CN219573902U - 一种气体传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气体传感装置，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号并根据所述电信号确定所述待测气体的浓度。基于本实用新型的气体传感装置来实现气体检测，利于避免光谱法气体检测中因光源波长漂移造成的检测结果偏差，同时具有广泛的适应性。

Description

一种气体传感装置

技术领域

本实用新型涉及气体传感技术领域，特别是涉及一种气体传感装置。

背景技术

对输气过程中的泄露、损耗实现高灵敏度、低成本的监测是保障高效、安全运行所需的。

甲烷是天然气中最主要的气体成分，其含量高达90％以上，针对天然气泄露检测可采用与瓦斯探测相同的技术手段。目前瓦斯探测多采用电子式测量技术，即采用热催化或催化燃烧原理，它们均存在浓度检测范围小、“中毒”风险高、校准困难、低浓度燃烧不充分等缺陷。采用化学试剂测量手段虽然价格低廉，但其重复性差、使用寿命短、性能退化严重，这些因素严重制约了它的实际应用。

针对以上困局，现今大量的光谱式测量手段应运而生。光谱式测量技术如直接吸收光谱、拉曼光谱、腔衰荡光谱等，它们均具有高灵敏度、快速响应、在线测量等技术优势。如公告号为“CN103743706A”的中国发明专利申请，公布了一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置，其利用红外吸收原理，采用半导体激光器探测目标气体特征峰的吸收强弱实现高灵敏度的检测。该方案利用波长调制技术即低频三角波叠加高频正弦波控制激光器，采用谐波解调技术实现气体低浓度下的高灵敏度探测。然而该专利所设计的传感器系统没有涉及激光波长的锁定与稳定，即激光器输出的波长若发生漂移，将导致所测量到的气体浓度值出现偏差。此外，如CN 113218901 A、CN 104280340 A中，LED光源都是用作气体吸收，光源与所要探测的气体种类相关，需要对应所探测气体的特征吸收谱线来选取LED输出的中心波长。这类吸收光谱法普遍存在光源波长漂移的缺点，无法胜任长时间工作的要求，而且针对不同气体种类的探测而言缺乏广泛的适应性，此外，测量响应速度也受到相应的限制。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于提供一种气体传感装置，以便避免气体检测中因光源波长漂移造成的检测结果偏差，提高气体传感装置的广泛适应性和测量响应速度。

为此，本实用新型提出一种气体传感装置，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号并根据所述电信号确定所述待测气体的浓度。

在本实用新型的一些实施例中，所述数据采集处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和数据处理装置，所述测量模块连接所述锁相放大器，所述数据采集卡连接在所述锁相放大器和所述数据处理装置之间。

在本实用新型的一些实施例中，所述驱动模块包括函数发生器和电源驱动器，所述函数发生器连接所述电源驱动器和所述锁相放大器，所述电源驱动器连接所述光源模块。

在本实用新型的一些实施例中，所述光源模块包括光源和准直透镜，所述光源经由所述驱动模块驱动而输出所述强度调制光，所述准直透镜用于将所述强度调制光准直后输出；其中，所述光源为LED光源或相干光源。

在本实用新型的一些实施例中，所述测量模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对所述光源模块输出的光束进行汇聚，并使汇聚光束的焦点作用于所述石英晶振的悬臂梁结合点的中心位置。

在本实用新型的一些实施例中，所述测量模块还包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器连接在所述石英晶振与所述锁相放大器之间。

在本实用新型的一些实施例中，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；其中，所述测量模块还包括匹配电容，所述石英晶振的一个引脚与所述匹配电容的一个引脚串联，所述跨阻抗放大器连接所述石英晶振的另一个引脚和匹配电容的剩余引脚，所述匹配电容用于多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准；所述锁相放大器为多通道输入，以用于多探测点气体浓度的探测。

在本实用新型的一些实施例中，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；多个所述石英晶振的附近添加有共振腔、或者多个所述石英晶振的尺寸经微加工或添加有涂层而达到谐振频率的统一校准；所述锁相放大器为多通道输入，以用于多探测点气体浓度的探测。

