CN116930089A - 一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置 - Google Patents

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苏毅
夏小飞
韩方源
张磊
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Abstract

本发明属于光声光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，包括：光声池，光声池内装有待测气体，光电池的一端设置有激光器，激光器由激光驱动器控制，光电池的一侧设置有微音器；锁相放大器，锁相放大器与微音器电性连接；函数发生器，函数发生器与激光驱动器电性连接；控制单元，控制单元与锁相放大器电性连接，同时还与函数发生器电性连接，用于控制设备。还包括：反馈模块：反馈模块能够根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率。本发明采用带微音器的共振式光声腔,完成了反馈调制一体化，此外，通过增加带宽，使用用于反馈相位校正的反馈回路，进一步提高气体检测精度。

Description

一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置
技术领域
本发明属于光声光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置。
背景技术
目前，微量气体检测在工业过程等领域中广泛应用，常用的检测方法为光声光谱法，其原理为：用一束强度可调制的单色光照射到密封于池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热,从而导致介质产生周期性压力波动,这种压力波动可用灵敏的压电陶瓷检测，并通过放大得到；若入射单色光波长可变，则可测到随波长而变的光谱。
在光声光谱法中，光声信号由调制光源激发，而光声信号又与气体浓度成正比，故而可用传声器对气体进行检测并量化在光声光谱的气体检测中，提高灵敏度的一个常见策略是使用高功率激光器从而提高激光光源功率，另一种方式是使激光的频率和光声池频率保持一致，从而实现检测“共振”，此外使激光波长处于气体吸收峰位置也能提高检测灵敏度。
但现有的光声光谱法无法根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率，导致气体检测精度较低。
对此，本发明提出一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，以解决上述问题。
发明内容
为了解决或者改善现有的光声光谱法无法根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率，导致气体检测精度较低的问题，本发明提供了一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，具体技术方案如下：
本发明提供一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，包括：
光声池，所述光声池内装有待测气体，所述光电池的一端设置有激光器，所述激光器由激光驱动器控制，所述光电池的一侧设置有微音器；
锁相放大器，所述锁相放大器与微音器电性连接；
函数发生器，所述函数发生器与激光驱动器电性连接；
控制单元，所述控制单元与锁相放大器电性连接，同时还与函数发生器电性连接，用于控制设备。
还包括：
反馈模块：所述反馈模块能够根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率。
优选的，所述反馈模块包括频率反馈模块，所述频率反射模块分别与所述锁相放大器和函数发生器电性连接。
优选的，所述反馈模块包括波长反馈模块，所述波长反馈模块分别与所述锁相放大器和激光器电性连接。
优选的，所述波长反馈模块与激光器的连接线设置有压电控制器，压电控制器用于激光波长调谐，使激光波长处于气体的吸收峰中心位置。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用带微音器的共振式光声腔,完成了反馈调制一体化，此外，通过增加带宽，使用用于反馈相位校正的反馈回路，进一步提高气体检测精度。
2.本发明所述的波长反馈，通过压电控制器控制精度高的优点、控制激光器的腔内损失，进而实现激光器波长调谐的目的。
3.本发明所述的频率反馈，通过将激光器需要输入的频率信号反馈于锁相放大器：经过共振式光声腔的红外光经过反射镜反射，再次进入光声池内，这种方式比于单束光增加了几乎一倍的光功率。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图中：1、光声池；2、微音器；3、波长反馈模块；4、压电控制器；5、激光器；6、锁相放大器；7、激光驱动器；8、频率反馈模块；9、函数发生器；10、控制单元。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
为了解决现有的光声光谱法无法根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率，导致气体检测精度较低的问题，提出如图1所示的一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，包括：
光声池，光声池内装有待测气体，光电池的一端设置有激光器，激光器由激光驱动器控制，光电池的一侧设置有微音器；
锁相放大器，锁相放大器与微音器电性连接；
函数发生器，函数发生器与激光驱动器电性连接；
控制单元，控制单元与锁相放大器电性连接，同时还与函数发生器电性连接，用于控制设备。
还包括：
反馈模块：反馈模块能够根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率。
函数发生器为激光器提供锯齿波电压信号，锁相放大器为激光器提供正弦波信号，两者共同为激光器提供驱动电流，激光器工作发出红外激光，经过压电控制器后进入光声池，待测气体吸收红外光发生光声效应从而产生声信号，声信号由微音器探测并转换为电信号，电信号传输至锁相放大器中解调成有关气体浓度的二次谐波光声信号。
作为本发明的具体实施方式，反馈模块包括频率反馈模块，频率反射模块分别与锁相放大器和函数发生器电性连接。
将激光器需要输入的频率信号反馈于锁相放大器：经过共振式光声腔的红外光经过反射镜反射，再次进入光声池内，这种方式比于单束光增加了几乎一倍的光功率。经过反射的光进入光探测器处，光探测器设置在频率反射模块内，探测器探测出光功率的衰减情况ΔP，(通过调节锁相放大器输出信号的频率，ΔP最大时，此时待测气体对光的吸收最多，此时的频率即为光声池的共振频率)并把光信号的频率传送至锁相放大器，作为参考信号，这种光反馈将激光器的激光的频率与光声池的共振频率锁定，从而减小频率噪声(共振频率处频率噪声最小)，增加检测精度。
作为本发明的具体实施方式，反馈模块包括波长反馈模块，波长反馈模块分别与锁相放大器和激光器电性连接。波长反馈模块与激光器的连接线设置有压电控制器，压电控制器用于激光波长调谐，使激光波长处于气体的吸收峰中心位置。
通过压电控制器控制精度高的优点、控制激光器的腔内损失，进而实现激光器波长调谐的目的。根据气体吸收原理，激光存在某一个波长处具有最强的吸收峰，此波长下对光的吸收作用最强，能在一定程度上提高气体的检测精度，在实现共振的情况下，波长反馈器接收锁相放大器的激光器的输入电压信号，并将信号传输至压电控制模块，压电控制模块进行，压电控制器进行激光波长调谐，使激光波长处于气体的吸收峰中心位置，增加检测精度。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，包括：
光声池，所述光声池内装有待测气体，所述光电池的一端设置有激光器，所述激光器由激光驱动器控制，所述光电池的一侧设置有微音器；
锁相放大器，所述锁相放大器与微音器电性连接；
函数发生器，所述函数发生器与激光驱动器电性连接；
控制单元，所述控制单元与锁相放大器电性连接，同时还与函数发生器电性连接，用于控制设备。
其特征在于，还包括：
反馈模块：所述反馈模块能够根据光声池内的反应现象调节激光器发射光线的波长及频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，其特征在于：所述反馈模块包括频率反馈模块，所述频率反射模块分别与所述锁相放大器和函数发生器电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，其特征在于：所述反馈模块包括波长反馈模块，所述波长反馈模块分别与所述锁相放大器和激光器电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于光声光谱的反馈式气体检测装置，其特征在于：所述波长反馈模块与激光器的连接线设置有压电控制器，压电控制器用于激光波长调谐，使激光波长处于气体的吸收峰中心位置。
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