CN113567377A - 一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法，其特征在于，包括波长可调谐激光器、光纤隔离器、光纤功率放大器、准直器、反射镜、样品池、聚焦透镜、石英音叉、转换电路、低噪声前置放大器、数据采集卡、激光器控制器、计算机控制单元。本发明以石英音叉作为光热信号探测器，设计了一种新型激光器调制信号和波长调制解调算法，使得单个音叉同时获取一次谐波和二次谐波信号，实现基于石英音叉的免校准波长调制光谱测量。本发明能避免基于石英音叉的光谱测量系统中光强抖动、气流干扰、系统机械振动等干扰，从而提高系统在实际应用中的稳定性和探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及激光光谱和光电检测技术领域，具体为一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法。
背景技术
石英晶振因其体积小、功耗低和高频率稳定性被广泛用作应力传感器、压力传感器和温度传感器等。近年来，在光谱学领域，石英晶振去掉外壳后，其内部的石英音叉作为新型声信号传感器和光电探测器而广泛应用于痕量气体检测等。由于石英音叉具有价格便宜，具有宽广的波长响应范围等优势，基于石英音叉的激光光谱技术得到了迅猛发展。随着石英音叉光谱技术的发展，基于石英音叉的多组分气体激光光谱检测方法受到越来越多光谱学者们的关注。总体而言，石英音叉作为光电探测器用于吸收光谱已成为当前的研究热点。虽然石英音叉微小的体积使其在微型化气体传感器应用方面具有独特的优势，然而，石英音叉具有的最佳响应位置特性使得实际应用中很难保证入射光束长期固定在最佳激发位置。此外，石英音叉的光电转化效率与入射光光强具有一定的依赖性。实际应用中入射光强抖动或激发光源自身不稳定造成的光强的变化、外部环境的气流扰动、实验系统的振动等不可控环境因素的干扰，严重影响了基于石英音叉吸收光谱或光声光谱系统信号的稳定性，进而直接影响基于石英音叉光谱系统的探测精度和检测灵敏度。基于石英音叉光声光谱技术，由于该技术是一种间接的光谱方法，需要通过已知标样对光声光谱系统进行校准获取校准曲线后，才能反演出未知气体的浓度。然而光声光谱技术对入射光光强的线性依赖性，当入射光源的自身功率发生改变时，必然使得校准曲线的准确度降低。
针对上述基于石英音叉光谱技术中面临的几个关键技术问题，本专利提出一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测技术，利用两个不同调制频率信号的叠加信号调制光谱系统中的激发光源，结合石英音叉自身的谐振特性和压电效应，以及适当的信号提取算法，同时获得一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，从而提出一种基于2f/1f归一化的石英音叉免校准波长调制光谱技术。该光谱技术能有效抑制激发光源光强波动的影响，对提高光谱系统检测稳定性和测量精度具有非常好的改善效果。
发明内容
针对现有基于石英音叉光谱技术中的不足之处，本发明提出了一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法。
为实现以上技术目的,本发明的技术方案是按以下方式实现的：
一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，包括：波长可调谐激光器、光纤隔离器、光纤功率放大器、准直器、反射镜、样品池、聚焦透镜、石英音叉、转换电路、低噪声前置放大器、数据采集卡、激光器控制器、计算机控制单元。
所述计算机控制单元的信号输出端与数据采集卡连接，所述数据采集卡的信号输出端与激光器控制器连接，所述激光器控制器输出端与可调谐激光器连接；所述可调谐激光器的出射端与光纤隔离器的输入端连接；所述光纤隔离器的输出端与光纤功率放大器连接；所述光纤功率放大器输出端与准直器连接；所述准直器的出射光经过反射镜后进入样品池；所述样品池的出射光后设置有聚焦透镜，所述聚焦透镜后焦点处设置有石英音叉。所述石英音叉与转换电路的信号输入端连接，所述转换电路的信号输出端与低噪声前置放大器输入端连接，所述低噪声前置放大器的信号输出端接入数据采集卡，所述数据采集卡的输出端连接计算机控制单元。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述可调谐激光器的中心波长依据待检测气体分子的种类而定。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述的样品池可以为单通池或多通池。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述激光打在石英音叉的位置不固定，可以在能引起音叉响应的任意位置处，无需精确的光学对准。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述数字信号输出模块输出的信号为多频叠加数字信号。
进一步地，所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述输出的叠加的多个信号频率分别为f1＝32758Hz,f2＝16380Hz。其中f1与2f2的频率数值间隔2Hz。
进一步地，所述的基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[01]计算机控制单元Labview软件编写的数字信号输出模块输出由两个频率叠加的混频调制信号通过数模转换模块变成模拟信号，其中一个频率为音叉中心频率，另一个频率为与中心频率间隔2Hz的频率的一半。再经过激光器控制模块输入可调谐激光器，实现激光器波长调谐和调制输出；
