CN111220513A - 一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置及方法，包括激励光源、光声池和微音器，光声池连接激励光源并配置有微音器，光声池中的气体在激励光源的作用下，发生共振，微音器用于检测光声池中的共振信号，微音器连接有模数转换器，模数转换器连接有DSP，DSP发出信号对驱动电路进行驱动。本发明结合波长调制和二次谐波提取技术，对锁相放大器进行研制，实现了通过对微弱电流信号的检测反演出气体吸收系数，并且解决了现有光声光谱气体检测系统体积大，成本高和易受外界噪声影响等缺点。

Description

一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置及方法。

背景技术

雾霾的存在会给人类社会带来危害，严重影响人类健康，对于这些危害性气体的检测变得十分必要。近些年，随着学者们运用光声光谱技术对污染性气体进行了大量的检测，光声光谱技术已越来越多的被用于能源、电力、工业气体排放、大气环境监测和生命健康诊断以等气体探测领域的研究中。现有的光声光谱技术一般利用锁相放大器提取二次谐波，因二次谐波信号的幅值与气体浓度成正相关，因此通过锁相放大器提取的二次谐波可反演得到气体的浓度。但是市面上的锁相放大器体积大，价格昂贵，不适合推广使用。

公开号为CN110208195A的中国专利，公开了一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，在进行相位补偿的时候，只有当参考信号和待测信号相位差为0时，幅值会达到最大，调节相位的过程是通过改变电阻的阻值试探性的进行调节，调节过程总会存在误差，使得信号间的相位差不为0。

发明内容

本发明为了克服以上缺点，提供一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，包括激光驱动电路、激励光源、光声池和微音器，所述光声池连接所述激励光源并连接所述微音器，所述光声池中的气体在激励光源的作用下，发生共振产生声波，所述微音器用于检测所述光声池中的声波信号，所述微音器连接有模数转换器，所述模数转换器连接有DSP，所述DSP发出信号对所述驱动电路进行驱动。

作为限定：所述激励光源为可谐调分布反馈二极管。

作为限定：所述可调谐分布反馈二极管连接所述激光驱动电路和激光温控单元，激光驱动电路连接有外部调制信号发生器，采用恒流驱动及恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对可调谐分布反馈二极管外部调制。

作为限定：所述光声池为纵向共振光声池，样品检测光声池上设有进气口和出气口，进气口和出气口上分别设有进气阀和出气阀，光声池内相对设有激光入射窗口和反射镜，激光入射窗口对应连接所述可谐调分布反馈二极管。

作为限定：所述DSP和所述模数转换器之间还设有前置放大器。

作为限定：所述DSP上内置有串行通信接口模块，用于提取谐波信号送入计算机。

一种DSP数字锁相谐波信号输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01:生成参考信号，利用泰勒级数表示三角信号，展开得到正余弦函数为：

展开前五项，将上式改为：

有上式可得递推公式为：

sin nx＝2cos x sin(n-1)x-sin(n-2)x

cos nx＝2cos x sin(n-1)x-cos(n-2)x

其中：

x＝2πf_ri/f_s i＝0,1,2,3…

S02：生成谐波信号，使用fs/4的采样频率，当x(n)为输入信号，输出与输入关系为：

输入信号与正交参考信号分别做乘法得：

一个周期内正弦参考信号的序列含有4个点，正弦参考信号的序列为{0，1，0，-1}，余弦参考信号的序列{1，0，-1，0}可得：

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

本发明为结合波长调制和二次谐波提取技术，对锁相放大器进行研制，实现了通过对微弱电流信号的检测反演出气体吸收系数，并且解决了现有光声光谱气体检测系统体积大，成本高和易受外界噪声影响等缺点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：1-激励光源，2-光声池，3-微音器，4-前置放大器，5-DSP，6-锯齿波，7-正弦波，8-激光驱动电路，9-温控单元，10-进气口，11-出气口，12-进气阀，13-出射窗口，14-出气阀，15-反射镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，该装置包括驱动电路8、激励光源1、光声池2和微音器3，光声池2连接激励光源1并连接高灵敏微音器3，激励光源1为可谐调分布反馈二极管，光声池2中的气体在激励光源1的作用下，发生共振产生声波，微音器3用于检测光声池2中的声波信号，微音器3连接有前置放大器4，前置放大器4连接有DSP5，DSP5和前置放大器4之间还设有模数转换器，前置放大器4用于对声波信号进行放大。DSP5上内置有串行通信接口模块，用于提取谐波信号送入计算机，DSP5发出信号对驱动电路8进行驱动。光声池2上设有进气口10和出气口11，进气口10和出气口11上分别设有进气阀12和出气阀14，光声池2内相对设有激光入射窗口15和反射镜13，反射镜13用于增加光线路径，增强与气体的作用，有助于光声信号的增强。激光射入窗口15对应连接可谐调分布反馈二极管。

