CN110849965A - 一种光声光谱光声池信号采集方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种光声光谱光声池信号采集方法及其装置。采集方法的特征在于采用一对驻极体电容振动拾音器作为传感器，加直流电压后，背景腔内的传感器作为基准，谐振腔内的传感器采集信号，通过电容耦合隔离直流电压，提取差模电压信号，经放大后输出。采集装置的特征在于光声池的谐振腔内前端设有激光器、后端设有第一驻极体电容振动拾音器，背景腔的后端设有第二驻极体电容振动拾音器，两个拾音器的均与差模信号采集模块信号连接，差模信号采集模块与放大输出模块连接。本发明具有结构合理、工作稳定可靠、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。

Description

一种光声光谱光声池信号采集方法及其装置
技术领域
本发明属于光声光谱测量装置领域，具体涉及一种用于检测气体浓度的光声光谱光声池信号采集方法及其装置。
背景技术
光声光谱方法在微量气体探测方面有着高灵敏度、高选择性的优势，光声光谱的设备原理：入射光为强度经过调制的单色光，光强度调制可用切光器。光声池是一封闭容器，内放样品和传声器。传声器应很灵敏，对于气体样品，驻极体电容振动拾音器比较适宜，驻极体电容振动拾音器的基本原理就是用一个电容器作为声信号-电信号的转化器，这个电容的一个极板可以感应声压的变化，起到声信号摄入的作用，通常这一极板由金属化的高分子膜片构成，与另一极板构成一个极间距离可以改变的可变电容，在有声压作用时，膜片发生振动，振动强度、振动频率都由即时声压决定，电容容量也相应的随声信号而发生变化，假如此时已经给电容加上了一个恒定的电压，那么电容容量的改变将使得电容上极化的电荷量发生改变，从而在电容两端产生一个电信号，达到声-电信号转换。目前的光声光谱测量装置中仅使用1个驻极体电容振动拾音器，存在抗干燥能力差、无法提取微弱声音信号和振动信号的缺陷。
发明内容
本发明的目的为解决现有技术光声光谱测量装置存在抗干燥能力差、无法提取微弱声音信号和振动信号的缺陷，提供一种光声光谱光声池信号采集方法及其装置，其采用一对高灵敏度驻极体电容振动拾音器作为传感器，一个用来感应声音产生的振动，一个作为背景，再利用电容隔直通交的特性，将声音振动反应出变化的电信号提取出来，抗干扰能力强，可提取微弱声音信号和振动信号。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
即一种光声光谱光声池信号采集方法，其特征在于在光声池内设置谐振腔和背景腔，采用一对驻极体电容振动拾音器作为传感器，加直流电压后，背景腔内的传感器作为基准，谐振腔内的传感器采集信号，通过电容耦合隔离直流电压，提取差模电压信号，经放大后输出。
本发明经过不同浓度的标准气体标定后，确定输出电压和气体浓度的曲线，从而通过测量电压，计算出被测气体的浓度。气体浓度是通过标定确定的分段函数计算得出的。
一种光声光谱光声池信号采集装置，其特征在于包括光声池、拾音器、差模信号采集模块、信号放大输出模块，所述光声池包括谐振腔和背景腔两个腔室，谐振腔内前端设有激光器、后端设有第一驻极体电容振动拾音器，背景腔的后端设有第二驻极体电容振动拾音器，两个拾音器的均与差模信号采集模块信号连接，差模信号采集模块为耦合电路，差模信号采集模块与放大输出模块连接，信号放大输出模块包括串联的仪表放大电路和运算放大电路。
本发明的耦合电路、仪表放大电路、预算放大电路均为本领域技术人员熟知的现有技术。
本发明与现有技术的电化学传感器信号采集装置对比：
电化学传感器信号采集装置目标单一，即一种气体对应该一种传感器，因此，不同的气体不能使用同一个光声池，而且使用寿命有限、数值漂移大，需要定期更换和校准，
本发明可以通过切换对应不同气体的激光器，用同一个光声池可实现多种气体浓度的测试，减小体积和成本，而且一次安装和校准后，可进行长期使用。
本发明与现有技术使用单一固定频率拾音器的信号采集装置对比：
使用单一固定频率拾音器的信号采集装置时，需要和被测气体的振动频率一致产生共振，否则，若外界干扰振动频率与拾音器振动频率相同，会淹没被测气体产生的振动，不同气体产生振动时需要的照射激光频率不同，因此会出现当入射光的频率改变时，需要的拾音器也要相应的进行改变，而且使用单一信号源，会引入直流信号，对测试的变化信号产生干扰；
本发明专利采用两个完全一致的拾音器，由于外界的干扰振动对两个拾音器产生的影响是相同的，所以通过电容耦合因此只提取变化的交流信号进行处理，并且隔离直流电压减少了干扰源，使测试更准确，而且对拾音器的共振频率没有要求，使用更便捷。
本发明具有结构合理、工作稳定可靠、灵敏度高、抗干扰能力强的优点。本发明采用一对高灵敏度驻极体电容振动拾音器，加直流电压后，一个作为基准，另一个采集信号，通过电容耦合隔离直流电压，提取差模电压信号，经放大后输出到后级，可提取微弱声音信号和振动信号。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
