本發(fā)明專利技術(shù)涉及氣體傳感技術(shù)，具體為一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置及方法。解決了目前光聲光譜測(cè)聲裝置采用光束質(zhì)量較差的光源時(shí)系統(tǒng)背景噪聲難以除去的技術(shù)問(wèn)題。一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置，包括一個(gè)光譜測(cè)聲裝置；所述光譜測(cè)聲裝置包括一個(gè)微型氣室以及設(shè)在微型氣室內(nèi)部的石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件；所述石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件包括有一個(gè)音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振的第一引腳通過(guò)信號(hào)衰減器連接到雙通道函數(shù)發(fā)生器的一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端，雙通道函數(shù)發(fā)生器的另一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端連接有LED光源驅(qū)動(dòng)板，LED光源驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED光源；所述光譜測(cè)聲裝置位于透鏡組的出射光路上。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術(shù)涉及氣體傳感技術(shù)，具體為一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置及方法。解決了目前光聲光譜測(cè)聲裝置采用光束質(zhì)量較差的光源時(shí)系統(tǒng)背景噪聲難以除去的技術(shù)問(wèn)題。一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置，包括一個(gè)光譜測(cè)聲裝置；所述光譜測(cè)聲裝置包括一個(gè)微型氣室以及設(shè)在微型氣室內(nèi)部的石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件；所述石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件包括有一個(gè)音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振的第一引腳通過(guò)信號(hào)衰減器連接到雙通道函數(shù)發(fā)生器的一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端，雙通道函數(shù)發(fā)生器的另一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端連接有LED光源驅(qū)動(dòng)板，LED光源驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED光源；所述光譜測(cè)聲裝置位于透鏡組的出射光路上?！緦＠f(shuō)明】基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置及方 法
本專利技術(shù)涉及氣體傳感技術(shù)，具體為一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣 體探測(cè)裝置及方法。
技術(shù)介紹
近年來(lái)，光聲光譜技術(shù)作為一種新型光譜探測(cè)技術(shù)以其零吸收背景，高探測(cè)靈敏 度，探測(cè)器件沒(méi)有波長(zhǎng)選擇選擇性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天檢測(cè) 等各個(gè)行業(yè)。當(dāng)一束被調(diào)制的激光穿過(guò)待測(cè)樣品時(shí)，若光源的發(fā)射波長(zhǎng)與樣品的吸收線波 長(zhǎng)相吻合時(shí)，激光能量就會(huì)被樣品吸收。吸收了光能量的樣品分子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，然后由 于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生碰撞退激發(fā)而引起樣品周圍的氣體溫度局部升高和降低，進(jìn)而 產(chǎn)生壓力波向四周傳遞，此壓力波即為聲波。通過(guò)聲波換能器探測(cè)聲波壓力而轉(zhuǎn)化為電信 號(hào)就能反演出吸收氣體的濃度。 傳統(tǒng)的常用光聲光譜聲波換能器為高靈敏度寬帶麥克風(fēng)，它的缺點(diǎn)是麥克風(fēng)過(guò)寬 的響應(yīng)帶寬使得環(huán)境噪聲容易被帶入到探測(cè)系統(tǒng)中。