CN113155742A - 同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统及检测方法 - Google Patents

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王高旋
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Abstract

本发明公开一种同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统及检测方法。所述系统依次包括光源模块、探测模块、处理模块；光源模块具有多组光源，每组依次包括激光驱动器、分布反馈式激光器、及光纤准直镜，用于激发气体产生光声效应；探测模块包括光声池和位于光声池中的共振腔、麦克风，用于收集光声信号；光源模块激发的光经过分束镜后耦合为一路，入射进入探测模块的共振腔；处理模块依次包括前置放大器、锁相放大器、数据采集卡；数据采集卡分别与激光驱动器和电脑相连。本发明将多束激光不通过光开光的方式直接耦合，实现多种气体的同时检测，简化了系统结构，可只用一路信号对激光进行调制和控制，无需信号延迟线等帮助，降低了成本。

Description

同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统及检测方法
技术领域
本发明涉及空气污染监测领域，涉及同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统及检测方法。
背景技术
近年来，多种气体分析传感器在工业和科学领域具有重要应用，例如环境监测、大气研究、医学诊断和工业过程控制等领域。目前多气体分析一般由多个仪器完成，由每种仪器单独检测一种气体。这种方法成本较高，并且占用空间较大。此外，随着我国经济持续快速发展，众多新的工业园区被建设起来，同时也带来了不可忽视的隐患，做好工业园区各种化工物质的排放监测已然成为重中之重。因此，亟需低成本的气体分析检测系统。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种同时检测多种气体的单共振腔光声
光谱系统及检测方法，实现对多种污染源的在线监测。
一种同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统，依次包括光源模块、探测模块、处理模块；所述的光源模块具有多组光源，每组依次包括激光驱动器、分布反馈式激光器、及光纤准直镜，用于激发气体产生光声效应；
所述的探测模块包括光声池和位于光声池中的共振腔、麦克风，用于收集光声信号；所述的光源模块激发的光经过分束镜后耦合为一路，入射进入所述的探测模块的共振腔；所述的处理模块依次包括前置放大器、锁相放大器、数据采集卡；所述的数据采集卡分别与激光驱动器和电脑相连。
所述的共振腔密封在光声池中，共振腔的两端为缓冲池用于减免环境噪声，麦克风位于共振腔中间用于收集光声信号并将其转为电信号。
所述的光声池设有进气口、出气口，分别位于共振腔的两侧。
所述的麦克风传递的电流号先经过前置放大器放大，再进入锁相放大器提取光声光谱信号，最后进入数据采集卡。
一种根据所述的系统的检测方法，对两组光源利用锯齿波和正弦波的叠加信号进行控制，通过对分布反馈式激光器温度电流控制，在一个周期内，第一组分布反馈式激光器先扫过第一种气体的吸收峰，此时第二组分布反馈式激光器还未扫到第二种气体的吸收峰，在第一组分布反馈式激光器扫完第一种气体的吸收峰之后，第二组分布反馈式激光器的波长才会扫到第二种气体的吸收峰，从而分别获得第一种气体和第二种气体的光声信号；处理模块将不同波长的光声信号收集在一起得到光声光谱，从而推算出气体浓度。
所述的检测方法，同时测量两种气体时，先测出不受干扰或者干扰少的第一种气体的真实浓度值，通过第二种气体的光声信号扣除第一种气体的干扰信号，得到第二种气体的真实浓度。
本发明的有益效果：
1、将多束激光不通过光开光的方式直接耦合，实现多种气体的同时检测，简化了系统结构。
2、只用一路信号对激光进行调制和控制，无需信号延迟线等帮助，减少了对信号发生器的需求，降低成本。
附图说明
图1为同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统的结构示意图。
其中，分布反馈式激光器1、激光驱动器2、共振腔3、麦克风4、前置放大器5、锁相放大器6、数据采集卡7、电脑8、光纤准直镜9、分束镜10、进气口11、出气口12、光声池13。
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。
如图1所示，一种同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统，依次包括光源模块、探测模块、处理模块；所述的光源模块具有多组光源（图1所示为两组），每组依次包括激光驱动器2、分布反馈式激光器1及光纤准直镜9，用于激发气体产生光声效应。分布反馈式激光器1，调谐一个线宽非常窄的二极管激光器，使激光器的输出波长完整的扫描过目标气体的吸收峰。随后分布反馈式激光器1通过光纤与光纤准直镜9相连接。由光纤准直镜9出射的平行光透过分束镜10耦合为一路激光入射进入共振腔3内。所述的共振腔3密封在光声池13中，共振腔3的两端为缓冲池用于减免环境噪声，麦克风4位于共振腔3中间用于收集光声信号并将其转为电信号。所述的光声池13设有进气口11、出气口12，分别位于共振腔3的两侧。
所述的探测模块包括光声池13和位于光声池中的共振腔3、麦克风4，用于收集光声信号。