在本实用新型的一些实施例中，还包括探测气室，至少所述石英晶振设置于所述探测气室内。

本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的气体传感装置包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，其中，与所述光源模块相连的所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块设有设置于待测气体环境中的石英晶振，利用所述光源模块发出的所述强度调制光激励所述石英晶振形成机械振动并经由压电效应产生电信号，与所述测量模块相连的数据采集处理模块采集所述电信号并用于根据所述电信号确定所述待测气体的浓度。气体传感装置采用本实用新型提供的硬件方案及其上述的结构设计，使得如下的气体传感测量功能和效果能够成为现实：

本气体传感装置通过使用光源激励石英晶振，机械振动经由压电效应产生电信号，电信号含有石英晶振在固定频率下产生的与待测气体种类和浓度对应的信号响应幅值信息等技术特征的设置，能够实现根据信号响应幅值确定所述待测气体的浓度信息。现有技术中，LED光源都是用作气体吸收，需要对应所探测气体的特征吸收谱线来选取LED输出的中心波长。气体检测的基本原理不同，本实用新型通过光源激励石英晶振产生振动，利用不同气体分子数与背景气体如空气、氮气环境下针对石英晶振存在不同粘滞效应的原理，实现气体的种类鉴别与浓度反演，由于利用本实用新型实现气体传感与气体吸收光谱无关，避免了使用吸收光谱法中普遍存在光源波长漂移的缺点，避免了使用单色性较好的激光器存在波长漂移导致气体吸收峰失配的局限，从而解决了现有技术气体检测中因光源波长漂移造成的检测结果偏差的技术问题，并且因此针对气体种类的探测而言有着广泛的适应性。而且，由于利用本实用新型的气体传感装置所测量的是石英晶振固定频率下的信号响应幅值，相比传统光谱式测量技术可实现更高的灵敏度和更快的响应速度。此外，本实用新型的气体传感装置所使用的核心器件如石英晶振等具有巨大的成本优势，相比传统光谱式测量技术而言，省去了激光器、光电探测器等价格高昂的设备，并可实现多点分布测量，在远距离天然气运输管道的泄漏检测中具有更高的实用价值。本实用新型弱化了光源本身的限制因素，针对易燃易爆等高危险性气体实现更加安全、快速、可靠的检测需求。

本实用新型实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1是本实用新型实施例中气体传感装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中不同气体浓度下石英晶振的频率响应特性；

图3是本实用新型实施例中不同气体浓度下固定激励石英晶振频率所测量得到的信号响应幅值。

附图标记如下：

1为函数发生器、2为电源驱动器、3为探测气室、4为LED光源、5为沉浸式准直透镜、6为聚焦透镜、7为石英晶振、8为匹配电容、9为阻抗放大器、10为锁相放大器、11为数据采集卡、12为计算机。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本实用新型下述实施例提出了一种气体传感装置，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振7，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振7形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号，根据所述信号响应幅值确定所述待测气体的浓度信息。

基于本实用新型实施例的气体传感装置的结构设计和硬件方案基础，使得下文将述的气体传感测量功能和效果能够实现。

针对以特征峰为测量核心的光谱式气体传感技术中光源波长漂移问题以及多种气体探测的改进需求，本实用新型实施例提供了一种基于固定频率激励石英晶振的气体传感装置。其中优选采用LED光源4作为石英晶振7的激励源，避免探测气体的吸收效应，利用固定频率激励、测量石英晶振7的信号响应幅值代替通过扫频以获得频率变化量的测量，提高了气体传感装置的灵敏度与检测速度，这是因为，频率变化量的测量需要通过扫频、拟合获得，而响应幅值是直接测量的结果，因此使用本实用新型实施例的气体传感装置时，利用石英晶振7的幅值响应可以提高检测速度；频率变化量的测量依赖于扫频精度和速度，因此用幅值响应的变化来做传感的灵敏度更高。应用本实用新型实施例，可以较低成本实现气体泄漏检测的多点布局，采用多点布局方案，实现大区域、长路径系统的气体泄漏检测。

本实用新型实施例中所述的气体传感装置包括驱动模块、光源模块、测量模块、数据采集处理模块，其中：

本实用新型实施例中所述的驱动模块包括函数发生器1、电源驱动器2，所述函数发生器1输出方波扫描驱动后续光源实现光探测器件的频率预扫描；所述方波信号驱动电源驱动器2实现恒定频率f₀的强度调制。

