CN109211841A - 一种气体浓度探测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体浓度探测系统，包括信号发生器、电压加法器、激光发射器、激光驱动器、线阵CCD、模拟信号接收处理模块和CPU处理模块，所述激光发射器包括激光发射器一和激光发射器二，所述激光发射器二出射光路上设置有微型气室和设置在微型气室内的反射式石英增强光纤模块，且反射式石英增强光纤模块是由石英音叉和垂直固定在石英音叉上端的微共振管组成，本发明还提供了一种气体浓度的检测方法，不仅提高了气体浓度检测的灵敏度，同时也很好地减少了光源强度的波动、光纤折射率变化等外界干扰因素对本系统的影响，因此，提高了整个气体浓度探测系统的稳定性。

Description

一种气体浓度探测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体为一种气体浓度探测系统及其检测方法。

背景技术

光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过几十年的发展，它已应用于社会发展的各个方面。其中传统的光谱吸收型气体传感器最为简单、便捷，也是应用最广泛的一种气体传感器，在人类的生产生活中，需要对部分气体浓度应用光声光谱技术进行定时定量检测，以便使人类生产生活更好更快的发展。部分污染气体对人类生产生活产生了消极的影响与危害，特别是一些有毒气体，若不能对这些气体有效的检测出来，就会对环境造成污染，甚至威胁人类的健康，以此对气体浓度的检测具有十分重要的意义，同时也是气体检测技术发展的方向；在医学上，光声光谱气体传感器可用于检测人的身体健康状况，例如可用于检测糖尿病人是否有酮酸中毒症，可检测其呼出气体中的丙酮含量；判断汽车司机是否酒驾，可检测其呼出气体乙烯的浓度，通过气体传感器，可快速检测出气体浓度，判断司机是否酒驾；因此，传统的气体传感器在医学方面具有广泛的应用。

然而现有传统的气体传感器仍然存在一些问题，例如：受光源强度的波动、光纤折射率变化，连接器损耗和外界干扰等因素的影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体浓度探测系统以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气体浓度探测系统，包括信号发生器、电压加法器、激光发射器、激光驱动器、线阵CCD、模拟信号接收处理模块和CPU处理模块，所述信号发生器的信号输出端与电压加法器的同步信号输入端连接，且电压加法器的调制输出端与激光驱动器的调制信号口连接，所述激光发射器包括激光发射器一和激光发射器二，且激光发射器一的输入端与激光驱动器的输出端连接，所述激光发射器一的输出端通过光纤与激光准直器连接，所述激光发射器二出射光路上设置有微型气室和设置在微型气室内的反射式石英增强光纤模块，且反射式石英增强光纤模块是由石英音叉和垂直固定在石英音叉上端的微共振管组成，且微共振管是由两个不锈钢细管组成，所述石英音叉的一个信号输出管脚接地，且石英音叉另一个信号输出管脚输出光信号，所述微型气室一侧从上到下分别开设有进气口和排气口，所述激光准直器发射出的激光束穿过微型气室上对应开设的入光窗口一并射入到远离石英音叉一端的不锈钢细管端口上，所述激光发射器二发射出的激光束穿过微型气室对应开设的入光窗口二射入到设置在石英音叉侧壁上的反射镜，且反射镜将接收的激光束穿过对应开设在微型气室上的出光窗口并反射到线阵CCD上，所述线阵CCD将接收到的激光束通过模拟信号接收处理模块传输到CPU处理模块中。