可调谐分布反馈二极管连接激光驱动电路8和激光温控单元9，激光驱动电路8连接有外部调制信号发生器，采用恒流驱动及恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对可调谐分布反馈二极管外部调制。

驱动电路8通过DSP5发出低频锯齿波6和高频正弦波7进行驱动并对激光进行波长调制，使得激光器的中心波长扫过气体的吸收线；调制激光通过入射窗口15射入光声池2，光声池2为一阶纵向光声池，打开进气阀12和出气阀14，由气泵使得气体通过进气口10和出气口11，待气体充满光声池2后，关闭进气阀12和出气阀14，在入射光的作用下发生光声效应，声波由微音器3检测到，检测到的声波信号通过微音器3转换为电流信号，再通过前置放大器进行放大，送入DSP5中，在DSP5中产生一种是待测信号两倍频率的参考信号，并在DSP5中由数字算法实现正交锁相运算，提取谐波信号通过DSP5上内置的串行通信接口模块送入计算机。

一种DSP数字锁相谐波信号输出方法，包括以下步骤：

S01:生成参考信号，利用泰勒级数表示三角信号，展开得到正余弦函数为：

展开前五项，将上式改为：

有上式可得递推公式为：

sin nx＝2cos x sin(n-1)x-sin(n-2)x

cos nx＝2cos x sin(n-1)x-cos(n-2)x

其中：

x＝2πf_ri/f_s i＝0,1,2,3…

S02：生成谐波信号，使用fs/4的采样频率，当x(n)为输入信号，输出与输入关系为：

输入信号与正交参考信号分别做乘法得：

一个周期内正弦参考信号的序列含有4个点，正弦参考信号的序列为{0，1，0，-1}，余弦参考信号的序列{1，0，-1，0}可得：

首先，对微量气体的检测应用光声光谱的技术，避免光强变化的影响，可以实现高灵敏度的检测；其次，对于激光的驱动，激光器的电流控制电路运用DSP5输出一定频率的锯齿波电流信号调制激光器的驱动电流，使得激光器在一定范围内可以进行波长的扫描，实现实时控制能力，增加运行驱动速度；针对市面上的锁相放大器体积大，价格昂贵，本发明有所改进，运用泰勒级数展开法生成参考信号，并使用DSP5实现对谐波信号的提取，采用4倍信号频率的采样频率，这样一个周期内正弦参考信号的序列就含有4个点，正弦参考信号的序列为{0，1，0，-1}，余弦参考信号的序列{1，0，-1，0}，可得输入信号与参考信号的乘积，计算过程减少了运算量，增加了运算速度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：包括激光驱动电路、激励光源、光声池和微音器，所述光声池连接所述激励光源并连接所述微音器，所述光声池中的气体在激励光源的作用下，发生共振产生声波，所述微音器用于检测所述光声池中的声波信号，所述微音器连接有前置放大器，所述前置放大器连接有DSP，所述DSP发出信号对所述驱动电路进行驱动。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：所述激励光源为可谐调分布反馈二极管。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：所述可调谐分布反馈二极管连接所述激光驱动电路和激光温控单元，激光驱动电路连接有外部调制信号发生器，采用恒流驱动及恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对可调谐分布反馈二极管外部调制。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：所述光声池为纵向共振光声池，样品检测光声池上设有进气口和出气口，进气口和出气口上分别设有进气阀和出气阀，光声池内相对设有激光入射窗口和反射镜，激光入射窗口对应连接所述可谐调分布反馈二极管。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：所述DSP和所述前置放大器之间还设有模数转换器。

6.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置，其特征在于：所述DSP上内置有串行通信接口模块，用于提取谐波信号送入计算机。

7.一种DSP数字锁相谐波信号输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01:生成参考信号，利用泰勒级数表示三角信号，展开得到正余弦函数为：

展开前五项，将上式改为：

有上式可得递推公式为：

sinnx＝2cosxsin(n-1)x-sin(n-2)x

cosnx＝2cosxsin(n-1)x-cos(n-2)x

其中：

x＝2πf_ri/f_si＝0,1,2,3…

S02：生成谐波信号，使用fs/4的采样频率，当x(n)为输入信号，输出与输入关系为：

输入信号与正交参考信号分别做乘法得：

一个周期内正弦参考信号的序列含有4个点，正弦参考信号的序列为{0，1，0，-1}，余弦参考信号的序列{1，0，-1，0}可得：

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