CN114813634A - 一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统及方法，检测系统包括激光发生装置，激光发生装置连接气室，气室连接传感装置，传感装置连接输出装置，所述激光发生装置包括两套DFB驱动控制器和DFB激光器，共同连接耦合器，耦合器连接气室；所述传感装置包括反向设置的音叉一和音叉二，音叉一和音叉二相邻的叉臂接近但不接触；气室输出的激光束从音叉一和音叉二相邻的叉臂之间穿过并同时打在音叉一和音叉二上。气室与传感装置之间设置准直器。输出装置包括前置放大器，前置放大器连接锁相放大器，锁相放大器连接数据采集器，数据采集器连接计算机。本发明结构简单合理，可同时完成双组分气体的检测。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统及方法。
背景技术
气体检测技术在现代社会中有着广泛的应用：空气中有害气体含量的测定，化工、医学领域中的特殊气体的浓度检测，煤炭污染气体的排放浓度检测等都离不开这项技术。但是目前气体检测技术也存在气体传感组分单一的问题，实现多组分气体传感大多仍需要采用“多组分检测多传感器”的模式，且有些场合下气体具有腐蚀性，接触式检测可能损坏音叉，极大地限制了使用场景。
光致热弹性光谱技术是目前比较成熟的一项技术，它是指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性。光致热弹性光谱技术能够通过功率和吸收光程提高灵敏度和检测极限，具有检测方便，造价成本低等优点，并且在高精度的场合能够得到很好的应用。
发明内容
为克服上述技术问题，本发明提供了一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统及方法，将两束不同波段的激光和束后，先穿过气室，再同时打到两个共振频率不同的音叉上，实现非接触式检测，并达到同时检测两种组分气体的效果。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，包括激光发生装置，所述激光发生装置连接气室，所述气室连接传感装置，所述传感装置连接输出装置，所述激光发生装置包括DFB驱动控制器一和DFB驱动控制器二，所述DFB驱动控制器一连接DFB激光器一，所述DFB驱动控制器二连接DFB激光器二，所述DFB激光器一和DFB激光器二共同连接耦合器，DFB激光器一和DFB激光器二均为窄线宽可调制的半导体连续光激光器，DFB激光器一和DFB激光器二的区别在于其输出波长不同，可分别对应两种被测气体的吸收峰，实现针对性检测；所述耦合器的输出端连接气室；所述传感装置包括音叉一和音叉二，所述音叉一和音叉二的共振频率不同，所述音叉一和音叉二并排放置且叉面位于同一平面内，所述音叉一正向放置，所述音叉二倒置，所述音叉一和音叉二相邻的叉臂接近但不接触；所述气室输出的激光束从音叉一和音叉二相邻的叉臂之间穿过并同时打在音叉一和音叉二上，所述气室与传感装置之间设置0.3mm大光斑准直器，以保证激光能够同时打在音叉一和音叉二上。
所述DFB驱动控制器一提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器一提供驱动信号；DFB驱动控制器二提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器二提供驱动信号；耦合器将光合束后进入气室，所述气室出射的激光经准直器入射到共振频率不同的音叉一和音叉二上，音叉一和音叉二吸收激光能量后会发生光致热弹性效应，各自产生电流信号；输出装置将电信号采集分析处理，得到最终检测结果。
所述气室采用长光程吸收气室，可提高吸收光程，提高气体检测的灵敏度和检测极限。
所述输出装置包括与传感装置的输出端相连的前置放大器，所述前置放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机；音叉一和音叉二产生的电信号进入前置放大器后，前置放大器实现电流信号到电压信号的转换并对其放大，所述锁相放大器将电压信号进行解调，所述数据采集器将解调后的电压信号数据采集下来，然后将数据传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算。
一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测方法，包括以下步骤：
S1.根据两种被测气体X和Y的吸收峰调节激光发生装置，DFB驱动控制器一提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器一提供驱动信号，使DFB激光器一发出对应气体X吸收峰波长的激光；DFB驱动控制器二提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器二提供驱动信号，使DFB激光器二发出对应气体Y吸收峰波长的激光；耦合器将DFB激光器一和DFB激光器二发出的两种不同波长的激光合束后射入气室；
S2.待检测气体从进气口进气室，从出气口出气室，气室出射的激光经准直器入射到音叉一和音叉二的叉臂上，音叉一和音叉二吸收激光能量后发生光致热弹性效应，各自产生电流信号；
S3.音叉一和音叉二产生的电信号进入前置放大器后，前置放大器实现电流信号到电压信号的转换并对其放大，所述锁相放大器将电压信号进行解调，所述数据采集器将解调后的电压信号数据采集下来，然后将数据传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算，最终完成双组分气体检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中，传感装置由传统的单音叉改进成了上下交错的双音叉摆放方式，激光打到两音叉叉臂上，两音叉吸收激光能量后会发生光致热弹性效应，各自产生电流信号，基于光致热弹性光谱技术和频分复用技术达到利用单光束和双音叉实现双组分气体检测的目的；
2.本发明设置激光发生装置连接气室连接准直器连接传感装置，相比于石英增强光声光谱技术，可以实现非接触式检测，防止某些场合下气体具有腐蚀性而损坏音叉，并且使用长光程吸收气室通过增加吸收光程进一步提升检测精度和灵敏度。
附图说明
图1是本发明整体示意图；
