CN110702607A - 高性价比宽谱光声光谱气体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置，包括LED激励光源、可调反射镜、N个反射镜、N个滤光片和一体式谐振腔，且一体式谐振腔包括N路谐振腔，LED激励光源的光束射向可调反射镜，可调反射镜的反射角度围绕转动模块进行角度调节，且转动模块的中心与光束方向的距离为设定距离，通过调整可调反射镜的偏转角度使LED激励光源的光束直接穿过，或者使光束向设定方向偏转设定角度，向设定方向偏转设定角度的光束射向反射镜。本发明的光声光谱气体检测系统实现了利用一台光声光谱气体检测系统对多种气体进行同时检测的目的，且由于所选用的LED激励光源可测气体范围广，可测气体种类多，降低了光声光谱气体检测系统的成本。

Description

高性价比宽谱光声光谱气体检测装置
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置。
背景技术
气体检测技术在现代社会中有着广泛的应用，如空气中有害气体含量的测定，农业生产中的臭氧、沼气的浓度检测，化工、医学领域中的特殊气体的浓度检测等，上述所涉及到的气体都离不开气体检测技术。
光声光谱法是目前应用比较成熟的一种气体检测技术，光声光谱法是通过气体的吸收激发光声信号进行传感，光声光谱法能够消除系统中背景光的影响，在高精度的场合能够得到应用。目前较为常见的光声光谱法均采用激光作为入射光源，可达ppm～ppb量级的检测精度。
但是可调谐激光器的价格相对昂贵，而传统单波长激光器大多只能完成一种目标气体的检测，另外传统光声气体传感器大都只包含一个光声谐振腔，难以完成多种气体的同时检测。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置，包括：LED激励光源、可调反射镜、N个反射镜、N个滤光片和一体式谐振腔，且所述一体式谐振腔包括N路谐振腔，且N为大于零的整数，其中，
所述LED激励光源的光束射向所述可调反射镜，所述可调反射镜的反射角度围绕转动模块进行角度调节，且所述转动模块的中心与所述光束方向的距离为设定距离，且所述设定距离大于零，通过调整所述可调反射镜的偏转角度使所述LED激励光源的光束直接穿过，或者使所述光束向设定方向偏转设定角度，向设定方向偏转所述设定角度的所述光束射向所述反射镜，直接穿过所述可调反射镜的光束、经所述反射镜的反射光分别通过对应的所述滤光片进入对应的所述谐振腔。
在本发明的一个实施例中，所述设定方向包括第一方向和第二方向，所述设定角度包括第一角度和第二角度，所述N个反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，其中，
所述可调反射镜使所述LED激励光源的光束向所述第一方向偏转所述第一角度或向所述第二方向偏转所述第二角度，向所述第一方向偏转所述第一角度的所述光束射向所述第一反射镜，向所述第二方向偏转所述第二角度的所述光束射向所述第二反射镜，直接穿过所述可调反射镜的光束、经所述第一反射镜的反射光和经所述第二反射镜的反射光分别通过对应的所述滤光片进入对应的所述谐振腔。
在本发明的一个实施例中，所述LED激励光源包括LED光源调制模块和LED发光模块，其中，
所述LED光源调制模块连接所述LED发光模块，所述LED发光模块的光束射向所述可调反射镜。
在本发明的一个实施例中，所述LED光源调制模块包括电信号内调制模式或外部幅值调制模式。
在本发明的一个实施例中，所述LED发光模块包括单个LED光源，多个LED光源或多个不同波长的LED光源。
在本发明的一个实施例中，所述LED激励光源包括近红外波段的光源和/或中红外波段的光源。
在本发明的一个实施例中，还包括信号发生器和N个锁相放大器，其中，
所述信号发生器的调制信号输出端连接所述LED光源调制模块的调制端口，所述信号发生器的同步信号输出端连接所述锁相放大器，每个所述锁相放大器的信号输入端对应连接一路所述谐振腔。
在本发明的一个实施例中，还包括数据采集单元和计算机，其中，
所述锁相放大器的信号输出端连接所述数据采集单元，所述数据采集单元连接所述计算机。
在本发明的一个实施例中，所述滤光片包括窄带滤光片。
在本发明的一个实施例中，所述谐振腔包括谐振腔体和麦克风，所述麦克风设置于所述谐振腔体上。
本发明的有益效果：