本实用新型实施例中所述的光源模块包括LED光源4、金属封装及其沉浸式准直透镜5(沉浸式指封装透镜与发光芯片集成为一个整体，透镜外表面低于LED圆周外围的金属封装，对于透镜而言起到一定的保护作用，是一种已商用的透镜封装形式)，所述LED光源4为自然冷却的波长400-760nm可见光二极管；所述金属封装与沉浸式准直透镜5以及LED发光芯片集成为一体，使得该LED光源能够在自然散热的工况下稳定输出固定调制频率f₀的激励光。

本实用新型实施例中所述的测量模块包括聚焦透镜6、石英晶振7、匹配电容8和跨阻抗放大器9，所述聚焦透镜6为可见光波段具有高透过率(T>90％)的球面透镜，该聚焦透镜将LED光源4输出的光束聚焦于后续石英晶振表面，用以激励石英晶振形成稳定的机械振荡；所述石英晶振7为弯曲振动模式的商用25kHz晶振，该石英晶振7的谐振频率在剥开其自身金属外壳后均能保持Hz数量级的微小差异；所述匹配电容8(1-100pF，根据晶振频率的差异数值，匹配电容8的大小从几到几十pF)与石英晶振7直接串联，实现石英晶振7谐振频率的统一校准。所述跨阻抗放大器9的等效阻值为1-50MΩ如10MΩ，该跨阻抗放大器9连接石英晶振7其中一个引脚和匹配电容8的剩余引脚，用以将石英晶振7产生的微弱压电电流信号进行放大并转换为电压信号。

本实用新型实施例中所述的数据采集处理模块包括锁相放大器10、数据采集卡11，计算机12；所述锁相放大器10为多通道输入、前端数模转换以及数字锁相解调的锁相放大器，该锁相放大器10连接跨阻抗放大器9的放大输出端以解调石英晶振7固定频率下的信号响应幅值；所述数据采集卡11用于接收锁相放大器10解调石英晶振7的信号响应幅值，并将锁相放大器10各通道的测量结果传输至计算机12；处理得到多点探测位置处的气体浓度信息。

所述驱动模块中函数发生器1产生的频率f₀高频信号包括且不限于短脉冲信号、方波信号、三角波信号等。

所述LED光源4包括且不限于紫外、可见光、红外波段的LED光源(LED光源为非相干光源)、相干光源即各种波长的激光、黑体辐射源、各种波段的宽带光源等，所述金属封装与沉浸式准直透镜5包括且不限于其他形式(纯石英、硅窗口封装)的LED封装方案、光束准直方案(常见的封装方式为平面窗口片封装，窗口片外准直形式)，所述LED光源4经聚焦后作用于石英晶振7的表面位置可根据锁相放大器10解调石英晶振7固定频率f₀的信号幅值强度而改变优化(可以通过改变光束聚焦点在石英晶振上的位置，根据锁相放大器测量到的信号响应幅值大小来进行优化)，其激励石英晶振7形成机械振荡包括且不限于其他形式的激励方式，如光声激励模式。

所述石英晶振7可根据LED光源4等不同激励形式而改动，同样的，所述石英晶振7包括且不限于低频弯曲振动模式、高频切变模式等工作方式、不同谐振频率的石英晶振，所述匹配电容8是为校准石英晶振的频率差异，可采用其他形式的校准方案，包括且不限于微型共振腔能量耦合、微加工、表面涂敷、温度调制等方案(其他形式的校准方案不用匹配电容。微型共振能量耦合是在石英晶振附近添加共振腔，微加工是采用打磨、腐蚀方法改变石英晶振的尺寸，表面涂敷是通过化学沉积的方法给石英晶振表面添加一定后的涂层，温度调制是改变石英晶振的工作温度)。

激励信号为LED光源4作用于石英晶振7上的光强度调制信号；函数发生器1产生的频率f₀的方波信号为输入到电源驱动器2上的调制信号；电源驱动器2产生的直流方波信号为驱动LED光源4的信号。三者信号的频率相同，波形相同。