优选的，所述石英音叉为一种利用石英晶体压电效应制成的晶体振荡器件。

本发明还提供了本气体浓度的检测方法，包括如下步骤：

a、先将信号发生器输出的两种波形经过叠加后形成调制激光并通过激光准直器发射出激光束，激光束进入微型气室内后穿过微共振管，调制激光被气体分子吸收产生能量，使温度作周期性变化，气压也随之改变，从而形成压力波，进而使石英音叉共振；

b、再采用激光发射器二，将激光照射到石英音叉的侧面，经过反射，激光照射到接收该激光的线阵CCD上，石英音叉一直在振动，所以反射激光在线阵CCD上形成光斑，且光斑为一条直线；

c、通过模拟信号接收处理模块将模拟信号转化成数字信号并将信号传输到CPU处理模块，并由CPU处理模块计算出反射激光在线阵CCD上形成的光斑距离L；

d、通过推导光斑的距离L与振幅角θ之间的关系，进而可间接反应所测气体的浓度。

优选的，所述步骤a中信号发生器输出的两种波形为正弦波和锯齿波，且正弦波频率f＝16.377KHZ,锯齿波周期T＝2.4s。

优选的，所述振幅角θ是指以单音叉臂未振动时为平衡点的基础上，单音叉臂向左或向右振动的过程中的最大振幅与平衡点之间的夹角。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用调制光进行调制，待气体分子吸收产生能量后，使温度作周期性变化，气压也随之改变，从而形成压力波，进而使石英音叉共振，再采用激光发射器，将激光照射到石英音叉的侧面，经过反射，激光照射到接收该激光的CCD上，石英音叉一直在振动，所以反射激光在线阵CCD上形成光斑，且光斑为一条直线，通过CPU处理模块计算出反射激光在线阵CCD上形成的光斑距离L，通过推导光斑的距离L与振幅角θ之间的关系，进而可间接反应所测气体的浓度，不仅提高了气体浓度检测的灵敏度，同时也很好地减少了光源强度的波动、光纤折射率变化等外界干扰因素对本发明的影响，因此，提高了气体浓度探测系统的稳定性。

附图说明

图1为气体浓度检测系统的结构示意图；

图2为反射式石英增强光纤模块的结构示意图；

图3为石英音叉振动到最右或最左侧时的几何图形；

图4为石英音叉振动到最左侧时的几何图形；

图5为石英音叉振动到最右侧时的几何图形；

图6为导光斑的距离与振幅角之间的几何关系仿真图。

图中：1、信号发生器；2、电压加法器；3、激光发射器；3a、激光发射器一；3b、激光发射器二；4、激光驱动器；5、线阵CCD；6、模拟信号接收处理模块；7、反射式石英增强光纤模块；7a、石英音叉；7b、微共振管；8、激光准直器；9、进气口；10、排气口；11、入光窗口一；12、入光窗口二13、反射镜；14、出光窗口；15、CPU处理模块；16、微型气室。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供的一种实施例：一种气体浓度探测系统，包括信号发生器1、电压加法器2、激光发射器3、激光驱动器4、线阵CCD5、模拟信号接收处理模块6和CPU处理模块15，所述信号发生器1的信号输出端与电压加法器2的同步信号输入端连接，且电压加法器2的调制输出端与激光驱动器4的调制信号口连接，所述激光发生器包括激光发射器一3a和激光发射器二3b，且激光发射器一3a的输入端与激光驱动器4的输出端连接，所述激光发射器一3a的输出端通过光纤与激光准直器8连接，所述激光发射器二3b出射光路上设置有微型气室16和设置在微型气室16内的反射式石英增强光纤模块7，且反射式石英增强光纤模块7是由石英音叉7a和垂直固定在石英音叉7a上端的微共振管7b组成，所述石英音叉7a为一种利用石英晶体压电效应制成的晶体振荡器件，且微共振管7b是由两个不锈钢细管7b1组成，所述石英音叉7a的一个信号输出管脚接地，且石英音叉7a另一个信号输出管脚输出光信号，所述微型气室16一侧从上到下分别开设有进气口9和排气口10，所述激光准直器8发射出的激光束穿过微型气室16上对应开设的入光窗口一11并射入到远离石英音叉7a一端的不锈钢细管7b端口上，所述激光发射器二3b发射出的激光束穿过微型气室16对应开设的入光窗口二12射入到设置在石英音叉7a侧壁上的反射镜13，且反射镜13将接收的激光束穿过对应开设在微型气室16上的出光窗口14并反射到线阵CCD5上，所述线阵CCD5将接收到的激光束通过模拟信号接收处理模块6传输到CPU处理模块15中。