本发明所提出的光声光谱气体检测系统仅使用了一个LED激励光源对应多个谐振腔的设计方式，实现了利用一台光声光谱气体检测系统对多种气体进行同时检测的目的，且由于所选用的LED激励光源可测气体范围广，可测气体种类多，降低了光声光谱气体检测系统的成本。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种光声光谱气体检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种光声光谱气体检测系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的再一种光声光谱气体检测系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的再一种光声光谱气体检测系统的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的再一种光声光谱气体检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种光声光谱气体检测系统的结构示意图。本发明一个实施例提供一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置，包括：LED激励光源、可调反射镜、N个反射镜、N个滤光片和一体式谐振腔，且所述一体式谐振腔包括N路谐振腔，且N为大于零的整数，其中：
LED激励光源的光束射向所述可调反射镜，可调反射镜的反射角度围绕转动模块进行角度调节，且转动模块的中心与光束方向的距离为设定距离，且设定距离大于零，通过调整可调反射镜的偏转角度使LED激励光源的光束直接穿过，或者使光束向设定方向偏转设定角度，向设定方向偏转设定角度的光束射向反射镜，直接穿过可调反射镜的光束、经反射镜的反射光分别通过对应的滤光片进入对应的谐振腔。
具体地，LED激励光源用于提供经调制后的光束，该光束射向可调反射镜，该可调反射镜上设置有一转动模块，可调反射镜可围绕该转动模块进行角度调节，从而调整射向该可调反射镜的光束角度，例如该转动模块可以为转动轴，另外，为了保证光束能够直接穿过可调反射镜，使得转动模块的中心与光束方向的距离为设定距离，由此当需要光束直接穿过可调反射镜时，可以将可调反射镜的镜面调整为与光束方向平行，同时可调反射镜与光束的垂直距离为设定距离，该设定距离大于零，同时该设定距离应保证光束不会受可调反射镜的影响，能够直接射向与其对应设置的滤光片中进行滤光，之后经过滤光后便进入一体式谐振腔中对应的谐振腔中，例如，请参见图2，为了让LED激励光源的光束直接射向对应设置的滤光片，将可调反射镜调整为与光束方式平行，且光束未受可调反射镜的影响，应该知道的是，设定距离可以根据具体情况进行设定，本实施例对此不作具体限定；另外，本实施例的LED激励光源的光束也可以经过可调反射镜的反射后射向反射镜，即调整可调反射镜的角度，使得LED激励光源的光束经过可调反射镜向设定方向偏转设定角度，设定方向和设定角度为需要光束偏转的方向和角度，例如为与光束垂直的方向、偏转角度为90o，设定方向和设定角度可以根据实际需求进行设定，本实施例中将反射镜的偏转角度设置为固定的，则射向该反射镜的光束经过反射镜后射向对应的滤光片，经过滤光后便进入谐振腔中对应的谐振腔对所需要频率和方向的光进行选择。
优选地，本实施例的滤光片为窄带滤光片，所述的窄带滤光片光学透射波段包含所对应的谐振腔内的被测气体的吸收峰波长。
本实施例中利用LED激励光源发出LED光束，而LED光束具有宽波谱的特点，因此对应的可测气体的选择范围广，同时较之传统的激光器光源，LED光源还具有功率低，寿命长，体积小，易于集成，维护费用低，价格便宜等诸多优点。另外，本实施例的光声光谱气体检测系统可以通过简单更换滤光片达到更换被测气体的目的，而传统技术只能够实现单种气体的同时检测而且更换被测气体时必须选用合适的激光器，十分复杂且昂贵。
本实施例的光声光谱气体检测系统采用了单个LED激励光源和多个谐振腔的设计，从而可以实现对多种气体的同时检测，由于LED光源多路复用的特点，可以进一步降低光声光谱气体检测系统的制造和使用成本、降低光声光谱气体检测系统的体积及降低设备复杂度，提高光源的利用率和可靠性。
另外，本实施例采用了一体式谐振腔，该一体式谐振腔集成了多路谐振腔，从而进一步减小了光声光谱气体检测系统体积和复杂度，提高了设备的集成度和可靠性。
进一步地，为了进一步优化光声光谱气体检测系统，N＝2，即光声光谱气体检测系统共包括2个反射镜，本实施例设定2个反射镜分别为第一反射镜和第二反射镜，设定方向包括第一方向和第二方向，设定角度包括第一角度和第二角度。
