号转换为电信号，前置放大器将电信号进行放大，放大后的电信号被锁相放大器解调，在计算机上观察到校正后的二次谐波信号，如两个下峰谷不对称时，重复步骤3)，直到观察到经校正后的二次谐波信号的两个下峰谷对称时为止，此时所得到的二次谐波信号幅值相比于一个DFB激光器工作时增大了一倍，提升了检测精度；
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