所述驱动模块产生的激励信号为石英晶振7在设定气体浓度下的谐振频率，同时，函数发生器1产生频率f₀的方波信号传输至锁相放大器10中用以解调设定频率下石英晶振7的信号响应幅值；此外，锁相放大器10的参考解调模式包括且不限于直接的频率输入参考、同频率的模值解调等。

所述驱动模块以及信号采集处理模块可集成为板卡、单片机等硬件电路中，可进行数据、程序的移植与修改。

实施例1

如图1所示，本实施例的气体传感装置包括驱动模块、光源模块、测量模块、数据采集处理模块。

驱动模块包括函数发生器1和电源驱动器2，根据所选定的石英晶振7的固定频率f₀，将函数发生器1设置为产生频率f₀的方波信号，该方波信号的占空比为50％，低电平为零值，高电平为LED光源4最大加载电压；函数发生器1输出的方波信号输入至电源驱动器2的调制端口，电源驱动器2将输出与函数发生器1产生的方波信号一致的直流方波信号，该直流方波信号连接至后续LED光源4实现固定频率f₀的强度调制。

光源模块包括LED光源4、沉浸式准直透镜5，LED光源4为连续最大输出功率20mW的650nm红光LED，其输出光首先由沉浸式准直透镜5进行光束准直输出，LED光源4的外壳为金属封装，自然冷却的散热方式，与沉浸式准直透镜5封装为一体，在电源驱动器2固定频率f₀的驱动下，输出频率为f₀的强度调制光束。

测量模块包括聚焦透镜6、石英晶振7、匹配电容8和跨阻抗放大器9，石英晶振7的一个引脚与匹配电容8的一个引脚串联，聚焦透镜6将LED光源4经沉浸式准直透镜5输出的准直光束进行汇聚，该汇聚光束的焦点作用于石英晶振7悬臂梁结合点的中心位置，石英晶振7受到频率为f₀的强度调制光激励，由其自身的谐振工作原理吸收光能转化为机械振动，该机械振动经由压电效应最终产生电信号，石英晶振7与匹配电容8连接，匹配电容8可实现石英晶振7谐振频率的统一校准从而实现多点探测端的匹配(多点探测端的石英晶振频率进行统一，测量所得信号强度幅值归一化即可实现多点匹配)。跨阻抗放大器9的等效阻值为1-50MΩ，该跨阻抗放大器连接石英晶振7另一个引脚和匹配电容8的剩余引脚(石英晶振有两个引脚，匹配电容与其串联即可)，跨阻抗放大器9将石英晶振7经过吸收光能转化的电信号(其为微弱压电电流信号)进行放大至mV量级并以电压信号的形式输出。

数据采集处理模块包括锁相放大器10、数据采集卡11和计算机12。跨阻抗放大器9输出的电压信号传输至锁相放大器10中进行解调，即锁相放大器10以函数发生器1设定方波信号的f₀频率为参考，对跨阻抗放大器9输出的电压信号进行一次谐波分量解调，解调输出的一次谐波信号幅值传输至数据采集卡11，函数发生器1将其通道信息、时序信息传输至数据采集卡11，数据采集卡11将锁相放大器10输出的电压信号与函数发生器1的通道信息、时序信息即成为数组形成各通道传感信息。数据采集卡11收集上述信号传输至计算机12，计算机12上的上位机软件将数据采集卡11收集的数据，包括函数发生器1的通道信息、时序信息以及锁相放大器10的电压信号集合成数组，最终形成各通道的传感信息，继而实现多点气体浓度的探测。

