CN109946237B

CN109946237B - 一种光强增强型光声光谱气体检测系统

Info

Publication number: CN109946237B
Application number: CN201910278726.4A
Authority: CN
Inventors: 张志文; 常军; 张秦端; 冯怡文
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: CN109946237A

Abstract

一种光强增强型光声光谱气体检测系统，属于光纤气体传感技术领域。包括激光器、准直器组、气室、光声探测元件等。微处理器‑A和微处理器‑B分别连接到加法器的两输入端，加法器的输出端连接到激光器；温控电路连接到激光器；激光器与准直器组的a端相连接，准直器组的b端与c端分别和气室两端相连，由准直器组和气室组成气体吸收环形腔；气室中的光声探测元件连接前置放大器，前置放大器连接到锁相放大器，锁相放大器连接到数据采集卡，之后与计算机相连。计算机进行数据处理后得到待测气体的浓度信息。本发明系统实现了气室中光强的累积，结构简单易于实现，并很好地提高了检测精度。

Description

一种光强增强型光声光谱气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种光声光谱气体检测系统，具体讲的是一种光强增强型光声光谱气体检测系统。属于光纤气体传感技术领域。

背景技术

光声光谱技术是通过将待测气体吸收的光能转换为声波能量从而对气体进行检测的高精度痕量技术。经过调制的激光照射到待测气体分子上时，气体分子会在其吸收谱线处产生吸收从基态跃迁到激发态，然后通过碰撞弛豫回到基态，在此过程中光能转化为内能并使温度升高，进而导致压力变化，如果激光光源以声波波段的频率进行调制，则会产生周期变化的压力波，即声波。用声学传感器探测到这个声学信号，就可反演出待测气体的浓度信息。并且光声效应与光强有关，光强越大，光声效果越明显。

申请号为201310452175.1，申请人为山东大学的常军、刘永宁等人在其发明专利《一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统》中公开了一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测系统，它将气室置于光纤激光器内部更好地利用了一个激光器所能产生的激光能量，但其结构较为复杂、成本高昂。

因此，设计一种可以累积光强、结构简单的检测技术具有非常重要的应用价值。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种光强增强型光声光谱气体检测系统。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种光强增强型光声光谱气体检测系统，包括微处理器-A、微处理器-B、加法器、温控电路、激光器、准直器组、气室、光声探测元件、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其特征在于微处理器-A和微处理器-B分别连接到加法器的两输入端，加法器的输出端连接到激光器，用于驱动激光器；温控电路和激光器相连接，使激光器工作在恒定温度；激光器与准直器组的a端相连接，准直器组的b端与c端分别和气室两端相连，由准直器组和气室组成气体吸收环形腔；光声探测元件固定在气室中间，光声探测元件连接到前置放大器，前置放大器连接到锁相放大器，锁相放大器连接到数据采集卡，数据采集卡与计算机相连；

所述的准直器组包括三个光纤准直器a、b、c，其中光纤准直器a、b的输出端面直径之和小于光纤准直器c的输入端面直径，光纤准直器a、b的输出端面与光纤准直器c的输入端面对接在一起，光纤准直器a、b的输入端分别表示为准直器组的a和b端，光纤准直器c的输出端表示为准直器组的c端；光从a端进入准直器组，由c端出射；出射光经气室到达b端，再由b端重新进入准直器组，从而构成一个环形腔，光强在其中不断累积。

所述激光器为半导体激光器。

所述的光声探测元件为石英音叉或是光声池。

本发明检测系统工作过程如下：将上述系统搭建并调试好，在气室中充入待测气体；令微处理器-A和微处理器-B分别产生扫描和调制信号，通过加法器相加后连接到激光器，对激光进行调制，调制后的激光由准直器组a端进入准直器，后由c端出射进入气室，从气室出射后经过准直器b端再次进入准直器组，从而准直器组和气室构成了气体吸收环形腔，光在其中不断循环，光强不断累积。气室中待测气体对调制光强有选择性吸收进而产生声波信号，光声探测元件将这种声波信号转化为电流信号，经过前置放大器后，电流信号转化为电压信号；然后经过锁相放大器将有用信号提取出来，经数据采集卡采集后进入计算机进行数据处理，得到待测气体的浓度信息。