[02]可调谐激光器发出的调制光通过光纤隔离器隔离后进入光纤功率放大器，再经过准直器准直后输出。
[03]经准直器输出的出射光经过反射镜进入样品池内，样品池的出射光经过聚焦透镜聚焦，入射到石英音叉表面，由于调制信号的光热诱导和频率匹配进而引起石英音叉共振；
[04]石英音叉因其压电效应产生压电电流，压电电流输入到转换电路转换为电压信号，再输入到低噪声前置放大器进行放大和降噪；
[05]低噪声前置放大器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将信号输入到计算机控制单元中Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块，进行相关处理；
[06]基于Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块首先对音叉的原始时域信号进行快速傅里叶变换得到对应的频域信号，实现两个频率信号的识别和分离，然后对两个频率的信号分别解调由气体吸收所产生的一次谐波(1f)和二次谐波信号(2f)。
[07]将实时解调的二次谐波和一次谐波信号进行比值得到2f/1f光谱信号。
[08]最后，结合吸收光谱满足的Lamber-Beer定律或光谱信号与气体浓度之间的校正曲线，及其他相关物理量信息(温度、压力、吸收线强等)，即可实现石英音叉免校准波长调制光谱检测。
免校准波长调制光谱技术原理分析：
在波长调制光谱技术中，激光通过样品吸收池后的透射光强It与入射光强I0遵循Beer-Lambert定律并展开为傅里叶余弦级数：
式中，τ(v)称为透射率，N为每立方厘米待测气体分子个数，σ(v)为吸收横截面，v为中心波数，p为吸收池内压强，S(T)为对应温度下单位压强的分子谱线吸收强度。L为有效光程χ为待测分子体积分数，
为吸收谱线线型函数。通过数学变换，则Ak可表示为：
当叠加上频率为w的调制信号时，I0可表示为：
式中，
为平均光强，i1和ψ1分别为线性强度调制幅值和相位移动i2和ψ2分别为非线性调制幅值于相位移动。将此式带入透射率公式中，并进行谐波探测，可得1f信号S1f和2f信号S2f在吸收线型中心的表达式为：
G为系统的光电增益。从上式可以看出，波长调制2f与1f信号均会收到增益系数和光强的影响，通过在吸收线中心使用1f信号对2f信号进行归一化，可以有效避免系统增益以及光强对测量信号的影响，归一化后的信号S2f/1f＝S2f/S1f。
本发明的优点是：
本发明利用石英音叉的谐振特性和压电效应，在其谐振频率响应带宽范围内，通过对激光器的输出激光进行多频调制，利用快速傅里叶变换算法对不同频率信号进行有效识别和分离，分别解调一次谐波和二次谐波，实现基于石英音叉的免校准波长调制气体检测。本发明能有效消除或降低光谱测量系统中光强抖动、气流干扰、系统振动等干扰，从而提高系统稳定性和探测灵敏度。
附图说明
图1为基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置及方法实施例的结构示意图。
图中：波长可调谐激光器1、光纤隔离器2、光纤功率放大器3、准直器4、反射镜5、样品池6、聚焦透镜7、石英音叉8、转换电路9、低噪声前置放大器10、数据采集卡11、激光控制器12、计算机控制单元13。
图2为本发明装置所用到的激光器调制信号和音叉的解调频率信号。
图3为本发明装置检测算法解调得到的石英音叉波长调制光谱信号，分别为2f,1f,2f/1f三种信号。
图4为基于石英音叉的免校准波长调制气体检测方法的算法步骤流程图。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1。
如图1所示，基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，该装置包括：波长可调谐激光器1、光纤隔离器2、光纤功率放大器3、准直器4、反射镜5、样品池6、聚焦透镜7、石英音叉8、转换电路9、低噪声前置放大器10、数据采集卡11、激光器控制器12、计算机控制单元13。计算机控制单元13的输出端与数据采集卡11输入端连接，数据采集卡11输出端与激光器控制单元12连接，激光器控制单元12输出端与波长可调谐激光器1连接，光源的出射光经过光纤隔离器2和光纤功率放大器3并经过准直器4和反射镜5，进入气体池6中。气体池6出射的光经过聚焦透镜7聚焦后打在石英音叉8上。石英音叉8输出端连接转换电路9，转换电路9输出端连接低噪声前置放大器10，前置放大器10的输出端与数据采集卡11连接，采集卡11与计算机控制单元13连接。
更进一步地，可调谐激光器的中心波长依据待检测气体分子的种类而定。
更进一步地，的样品池可以为单通池或多通池。
更进一步地，激光打在石英音叉的位置无需精确的光学对准。
更进一步地，计算机控制单元包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块。
更进一步地，数字信号输出模块输出的信号为多频叠加数字信号。
更进一步地，输出的叠加的多个信号频率分别为f1＝32758Hz,f2＝16380Hz。其中f1与2f2的频率数值间隔2Hz。
更进一步地，的基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[01]计算机控制单元Labview软件编写的数字信号输出模块输出由两个频率叠加的混频调制信号通过数模转换模块变成模拟信号，其中一个频率为音叉中心频率，另一个频率为与中心频率间隔2Hz的频率的一半。再经过激光器控制模块输入可调谐激光器，实现激光器波长调谐和调制输出；
[02]可调谐激光器发出的调制光通过光纤隔离器隔离后进入光纤功率放大器，再经过准直器准直后输出。