在实际测量过程中，首先可用频率变化的扫频信号去获取获得石英晶振7的固定频率f₀。利用函数发生器1输出一个固定幅值的扫频信号控制LED光源4输出一个频率变化的强度调制光强，LED光源4的输出光束激励石英晶振7形成机械振动，石英晶振7产生的电信号通过跨阻抗放大器9放大后输入至锁相放大器10中。锁相放大器10的参考信号始终与函数发生器1的输出扫描频率保持一致，通过相关解调获得石英晶振7在不同频率下一次谐波信号的响应幅值。至此，便可获得石英晶振7的频率响应特性及其谐振频率即固定频率f₀。相同浓度、不同种类的气体对石英晶振频率的影响因子不同，根据这一原理可鉴别其种类。在固定LED激励频率下，同一种气体不同浓度将直接影响石英晶振的信号响应幅值。为了实现探测气体浓度的标定，首先将光源模块以及测量模块所在的探测气室3分别注入不同浓度的CH₄气体(通入的是包含CH₄气体和背景气体的混合气体)，测量不同浓度下石英晶振7的频率响应特性及其谐振频率。如图2所示：探测气室3分别通入体积浓度为10％、20％、30％、40％、50％的CH₄气体，函数发生器1输出扫频信号(一个频率变化的方波信号)，通过锁相放大器10解调石英晶振7的频率响应幅值即可得到其形如洛伦兹线型的特性曲线其中，横坐标为赫兹(Hz)，纵坐标为信号幅值(mV)。其中，在某一个浓度下测量所获得的曲线最大值对应的频率即为石英晶振7在该浓度下的谐振频率。可以清晰的看出，随着气体浓度增大，石英晶振7的谐振频率逐渐增大。这是由于气体分子数与背景气体(空气、氮气)的分子数存在差异，致使石英晶振7在气体环境中的粘滞力以及谐振阻尼发生改变。因此，石英晶振7的谐振频率将发生改变，而气体的粘滞效应与气体分子数有直接的关联，利用这一原理便可通过测量石英晶振7的频率响应特性来鉴别气体种类。相同浓度的不同种类气体对石英晶振的粘滞力不同，利用这一原理即可实现种类的鉴别，具体可测量石英晶振在相同浓度、不同种类气体下的频率漂移量、纯背景气体以及纯目标气体下频率漂移量以及f₀频率下的信号响应幅值来做种类的标记(在实际应用中，可先针对各种气体做一个标定工作)。在本实施例中，为了提高检测速度、探测灵敏度，如图2所示，将函数发生器1输出的方波信号频率固定为f₀，当气体浓度发生改变时，测量石英晶振7在f₀频率下的信号响应幅值将会发生变化，其变化值大小的测量是迅速的、直接的。为此，如图3所示：其中，横坐标为时间(s)，纵坐标为信号幅值(μV)，将函数发生器1输出的方波信号的频率固定为f₀，仅为示例，向探测气室3内分时通入体积浓度为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％的CH₄、N₂混合气体，验证本实用新型实施例气体传感装置的测量速度与探测灵敏度，通过锁相放大器10解调石英晶振7在f₀频率下的响应幅值。在整个过程中，测量是连续的，浓度的变化是通过更改质量流量配气系统中的混合流速实现，因此可以观察到浓度变化以及变化过程中的过充和波动。图3结果表明，石英晶振7在固定LED调制频率f₀的激励、通入不同浓度CH₄气体时，石英晶振7的信号响应幅值将发生改变。即证明，本实施例采用固定频率激励石英晶振7可实现目标检测气体的浓度测量。图3所述示例受测试所使用的气体管路长度局限，只作为一种现象展示。在实际应用中，本实施例的气体传感装置响应时间小于秒量级并有着更加优异的检测性能。

为了实现多点分布式测量，探测气室3所包含的光源模块、测量模块将以探测单元(3、4、5、6、7、8、9构成一个探测单元)的形式连接在整个系统中，其具体连接形式如图1中的3′、3″(3′、3″中都含有4、5、6、7、8、9这些元件)。图1中的箭头表示气体的通入和流出。通过装配测量模块中的匹配电容8便可校准多个探测单元中石英晶振7的谐振频率，从而实现整个传感系统同频率驱动、多点探测的同时解调。图1中列出了三个探测单元仅作为一个示例，具体所需的探测单元数根据实际应用需求而定。