本发明还提供了气体浓度的检测方法，包括如下步骤：

a、先将信号发生器1输出的两种波形经过叠加后形成调制激光并通过激光准直器8发射出激光束，激光束进入微型气室16内后穿过微共振管7b，调制激光被气体分子吸收产生能量，使温度产生周期性变化，气压也随之改变，从而形成压力波，进而使石英音叉7a共振；

b、再采用激光发射器二3b，将激光照射到石英音叉的侧面，经过反射，激光照射到接收该激光的线阵CCD5上，石英音叉7a一直在振动，所以反射激光在线阵CCD5上形成光斑，且光斑为一条直线；

c、通过模拟信号接收处理模块6将模拟信号转化成数字信号并将信号传输到CPU处理模块15，并由CPU处理模块15计算出反射激光在线阵CCD5上形成的光斑距离L；

d、通过推导光斑的距离L与振幅角θ之间的关系，进而可间接反应所测气体的浓度。

具体地，所述步骤a中信号发生器输出的两种波形为正弦波和锯齿波，且正弦波频率f＝16.377KHZ,锯齿波周期T＝2.4s。

具体地，所述振幅角θ是指以单音叉臂7a未振动时为平衡点的基础上，单音叉臂7a向左或向右振动的过程中的最大振幅与平衡点之间的夹角。

现就L与θ之间的关系讨论如下：

以石英音叉7a的单臂进行研究，且忽略音叉在支点的弯曲度，且音叉为刚性连接。单音叉臂7a在未振动时为平衡点，以石英音叉平衡点为Y轴，建立恰当的直角坐标系，在振动后，向左或向右的振幅有一个最大值，其与平衡点的夹角为θ，激光与平衡点的交点为A,夹角为β；音叉振动到最左侧时，激光与音叉的交点为C，夹角为γ；音叉振动到最右侧时，激光与音叉的交点为I，夹角为α；激光反射到线阵CCD上形成的光斑距离为L，如图3，

其中∠OCA＝γ,∠OAI＝β,∠OIP＝α

α＝β+θ,γ＝β-θ

设音叉臂支点O处到激光与平衡点的交点A处距离|OA|＝a，支点O到线阵CCD的距离|OE|＝b。

现在对石英音叉单臂7a振动到最左侧或最右侧时，进行分析研究：

1.当石英音叉7a振动到最左侧时(γ＝β-θ)，如图4，PC为入射光，入射光与石英音叉交于点C，CG为反射光，做辅助线CF，CF垂直GE且交GE于点F；

根据正弦定理：

在△OAC中，

在△ABC中，

则

在△BCD中，

∠BCD＝180°-2γ-(90°-β)＝90°+β-2γ

∠BDC＝90°-∠BCD＝90°-(90°+β-2γ)＝2γ-β

又

则可求得：|BD|＝|BC|·cot(2γ-β)

又

|FB|＝|OE|＝b

则

又

则

其中

则

2.当石英音叉7a振动到最右侧时(α＝β+θ)，如图5，PI为入射光，与石英音叉交于点I，IK为反射光，做辅助线IJ,IJ垂直KE且交KE于点J；

∠AOI＝θ,∠OAI＝β,∠AIO＝180°-α

在△OAI中,

则

在△AHI中,

则

在△AHI中,

在△IKJ中,

∠KIJ＝180°-2α-(90°-β)＝90°-β-2θ

∠IKJ＝90°-∠KIJ＝β+2θ

则

则

综上，激光反射到线阵CCD上的光斑距离L与振幅角θ的关系可表示如下：

为了便于显示L与θ之间的关系，现用MATLAB对上式进行仿真，在MATLAB命令窗口输入如下程序(其中，α的单位：m)：

a＝0.002；

b＝0.1；

x1＝pi/18；

x2＝0:pi/1000:pi/100；

y＝a*(sin(x1)*sin(x2).*cot(x1-2*x2)/sin(x1-x2)+sin(x1)*sin(x2).*cot(x1+2*x2)/sin(x1+x2)+sin(x1)*cos(x2)/sin(x1-x2)-sin(x1)*cos(x2)/sin(x1+x2))+b*(cot(x1-2*x2)-cot(x1+2*x2))；