因此，本实施例通过调整可调反射镜的角度使LED激励光源的光束向第一方向偏转第一角度，同时还可以使LED激励光源的光束向第二方向偏转第二角度，并使得向第一方向偏转第一角度的光束射向第一反射镜，向第二方向偏转第二角度的光束射向第二反射镜，最后经第一反射镜的反射光和经第二反射镜的反射光分别通过对应的滤光片进入对应的谐振腔。
优选地，本实施例的第一角度和第二角度可以根据实际设计需求进行设计，例如第一角度可以包括向左或向右偏转0-90o，优选地，第一角度包括向左或向右偏转90o，这种设置方式更有利于光声光谱气体检测系统的集成和检测。同时第一方向和第二方向均与LED激励光源的光束方向垂直，且第一方向和第二方向为相对的方向，又例如，请参见图3，为了使光束射向第一反射镜，则可以调整可调反射镜的角度，使得其反射的光束方向与LED激励光源所发出的光束方向垂直，即使光束偏转了90o，而第一反射镜的镜面与调整后的可调反射镜的镜面平行，且镜面相对设置，则经过第一反射镜后光束便发生了90o的偏转，经第一反射镜反射的光束便对应射向滤光片和谐振腔；同理，又例如，请参见图4，为了使光束射向第二反射镜，则可以调整可调反射镜的角度，使得可调反射镜的镜面与第二反射镜的镜面相对设置，则经过可调反射镜和第二反射镜后光束便对应射向滤光片和谐振腔。
另外，请参见图5，本实施例的光声光谱气体检测系统可以包括LED光源调制模块和LED发光模块，LED光源调制模块连接LED发光模块，LED发光模块的光束射向可调反射镜，LED光源调制模块用于对光信号进行调制，以便光电变换后的选频放大和相干检测。LED光源调制模块包括电信号内调制模式或外部幅值调制模式，其中电信号内调制模式是一种内调制，是在光束形成过程中，以调制信号的规律去改变光束振荡的某一参数，即用调制信号控制着光束的形成，外部幅值调制模式是一种外调制，其具体使用光学斩波器或声光调制器实现对光信号的调制；LED发光模块用于提供LED光束，其具体可以用于提供近红外波段的光源和/或中红外波段的光源，其可以与多种典型气体的吸收峰相对应，另外LED发光模块不仅可以仅包括一个LED光源，其也可为包括多个LED光源，多个LED光源同时提供射向可调反射镜的光束，能够增强发光强度，来提高光信号强度，从而提高检测精度，另外，LED发光模块还可以为包括多个不同波长的LED光源，这种方式可以进行宽光谱光声光谱气体检测，使本实施例的光声光谱气体检测系统可以采用不止一个波长的LED光源，还可以采用两个或两个以上波长的LED光源。
进一步地，请再次参见图5，本实施例的光声光谱气体检测系统还可以包括信号发生器、锁相放大器、数据采集单元和计算机，其中，信号发生器的调制信号输出端连接LED光源调制模块的调制端口，信号发生器的同步信号输出端连接锁相放大器，每个锁相放大器的信号输入端对应连接一路谐振腔的麦克风，锁相放大器的信号输出端连接数据采集单元的信号输入端，数据采集单元的信号输出端连接计算机的信号输入端，同时每个谐振腔均包括谐振腔体和麦克风，且麦克风设置于谐振腔体上。
具体地，信号发生器用于调制产生特定频率的方波信号，并将该方波信号加载到LED光源调制模块，另外信号发生器还用于向锁相放大器提供参考信号，具体的对某种气体进行测量时，应事先通过已知浓度的标准气体进行定标，标定后的系统就能对该种气体进行测量，因此信号发生器便是用于向锁相放大器提供标定气体的参考信号，应该知道的是，所述的标定方法为本领域技术人员所公知的技术，在此不再赘述。同时，信号发生器、锁相放大器均为本领域的常用仪器，有多种型号可供选择。
再之后，经过可调反射镜直接穿过的光束或反射镜反射的光束经过滤光片进行滤光后，分别进入对应的谐振腔中，光穿过谐振腔引起腔内气体的周期性压力变化，经麦克风探测后将光信号转变为电信号输入到对应的锁相放大器中，锁相放大器将此时接收到的电信号与信号发生器输入的方波同步信号进行解调，从而解调出包含有待测气体浓度信息的电信号，该包含有待测气体浓度信息的电信号便被数据采集单元进行数据采集，数据采集单元例如可以为数据采集卡，之后数据采集单元便将采集到的电信号输入至计算机，在该计算机上安装有软件，数据采集单元采集的电信号经过该软件的计算后，最终会将气体浓度信息显示在屏幕上，该软件为本领域技术人员的公知技术，是易于编写的。
本实施例的光声光谱气体检测系统采用高性能的LED光源代替传统的激光器光源，相较之传统的激光器光源，LED光源具有波谱可选范围更广，功率低，寿命长，体积小，易于集成，维护费用低，价格便宜等诸多优点。
本实施例的光声光谱气体检测系统采用了单个LED激励光源和多路谐振腔的设计方式，可以实现对多种气体的同时检测，同时由于采用了宽波谱的LED光源，可测气体的选择范围广，同时还可以通过简单更换滤光片的方式达到更换被测气体的目的，而传统技术只能够实现单种气体的同时检测，而且更换被测气体时必须选用合适的激光器，不仅操作复杂且设备较为昂贵。