本实用新型实施例公开了一种气体传感装置，基于石英晶振7所处环境气体的粘滞效应实现气体浓度的检测；其包括驱动模块、光源模块、测量模块、数据采集处理模块；驱动模块用于产生驱动LED光源4的强度调制信号；光源模块用于激励石英晶振7形成机械振动，在固定频率、强度的激励条件下使得石英晶振7能够对气体粘滞效应做出响应；测量模块用于检测石英晶振7所处环境中气体粘滞效应的变化，获得在不同浓度气体对应的石英晶振7信号响应幅值；数据采集处理模块将采集石英晶振7产生的信号以及同步驱动模块中的相关信号，获得多点探测信号并对其进行计算后处理，以得到不同探测点的气体浓度及浓度变化信息。相比可调谐激光二极管吸收光谱、腔衰荡光谱、法拉第磁旋转光谱、光声光谱等利用相干光源气体的指纹特征探测检测手段而言，本实用新型实施例有效提高了检测气体种类的适应性，并且显著降低了核心元器件的成本，实现多点分布式测量，弱化了光源本身的限制因素，针对易燃易爆等高危险性气体实现更加安全、快速、可靠的检测需求。

实施例2：

本实施例提供一种气体传感装置，包括驱动模块、光源模块、测量模块、数据采集处理模块。

本实施例的驱动模块包括函数发生器1、电源驱动器2；所述函数发生器1首先产生一个方波形式的扫频信号输入至电源驱动器2，所述电源驱动器2接收函数发生器1的方波信号产生同频率的方波直流驱动电流，并对后续光源实现强度调制；在确定选取调制频率f₀后，函数发生器1的输出方波频率将固定为f₀并输出至电源驱动器2。

进一步地，所述函数发生器1产生固定频率的方波驱动信号作为光源强度调制信号实现石英晶振的有效激励，包括但不限于三角波信号激励源、正弦波激励源，也不限于连续光后端的强度调制方式如斩波器、声光调制、电光调制等方式。当采用三角波、正弦波激励源时，只是对上述示例中的方波信号进行替换。连续光后端的强度调制均添加相应的调制器，此时电源驱动器2仅需要一个恒定的电流输出。

本实施例的光源模块包括LED光源4、沉浸式准直透镜5；所述LED光源4为输出波长为400-760nm、功率20mW的LED光源，其封装形式为金属封装且作自然冷却的方式散热；所述沉浸式准直透镜5与LED光源4的金属封装形成为一个整体结构，在器件尺寸上可做高度集成；所述LED光源4经由电源驱动器2输出的直流方波电流信号驱动输出稳定频率的强度调制光束，此光束再由沉浸式准直透镜5准直输出。

进一步地，所述LED光源4可以为输出波长为400-760nm，功率为20mW，金属外壳封装形式，所述沉浸式准直透镜5与LED光源4的金属外壳封装形成为一体。

进一步地，所述LED光源4作为激励石英晶振产生机械振动的驱动源包括但不限于紫外、可见光、红外波段LED光源以及相干光源(各种波长的激光、黑体辐射源、各种波段的宽带光源等)；所述沉浸式准直透镜5用作准直激励光源包括但不限于多透镜组光学系统、折射率渐变聚合物、抛物面反射镜等光学元件。

本实施例的测量模块包括聚焦透镜6、石英晶振7、匹配电容8、跨阻抗放大器9；所述聚集透镜6将LED光源4以及沉浸式准直透镜5输出的准直光束进行聚焦，其聚焦光斑入射至石英晶振7悬臂梁结合点的中心位置，所述石英晶振7为商用的谐振频率为25kHz的音叉式晶振，其引脚一端连接至匹配电容8，所述匹配电容8用于校准调谐多个探测单元中石英晶振7的谐振频率，以匹配出相等的频率值，将多个探测单元的每个石英晶振频率校准为相等。所述跨阻抗放大器9的等效阻值为1-50MΩ，其将石英晶振7产生的压电电流信号放大输出为电压信号。进一步地，测量模块中的石英晶振7作为核心气体检测器件，利用气体粘滞效应原理作为测量依据包括但不限于不同谐振频率的石英晶振，如常见的32.768kHz，30.72kHz，38kHz等，同时也不限于非音叉式的石英晶振，如面切变形式的高频MHz量级频率器件等。

进一步地，所述匹配电容8作为石英晶振7频率校准匹配元件(如果只有一个探测单元，则不需要匹配电容8)，实现同频调制、解调下的多点分布检测，包括但不限于其他形式的频率校准补偿手段如温度调制、压强调制、晶振研磨等。