本发明系统实现了光强的累积，提高了检测精度，同时结构较为简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明检测系统的结构示意图。

其中：1.微处理器-A，2.微处理器-B，3.加法器，4.温控电路，5.激光器，6.准直器组，7.气室，8.光声探测元件，9.前置放大器，10.锁相放大器，11.数据采集卡，12.计算机。

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：

如图1所示，一种光强增强型光声光谱气体检测系统，包括微处理器-A 1、微处理器-B 2、加法器3、温控电路4、激光器5、准直器组6、气室7、光声探测元件8、前置放大器9、锁相放大器10、数据采集卡11、计算机12，其特征在于微处理器-A 1和微处理器-B 2分别产生扫描和调制信号，通过加法器3相加后连接到激光器5，用于驱动激光器5；同时温控电路4也连接到激光器5，使激光器5工作在恒定温度；激光器5与准直器组6的a端相连接，准直器组6的b端与c端分别和气室7两端相连，由准直器组6和气室7组成气体吸收环形腔；光声探测元件8固定在气室7中间，气室7中的光声探测元件8连接前置放大器9，前置放大器9连接到锁相放大器10，锁相放大器10连接到数据采集卡11，数据采集卡11与计算机12相连。

所述的准直器组6包括三个光纤准直器a、b、c，其中光纤准直器a、b的输出端面直径之和小于光纤准直器c的输入端面直径，光纤准直器a、b的输出端面与光纤准直器c的输入端面对接在一起，光纤准直器a、b的输入端分别表示为准直器组6的a和b端，光纤准直器c的输出端表示为准直器组6的c端；光从a端进入准直器组6，由c端出射；出射光经气室7到达b端，再由b端重新进入准直器组6，从而构成一个环形腔，光强在其中不断累积。

所述的激光器5为半导体激光器，其型号为TL-DFB--A8-W,其中心波长为1530nm，对应乙炔的气体吸收峰；

所述的光声探测元件为石英音叉。

本发明检测系统工作过程如下：将上述系统搭建并调试好，在气室7中充入待测气体；将微处理器-A 1和微处理器-B 2分别产生的扫描和调制信号通过加法器连接到激光器5，对激光进行调制，调制后的激光由准直器组6的a端进入准直器，后由c端出射进入气室7，从气室7出射后经过准直器组6的b端再次进入准直器组6，从而准直器组6和气室7实现气体吸收环形腔，光在其中不断循环，光强不断累积。气室7中待测气体对调制光强有选择性吸收进而产生声波信号，光声探测元件8将这种声波信号转化为电流信号，经过前置放大器后9，电流信号转化为电压信号；然后经过锁相放大器10将有用信号提取出来，经数据采集卡11采集后进入计算机12进行数据处理，得到待测气体的浓度信息。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述的激光器型号为ZG-1512,中心波长为1512nm，对应氨气的气体吸收峰。气室7中充入的待测气体为氨气。所述的光声探测元件是光声池。

Claims

1.一种光强增强型光声光谱气体检测系统，包括微处理器-A、微处理器-B、加法器、温控电路、激光器、准直器组、气室、光声探测元件、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其特征在于微处理器-A和微处理器-B分别连接到加法器的两输入端，加法器的输出端连接到激光器，用于驱动激光器；温控电路和激光器相连接，使激光器工作在恒定温度；激光器与准直器组的a端相连接，准直器组的b端与c端分别和气室两端相连，由准直器组和气室组成气体吸收环形腔；光声探测元件固定在气室中间，光声探测元件连接到前置放大器，前置放大器连接到锁相放大器，锁相放大器连接到数据采集卡，数据采集卡与计算机相连；

所述的准直器组包括三个光纤准直器a、b、c，其中光纤准直器a、b的输出端面直径之和小于光纤准直器c的输入端面直径，光纤准直器a、b的输出端面与光纤准直器c的输入端面对接在一起，光纤准直器a、b的输入端分别表示为准直器组的a和b端，光纤准直器c的输出端表示为准直器组的c端。

2.如权利要求1所述的一种光强增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于所述的激光器为半导体激光器。

3.如权利要求1所述的一种光强增强型光声光谱气体检测系统，其特征在于所述的光声探测元件为石英音叉或是光声池。