图2是本发明中传感装置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，包括激光发生装置，所述激光发生装置连接气室，所述气室连接传感装置，所述传感装置连接输出装置，所述激光发生装置包括DFB驱动控制器一和DFB驱动控制器二，所述DFB驱动控制器一连接DFB激光器一，所述DFB驱动控制器二连接DFB激光器二，所述DFB激光器一和DFB激光器二共同连接耦合器；所述耦合器的输出端连接气室；所述传感装置包括音叉一和音叉二，所述音叉一和音叉二的共振频率不同，所述音叉一和音叉二并排放置且叉面位于同一平面内，所述音叉一正向放置，所述音叉二倒置，所述音叉一和音叉二相邻的叉臂接近但不接触；所述气室输出的激光束从音叉一和音叉二相邻的叉臂之间穿过并同时打在音叉一和音叉二上。所述气室与传感装置之间设置准直器。所述气室采用长光程吸收气室。所述输出装置包括与传感装置的输出端相连的前置放大器，所述前置放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机。
一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测方法，包括以下步骤：
S1.根据两种被测气体X和Y的吸收峰调节激光发生装置，DFB驱动控制器一提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器一提供驱动信号，使DFB激光器一发出对应气体X吸收峰波长的激光；DFB驱动控制器二提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器二提供驱动信号，使DFB激光器二发出对应气体Y吸收峰波长的激光；耦合器将DFB激光器一和DFB激光器二发出的两种不同波长的激光合束后射入气室；
S2.待检测气体从进气口进气室，从出气口出气室，气室出射的激光经准直器入射到音叉一和音叉二的叉臂上，音叉一和音叉二吸收激光能量后发生光致热弹性效应，各自产生电流信号；
S3.音叉一和音叉二产生的电信号进入前置放大器后，前置放大器实现电流信号到电压信号的转换并对其放大，所述锁相放大器将电压信号进行解调，所述数据采集器将解调后的电压信号数据采集下来，然后将数据传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算，最终完成双组分气体检测。
所述气室采用长光程吸收气室，可提高吸收光程，提高气体检测的灵敏度和检测极限。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对以上实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，包括激光发生装置，所述激光发生装置连接气室，所述气室连接传感装置，所述传感装置连接输出装置，其特征在于，所述激光发生装置包括DFB驱动控制器一和DFB驱动控制器二，所述DFB驱动控制器一连接DFB激光器一，所述DFB驱动控制器二连接DFB激光器二，所述DFB激光器一和DFB激光器二共同连接耦合器；所述DFB激光器一和DFB激光器二的输出波长不同；
所述耦合器的输出端连接气室；
所述传感装置包括音叉一和音叉二，所述音叉一和音叉二的共振频率不同，所述音叉一和音叉二并排放置且叉面位于同一平面内，所述音叉一正向放置，所述音叉二倒置，所述音叉一和音叉二相邻的叉臂接近但不接触；
所述气室输出的激光束从音叉一和音叉二相邻的叉臂之间穿过并同时打在音叉一和音叉二上。
2.根据权利要求1所述的一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，其特征在于：所述气室与传感装置之间设置准直器。
3.根据权利要求2所述的一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，其特征在于：所述准直器采用0.3mm大光斑准直器。
4.根据权利要求1所述的一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，其特征在于：所述气室采用长光程吸收气室。
5.根据权利要求1所述的一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，其特征在于：所述输出装置包括与传感装置的输出端相连的前置放大器，所述前置放大器连接锁相放大器，所述锁相放大器连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机。
6.一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种基于光致热弹性光谱的双组分气体检测系统，包括以下步骤：
S1.根据两种被测气体X和Y的吸收峰调节激光发生装置，DFB驱动控制器一提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器一提供驱动信号，使DFB激光器一发出对应气体X吸收峰波长的激光；DFB驱动控制器二提供驱动电流和温度控制，并且为DFB激光器二提供驱动信号，使DFB激光器二发出对应气体Y吸收峰波长的激光；耦合器将DFB激光器一和DFB激光器二发出的两种不同波长的激光合束后射入气室；
S2.待检测气体从进气口进气室，从出气口出气室，气室出射的激光经准直器入射到音叉一和音叉二的叉臂上，音叉一和音叉二吸收激光能量后发生光致热弹性效应，各自产生电流信号；
S3.音叉一和音叉二产生的电信号进入前置放大器后，前置放大器实现电流信号到电压信号的转换并对其放大，所述锁相放大器将电压信号进行解调，所述数据采集器将解调后的电压信号数据采集下来，然后将数据传输到计算机，进行信号处理和气体浓度的计算，最终完成双组分气体检测。
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| CN115326755A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法 |
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2022
- 2022-05-24 CN CN202210569759.6A patent/CN114813634A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN115326755A (zh) * | 2022-09-14 | 2022-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法 |
| CN115326755B (zh) * | 2022-09-14 | 2024-05-28 | 哈尔滨工业大学 | 基于光栅解调的光致热弹光谱痕量气体检测装置及方法 |
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