本实施例的数据采集处理模块包括锁相放大器10、数据采集卡11、计算机12；所述锁相放大器10为多通道解调，以函数发生器1输出的方波信号频率为参考，解调石英晶振7经跨阻抗放大器9放大输出电信号的一次谐波分量幅值；所述数据采集卡11接收锁相放大器10解调的信号以及函数发生器1输出的通道信息、时序信息、同步信号，最终传输至计算机12。

进一步地，所述传感装置在本实施例中以CH₄作为目标检测气体，其广泛适应性包括但不限于气体与背景气体(氮气、空气)分子数相差较大的气体如H₂、He、CO₂、NO₂、C₆H₆以及聚合物气体等种类。

总体而言，与现有光谱式气体传感测量器相比，应用本实用新型的气体传感装置提供的硬件结构方案，使得如下的气体传感测量功能能够成为现实：

(1)本实用新型实施例的气体传感装置通过使用LED光源激励石英晶振，测量固定频率下的信号响应幅值，避免了使用单色性较好的激光器存在波长漂移导致气体吸收峰失配的局限；本实用新型实施例与现有技术如CN 113218901 A、CN 104280340A等专利的基本原理不同，上述现有技术中，LED光源都是用作气体吸收，需要对应所探测气体的特征吸收谱线来选取LED输出的中心波长。本实用新型实施例中的LED是用来激励石英晶振产生振动，与所要探测的气体种类无关，因此针对气体种类的探测而言有着广泛的适应性。上述现有技术利用了吸收光谱技术原理，本实用新型实施例与气体吸收光谱无关，因此可视为免光谱标定的新方法，避免使用吸收光谱法中普遍存在光源波长漂移的缺点。

(2)本实用新型实施例的气体传感装置基于不同气体分子数与背景气体如空气、氮气环境下针对石英晶振存在不同粘滞效应的原理，从而实现气体的种类鉴别与浓度反演，因此拥有广泛的适应性；

(3)本实用新型实施例的气体传感装置所测量的是石英晶振固定频率下的信号响应幅值，相比测量其频率漂移原理可实现更快的响应速度；

(4)本实用新型实施例的气体传感装置所使用的核心器件LED光源、石英晶振均具有巨大的成本优势，相比传统光谱式测量技术而言，省去了激光器、光电探测器等价格高昂的设备，可实现多点分布测量，在远距离天然气运输管道的泄漏检测中具有更高的实用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体传感装置，其特征在于，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述数据采集处理模块用于采集所述电信号并根据所述电信号确定所述待测气体的浓度。

2.如权利要求1所述的气体传感装置，其特征在于，所述数据采集处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和数据处理装置，所述测量模块连接所述锁相放大器，所述数据采集卡连接在所述锁相放大器和所述数据处理装置之间。

3.如权利要求2所述的气体传感装置，其特征在于，所述驱动模块包括函数发生器和电源驱动器，所述函数发生器连接所述电源驱动器和所述锁相放大器，所述电源驱动器连接所述光源模块。

4.如权利要求1至3任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述光源模块包括光源和准直透镜，所述光源经由所述驱动模块驱动而输出所述强度调制光，所述准直透镜用于将所述强度调制光准直后输出；其中，所述光源为LED光源或相干光源。

5.如权利要求1至3任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述测量模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对所述光源模块输出的光束进行汇聚，并使汇聚光束的焦点作用于所述石英晶振的悬臂梁结合点的中心位置。

6.如权利要求2至3任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述测量模块还包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器连接在所述石英晶振与所述锁相放大器之间。

7.如权利要求6所述的气体传感装置，其特征在于，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；其中，所述测量模块还包括匹配电容，所述石英晶振的一个引脚与所述匹配电容的一个引脚串联，所述跨阻抗放大器连接所述石英晶振的另一个引脚和匹配电容的剩余引脚，所述匹配电容用于多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准；所述锁相放大器为多通道输入，以用于多探测点气体浓度的探测。

8.如权利要求2至3任一项所述的气体传感装置，其特征在于，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；多个所述石英晶振的附近添加有共振腔、或者多个所述石英晶振的尺寸经微加工或添加有涂层而达到谐振频率的统一校准；所述锁相放大器为多通道输入，以用于多探测点气体浓度的探测。

9.如权利要求1至3任一项所述的气体传感装置，其特征在于，还包括探测气室，至少所述石英晶振设置于所述探测气室内。