本实施例由于使LED光源实现了多路复用，从而可以进一步降低成本、体积及设备复杂度，提高LED光源的利用率和可靠性。
本实施例的光声光谱气体检测系统同时为了弥补单个LED光源的发光强度较之传统激光器发光强度低的不足，可以采用多个LED光源组合成发光源的方式，来提高信号强度，从而提高检测精度。
此外，本实施例的光声光谱气体检测系统为了进行宽光谱光声光谱气体检测，不仅可以采用一种波长的LED光源，还可以采用两种或两种以上波长的LED光源。
本实施例的光声光谱气体检测系统采用了一体式的多路谐振腔的设计方式，从而减小了系统体积和复杂度，提高了设备的集成度和可靠性。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性价比宽谱光声光谱气体检测装置，其特征在于，包括：LED激励光源、可调反射镜、N个反射镜、N个滤光片和一体式谐振腔，且所述一体式谐振腔包括N路谐振腔，且N为大于零的整数，其中，
所述LED激励光源的光束射向所述可调反射镜，所述可调反射镜的反射角度围绕转动模块进行角度调节，且所述转动模块的中心与所述光束方向的距离为设定距离，且所述设定距离大于零，通过调整所述可调反射镜的偏转角度使所述LED激励光源的光束直接穿过，或者使所述光束向设定方向偏转设定角度，向设定方向偏转所述设定角度的所述光束射向所述反射镜，直接穿过所述可调反射镜的光束、经所述反射镜的反射光分别通过对应的所述滤光片进入对应的所述谐振腔。
2.根据权利要求1所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述设定方向包括第一方向和第二方向，所述设定角度包括第一角度和第二角度，所述N个反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，其中，
所述可调反射镜使所述LED激励光源的光束向所述第一方向偏转所述第一角度或向所述第二方向偏转所述第二角度，向所述第一方向偏转所述第一角度的所述光束射向所述第一反射镜，向所述第二方向偏转所述第二角度的所述光束射向所述第二反射镜，直接穿过所述可调反射镜的光束、经所述第一反射镜的反射光和经所述第二反射镜的反射光分别通过对应的所述滤光片进入对应的所述谐振腔。
3.根据权利要求1所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述LED激励光源包括LED光源调制模块和LED发光模块，其中，
所述LED光源调制模块连接所述LED发光模块，所述LED发光模块的光束射向所述可调反射镜。
4.根据权利要求3所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述LED光源调制模块包括电信号内调制模式或外部幅值调制模式。
5.根据权利要求3所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述LED发光模块包括单个LED光源，多个LED光源或多个不同波长的LED光源。
6.根据权利要求3所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述LED激励光源包括近红外波段的光源和/或中红外波段的光源。
7.根据权利要求3所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，还包括信号发生器和N个锁相放大器，其中，
所述信号发生器的调制信号输出端连接所述LED光源调制模块的调制端口，所述信号发生器的同步信号输出端连接所述锁相放大器，每个所述锁相放大器的信号输入端对应连接一路所述谐振腔。
8.根据权利要求7所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，还包括数据采集单元和计算机，其中，
所述锁相放大器的信号输出端连接所述数据采集单元，所述数据采集单元连接所述计算机。
9.根据权利要求1所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述滤光片包括窄带滤光片。
10.根据权利要求1所述的光声光谱气体检测系统，其特征在于，所述谐振腔包括谐振腔体和麦克风，所述麦克风设置于所述谐振腔体上。
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