plot(x2,y)；

xlabel('θ')；

ylabel('L')；

运行程序后，显示图像如图6。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气体浓度探测系统，包括信号发生器(1)、电压加法器(2)、激光发射器(3)、激光驱动器(4)、线阵CCD(5)、模拟信号接收处理模块(6)和CPU处理模块(15)，其特征在于：所述信号发生器(1)的信号输出端与电压加法器(2)的同步信号输入端连接，且电压加法器(2)的调制输出端与激光驱动器(4)的调制信号口连接，所述激光发射器包括激光发射器一(3a)和激光发射器二(3b)，且激光发射器一(3a)的输入端与激光驱动器(4)的输出端连接，所述激光发射器一(3a)的输出端通过光纤与激光准直器(8)连接，所述激光发射器二(3b)出射光路上设置有微型气室(16)和设置在微型气室(16)内的反射式石英增强光纤模块(7)，且反射式石英增强光纤模块(7)是由石英音叉(7a)和垂直固定在石英音叉(7a)上端的微共振管(7b)组成，且微共振管(7b)是由两个不锈钢细管(7b1)组成，所述石英音叉(7a)的一个信号输出管脚接地，且石英音叉(7a)另一个信号输出管脚输出光信号，所述微型气室(16)一侧从上到下分别开设有进气口(9)和排气口(10)，所述激光准直器(8)发射出的激光束穿过微型气室(16)上对应开设的入光窗口一(11)并射入到远离石英音叉(7a)一端的不锈钢细管(7b1)端口上，所述激光发射器二(3b)发射出的激光束穿过微型气室(16)对应开设的入光窗口二(12)射入到设置在石英音叉(7a)侧壁上的反射镜(13)，且反射镜(13)将接收的激光束穿过对应开设在微型气室(16)上的出光窗口(14)并反射到线阵CCD(5)上，所述线阵CCD(5)将接收到的激光束通过模拟信号接收处理模块(6)传输到CPU处理模块(15)中。

2.根据权利要求书1所述一种气体浓度探测系统，其特征在于：所述石英音叉(7a)为一种利用石英晶体压电效应制成的晶体振荡器件。

3.本气体浓度的检测方法，包括如下步骤：

a、先将信号发生器(1)输出的两种波形经过叠加后形成调制激光并通过激光准直器(8)发射出激光束，激光束进入微型气室(16)内后穿过微共振管(7b)，调制激光被气体分子吸收产生能量，使温度作周期性变化，气压也随之改变，从而形成压力波，进而使石英音叉(7a)共振；

b、再采用激光发射器二(3b)，将激光照射到石英音叉的侧面，经过反射，激光照射到接收该激光的线阵CCD(5)上，石英音叉(7a)一直在振动，所以反射激光在线阵CCD(5)上形成光斑，且光斑为一条直线；

c、通过模拟信号接收处理模块(6)将模拟信号转化成数字信号并将信号传输到CPU处理模块(15)，并由CPU处理模块(15)计算出反射激光在线阵CCD(5)上形成的光斑距离L；

d、通过推导光斑的距离L与振幅角θ之间的关系，进而可间接反应所测气体的浓度。

4.根据权利要求书3所述一种气体浓度检测方法，其特征在于：所述步骤a中信号发生器(1)输出的两种波形为正弦波和锯齿波，且正弦波频率f＝16.377KHZ,锯齿波周期T＝2.4s。

5.根据权利要求书3所述一种气体浓度检测方法，其特征在于：所述振幅角θ是指以单音叉臂(7a)未振动时为平衡点的基础上，单音叉臂(7a)向左或向右振动的过程中的最大振幅与平衡点之间的夹角。