所述的处理模块依次包括前置放大器5、锁相放大器6、数据采集卡7。所述的数据采集卡7分别与激光驱动器2和电脑8相连。所述的麦克风4传递的电流号先经过前置放大器5放大，再进入锁相放大器6提取光声光谱信号，最后进入数据采集卡7。
应用实施例
以对氨气和甲烷的同时测量为例，甲烷和氨气的混合气体由进气口11进入后均匀分布在共振腔3内。据氨气和甲烷的吸收峰位置所定，测量氨气所用的分布反馈式激光器1波长在1512纳米附近，测量甲烷所用的分布反馈式激光器1波长在1653纳米附近。
探测模块包括光声池13和位于光声池中的共振腔3、麦克风4，用于收集光声信号；由数据采集卡7输出一个锯齿波和正弦波的叠加信号到激光驱动器上。锯齿波用于调谐激光器的波长，正弦波用于调制激光器。调谐后的激光在共振腔3内扫过目标气体的吸收峰时，会引发光声效应，产生一个声波信号。而此时的声音信号的频率与激光器的调制频率一致。因此通过改变激光的调制频率使其与共振腔的第一纵模频率相同，可以得到与共振腔第一纵模频率相同的声音信号，此时声音信号在共振腔会发生共振效应，从而放大该声音信号。位于共振腔3中心的麦克风4收集到放大后的声音信号后将其转为电信号。
麦克风4传递的电信号首先进入前置放大器5中，对信号初步放大，而后放大后的信号进入锁相放大器6中。由数字采集卡7输出与正弦调制信号频率相同的方波信号作为锁相放大器6的参考信号，从而使锁相放大器6可以提取出电信号中由光声信号转化的部分。最后得到的结果由数字采集卡7输入到终端电脑8中。通过软件的计算，在一次扫描周期后，即可得到气体的光声光谱，从而反演出气体浓度。
两种气体同时测量，对两组光源利用锯齿波和正弦波的叠加信号进行控制，通过对分布反馈式激光器温度电流控制，在一个周期内，第一组分布反馈式激光器1先扫过第一种气体的吸收峰，此时第二组分布反馈式激光器还未扫到第二种气体的吸收峰，在第一组分布反馈式激光器扫完第一种气体的吸收峰之后，第二组分布反馈式激光器的波长才会扫到第二种气体的吸收峰，从而分别获得第一种气体和第二种气体的光声信号；处理模块将不同波长的光声信号收集在一起得到光声光谱，从而推算出气体浓度。
对于氨气和甲烷而言，通过调节激光驱动器2使得氨气激光器扫描范围为1511.9到1512.3纳米，甲烷激光器的扫描范围为1653.6到1654.3纳米。而氨气和甲烷的吸收峰分别位于1512.24和1653.7纳米处。在两个激光器同时扫描的情况下，耦合的激光会先扫过甲烷吸收峰之后，再扫过氨气的吸收峰。因此只需用一路信号来控制两个激光器，从而在一次扫描中获得两种气体的光声信号。
在同时探测两种气体，如果其中一种气体甲会对另一个气体乙发生串扰，则先对不受干扰（或干扰最少）的气体甲根据其光声信号计算出浓度，认定其为真实浓度。使用甲气体的浓度计算出其对乙气体光声信号的干扰值。此时将测出的乙气体的光声扣除甲气体的干扰值，既可以得到真实的乙气体光声信号，从而得出真实的乙气体浓度值。对于氨气和甲烷而言，氨气会对甲烷的光声信号有干扰，甲烷对氨气的信号没有干扰。因此在一次扫描完成后，先通过氨气的光声信号反演出氨气的气体浓度，然后计算出当前氨气浓度对甲烷光声信号的影响。甲烷的光声信号扣除掉氨气的光声信号带来的影响后，则可以得到真实的甲烷光声信号，从而反演出甲烷的气体浓度。
对于本领域技术人员来说，在应用实施例的基础上经过简单的变形或改进后可探测氨气和甲烷之外的气体，或者同时探测两种以上的气体。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种同时检测多种气体的单共振腔光声光谱系统，其特征在于：依次包括光源模块、探测模块、处理模块；所述的光源模块具有多组光源，每组依次包括激光驱动器、分布反馈式激光器、及光纤准直镜，用于激发气体产生光声效应；
所述的探测模块包括光声池和位于光声池中的共振腔、麦克风，用于收集光声信号；
所述的光源模块激发的光经过分束镜后耦合为一路，入射进入所述的探测模块的共振腔；
所述的处理模块依次包括前置放大器、锁相放大器、数据采集卡；
所述的数据采集卡分别与激光驱动器和电脑相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的共振腔密封在光声池中，共振腔的两端为缓冲池用于减免环境噪声，麦克风位于共振腔中间用于收集光声信号并将其转为电信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的光声池设有进气口、出气口，分别位于共振腔的两侧。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的麦克风传递的电流号先经过前置放大器放大，再进入锁相放大器提取光声光谱信号，最后进入数据采集卡。
5.一种根据权利要求1所述的系统的检测方法，其特征在于：
对两组光源利用锯齿波和正弦波的叠加信号进行控制，通过对分布反馈式激光器温度电流控制，在一个周期内，第一组分布反馈式激光器先扫过第一种气体的吸收峰，此时第二组分布反馈式激光器还未扫到第二种气体的吸收峰，在第一组分布反馈式激光器扫完第一种气体的吸收峰之后，第二组分布反馈式激光器的波长才会扫到第二种气体的吸收峰，从而分别获得第一种气体和第二种气体的光声信号；处理模块将不同波长的光声信号收集在一起得到光声光谱，从而推算出气体浓度。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：同时测量两种气体时，先测出不受干扰或者干扰少的第一种气体的真实浓度值，通过第二种气体的光声信号扣除第一种气体的干扰信号，得到第二种气体的真实浓度。
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