如图中所示分为：1.光声池；2.激光器；3.谐振腔；4.第一驻极体电容振动拾音器；5.差模信号采集模块；6.直流供电模块；7.仪表放大电路；8.运算放大电路；9.第二驻极体电容振动拾音器；10.背景腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利做进一步阐述。
实施例1
如图1所示：光声池1内部分为上下两个腔室，分别为上部的谐振腔3和下部的背景腔10，谐振腔3的左端设有激光器2，右端对应位置设有第一驻极体电容振动拾音器4，激光器2型号为DFB-1566.31，生产厂家为四川腾光科技有限公司，背景腔10的右端设有第二驻极体电容振动拾音器9，两个拾音器的信号输出端均与差模信号采集模块5的信号输入端连接，差模信号采集模块5为耦合电路，其信号输出端与信号放大输出模块的仪表放大电路7的信号输入端连接，仪表放大电路7的信号输出端和运算放大电路8的信号输入端连接。
本实施例使用时，光声池1的谐振腔3和背景腔10内气体为500ppm的CO，光声池1中谐振腔3的CO气体分子经过激光器2的激光照射后，吸收能量产生运动，分子运动时会使第一驻极体电容振动拾音器4振动，第一驻极体电容振动拾音器4将振动转变为电信号连同直流电压一起输出，该信号包括直流4.5V(共模电压)和15uV交流变化量(差模电压)，背景腔10中的第二驻极体电容振动拾音器9保持初始状态不动，始终输出固定的直流电压4.5V，两个拾音器的输出端共同输入到差模信号采集模块5，通过电容耦合后去除共模电压4.5V后，提取15uV差模电压，经信号放大输出模块的仪表放大电路7和运算放大电路8放大10倍后将150uV的电压值输出到后级(锁向放大器)处理。
经过不同浓度的CO标准气体标定后，确定输出电压和浓度的曲线，从而通过测量电压，计算出被测CO气体的浓度。
实施例2
本实施例装置的结构同实施例1，只是被测气体为H2S。对应的激光器2型号为DFB-1582.02，生产厂家为四川腾光科技有限公司。
本实施例使用时，光声池1的谐振腔3和背景腔10内气体为500ppm的H2S，光声池1中谐振腔3的H2S气体分子经过激光器2的激光照射后，吸收能量产生运动，分子运动时会使第一驻极体电容振动拾音器4振动，第一驻极体电容振动拾音器4将振动转变为电信号连同直流电压一起输出，该信号包括直流4.5V(共模电压)和17uV交流变化量(差模电压)，背景腔10中的第二驻极体电容振动拾音器9保持初始状态不动，始终输出固定的直流电压4.5V，两个拾音器的输出端共同输入到差模信号采集模块5，通过电容耦合后去除共模电压4.5V后，提取17uV差模电压，经信号放大输出模块的仪表放大电路7和运算放大电路8放大10倍后将170uV的电压值输出到后级(锁向放大器)处理。
经过不同浓度的H2S标准气体标定后，确定输出电压和浓度的曲线，从而通过测量电压，计算出被测H2S气体的浓度。
实施例3
本实施例装置的结构同实施例1，只是被测气体为SO2。对应的激光器2型号为MPL-F-266，生产厂家为长春新产业光电技术有限公司。
本实施例使用时，光声池1的谐振腔3和背景腔10内气体为500ppm的SO2，光声池1中谐振腔3的SO2气体分子经过激光器2的激光照射后，吸收能量产生运动，分子运动时会使第一驻极体电容振动拾音器4振动，第一驻极体电容振动拾音器4将振动转变为电信号连同直流电压一起输出，该信号包括直流4.5V(共模电压)和1.5mV交流变化量(差模电压)，背景腔10中的第二驻极体电容振动拾音器9保持初始状态不动，始终输出固定的直流电压4.5V，两个拾音器的输出端共同输入到差模信号采集模块5，通过电容耦合后去除共模电压4.5V后，提取1.5mV差模电压，经信号放大输出模块的仪表放大电路7和运算放大电路8放大10倍后将15mV的电压值输出到后级(锁向放大器)处理。
经过不同浓度的SO2标准气体标定后，确定输出电压和浓度的曲线，从而通过测量电压，计算出被测SO2气体的浓度。

Claims (2)

1.一种光声光谱光声池信号采集方法，其特征在于在光声池内设置谐振腔和背景腔，采用一对驻极体电容振动拾音器作为传感器，加直流电压后，背景腔内的传感器作为基准，谐振腔内的传感器采集信号，通过电容耦合隔离直流电压，提取差模电压信号，经放大后输出。
2.一种光声光谱光声池信号采集装置，其特征在于包括光声池、拾音器、差模信号采集模块、信号放大输出模块，所述光声池包括谐振腔和背景腔两个腔室，谐振腔内前端设有激光器、后端设有第一驻极体电容振动拾音器，背景腔的后端设有第二驻极体电容振动拾音器，两个拾音器的均与差模信号采集模块信号连接，差模信号采集模块为耦合电路，差模信号采集模块与放大输出模块连接，信号放大输出模块包括串联的仪表放大电路和运算放大电路。
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