[03]经准直器输出的出射光经过反射镜进入样品池内，样品池的出射光经过聚焦透镜聚焦，入射到石英音叉表面，由于调制信号的光热诱导和频率匹配进而引起石英音叉共振；
[04]石英音叉因其压电效应产生压电电流，压电电流输入到转换电路转换为电压信号，再输入到低噪声前置放大器进行放大和降噪；
[05]低噪声前置放大器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将信号输入到计算机控制单元中Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块，进行相关处理；
[06]基于Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块首先对音叉的原始时域信号进行快速傅里叶变换得到对应的频域信号，实现两个频率信号的识别和分离，然后对两个频率的信号分别解调由气体吸收所产生的一次谐波(1f)和二次谐波信号(2f)。
[07]将实时解调的二次谐波和一次谐波信号进行比值得到2f/1f光谱信号。
[08]最后，结合吸收光谱满足的Lamber-Beer定律或光谱信号与气体浓度之间的校正曲线，及其他相关物理量信息(温度、压力、吸收线强等)，即可实现石英音叉免校准波长调制光谱检测。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，该装置包括波长可调谐激光器(1)、光纤隔离器(2)、光纤功率放大器(3)、准直器(4)、反射镜(5)、样品池(6)、聚焦透镜(7)、石英音叉(8)、转换电路(9)、低噪声前置放大器(10)、数据采集卡(11)、激光器控制器(12)、计算机控制单元(13)；
所述计算机控制单元(13)的信号输出端与数据采集卡(11)连接，所述数据采集卡(11)的信号输出端与激光器控制器(12)输入端连接，所述激光器控制器(12)输出端与可调谐激光器(1)输入端连接；所述可调谐激光器(1)的出射光与光纤隔离器(2)的输入端连接；所述光纤隔离器(2)的输出端与光纤功率放大器(3)连接；所述光纤功率放大器(3)的输出端与准直器(4)连接；所述准直器(4)的出射光经过反射镜(5)后进入样品池(6)；所述样品池(6)的出射光后设置有聚焦透镜(7)，所述聚焦透镜(7)后焦点处设置有石英音叉(8)；所述石英音叉(8)与转换电路(9)的信号输入端连接，所述转换电路(9)的信号输出端与低噪声前置放大器(10)的输入端连接，所述低噪声前置放大器(10)的信号输出端接入数据采集卡(11)，所述数据采集卡(11)的输出端连接计算机控制单元(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述可调谐激光器(1)的中心波长依据待检测气体分子的种类而定，所述的样品池(6)可以为单通池或多通池。
3.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述激光打在石英音叉的位置无需精确的光学对准。
4.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述计算机控制单元(13)包括Labview编写的数字信号输出模块和采集信号处理模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述数字信号输出模块输出的信号为多频叠加数字信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置，其特征在于，所述输出的叠加的多个信号频率分别为f1＝32758Hz,f2＝16280Hz，其中f1与2f2的频率数值间隔2Hz，使得在音叉频率响应带宽范围内同时探测WMS-1f于WMS-2f信号。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的基于石英音叉的免校准波长调制气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[01]计算机控制单元Labview软件编写的数字信号输出模块输出由两个频率叠加的混频调制信号通过数模转换模块变成模拟信号，其中一个频率为音叉中心频率，另一个频率为与中心频率间隔2Hz的频率的一半；再经过激光器控制模块输入波长可调谐激光器，实现激光器波长调谐和调制输出；
[02]波长可调谐激光器发出的调制光通过光纤隔离器隔离后进入光纤功率放大器，再经过准直器准直后输出；
[03]经准直器输出的出射光经过反射镜进入样品池内，样品池的出射光经过聚焦透镜聚焦，入射到石英音叉表面，由于调制信号的光热诱导和频率匹配进而引起石英音叉共振；
[04]石英音叉因其压电效应产生压电电流，压电电流输入到转换电路转换为电压信号，再输入到低噪声前置放大器进行放大和降噪；
[05]低噪声前置放大器输出的电压信号输入到数据采集卡，数据采集卡将信号输入到计算机控制单元中Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块，进行相关处理；
[06]基于Labview软件编写的免校准解调算法信号处理模块首先对音叉的原始时域信号进行快速傅里叶变换得到对应的频域信号，实现两个频率信号的识别和分离，然后对两个频率的信号分别解调由气体吸收所产生的一次谐波(1f)和二次谐波信号(2f)；
[07]将实时解调的二次谐波和一次谐波信号进行比值得到2f/1f光谱信号。
[08]最后，结合吸收光谱满足的Lamber-Beer定律或光谱信号与气体浓度之间的校正曲线，及其他相关物理量信息，即可实现石英音叉免校准波长调制光谱检测。
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