2002年美國(guó)RICE大學(xué)的FRANK教 授研究小組發(fā)展了一種新型石英增強(qiáng)光聲光譜探測(cè)技術(shù)（QEPAS)，該技術(shù)采用一個(gè)商用的 32768音叉式石英晶振來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的寬帶麥克風(fēng)來(lái)充當(dāng)聲波換能器。音叉式石英晶振的 工作原理是壓電效應(yīng)，當(dāng)該音叉式石英晶振的兩支振臂受到聲波的推動(dòng)時(shí)音叉式石英晶振 輸出電流，然后用前置放大器將電流提取出來(lái)，再通過(guò)信號(hào)后處理反演出所需的氣體濃度 信號(hào)。這種音叉式石英晶振有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，它只在固定的頻率32768 Hz附近有響應(yīng)， 對(duì)其它頻段的聲音的響應(yīng)非常微弱，這就造就了基于音叉式石英晶振的傳感器有極高的環(huán) 境噪聲免疫能力；第二，它擁有極高的Q值，高Q值在光聲光譜技術(shù)中意味著更高的信號(hào)峰 值；第三，音叉式石英晶振只有在對(duì)稱振動(dòng)模式(音叉的兩只振臂向相反的方向做往復(fù)運(yùn) 動(dòng))下才能產(chǎn)生電流，因此這更進(jìn)一步減小了來(lái)自音叉外部的噪聲聲波干擾。目前國(guó)際上流 行的QEPAS傳感組件配置有兩種方式：一、共軸配置（on-beam)，在音叉式石英晶振的兩側(cè) 安裝兩支不銹鋼毛細(xì)管作為聲學(xué)諧振腔，以此來(lái)積累聲波，使聲學(xué)諧振腔與音叉共振耦合， 以此來(lái)提高傳感器的探測(cè)靈敏度。共軸配置的QEPAS傳感組件的優(yōu)點(diǎn)是，相比于無(wú)諧振腔 的單個(gè)音叉能顯著地提高靈敏度達(dá)30倍，缺點(diǎn)是兩側(cè)的諧振腔增加了對(duì)光束質(zhì)量的要求， 加大了準(zhǔn)直難度，光束質(zhì)量很差的光源很難用在共軸配置的QEPAS傳感組件中；二、離軸配 置（off-beam)，在音叉式石英晶振的一側(cè)放置一根側(cè)面開(kāi)口的不銹鋼毛細(xì)管作為聲學(xué)諧振 腔，讓音叉振臂間隙緊貼住聲學(xué)諧振腔的開(kāi)口處，以此來(lái)使音叉和聲學(xué)諧振腔相互耦合來(lái) 提高探測(cè)靈敏度。離軸配置的QEPAS傳感組件的優(yōu)點(diǎn)是光束不需穿過(guò)音叉振臂間隙，只需 要穿過(guò)聲學(xué)諧振腔即可(諧振腔內(nèi)徑一般大于音叉振臂間隙的尺寸)，降低了傳感組件對(duì)于 光束質(zhì)量的要求，缺點(diǎn)是其探測(cè)靈敏度相比于共軸配置大打折扣。 由于光聲光譜中傳感器探測(cè)的是聲波，和其它光學(xué)技術(shù)相比，對(duì)聲波的探測(cè)沒(méi)有 波長(zhǎng)選擇性，所以在做不同類別樣品探測(cè)時(shí)，只需要更換對(duì)應(yīng)于該樣品吸收波長(zhǎng)的光源即 可，不需要更換對(duì)應(yīng)的探測(cè)器。石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)自發(fā)展以來(lái)已經(jīng)被用于多種不同吸 收波段的氣體檢測(cè)，可以采用的光源有近紅外波段DFB激光器、中紅外波段量子級(jí)聯(lián)激光 器、光學(xué)參量振動(dòng)器等。近年來(lái)迅猛發(fā)展的LED光源具有性價(jià)比高，功率高，體積小，壽命長(zhǎng) 等特點(diǎn)，因此有人提出用LED作為激發(fā)光源結(jié)合QEPAS技術(shù)來(lái)進(jìn)行氣體探測(cè)。這進(jìn)一步降 低了基于QEPAS技術(shù)的痕量氣體傳感器的成本，但是相比于激光，LED屬于寬帶光源，波長(zhǎng) 無(wú)法調(diào)諧，光束相干性較差，并且光束質(zhì)量較差，一般情況下有很大的發(fā)散角，因此LED在 用于QEPAS傳感器中作為光源時(shí)必須做嚴(yán)格光束整形和空間濾波。就目前的科研情況，即 使有光束整形，同時(shí)采用對(duì)光束質(zhì)量要求較低的離軸配置的QEPAS傳感組件，還是不能完 全避免LED雜散光引起的背景噪聲。特別是當(dāng)LED發(fā)射功率較大時(shí)，強(qiáng)雜散光散射到音叉 上會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的背景噪聲，極大地破壞了傳感器的探測(cè)靈敏度。 國(guó)際上有人提出了一種光學(xué)調(diào)制相消技術(shù)來(lái)對(duì)QEPAS傳感器進(jìn)行背景噪聲補(bǔ)償。 光學(xué)調(diào)制相消技術(shù)的原理是采取一個(gè)波長(zhǎng)遠(yuǎn)離待測(cè)氣體目標(biāo)吸收線的光源做為平衡光源 來(lái)平衡背景噪聲。探測(cè)時(shí)，平衡光源和激發(fā)光源同時(shí)作用到QEPAS傳感組件上，平衡光源和 激發(fā)光源具有類似的光束質(zhì)量和光場(chǎng)分布，因此對(duì)平衡光源強(qiáng)度調(diào)制時(shí)也會(huì)使傳感器引起 類似的背景噪聲。當(dāng)兩個(gè)光源受到同頻率，但是相位差為180°的強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，兩個(gè)光源引 起的背景噪聲相互抵消。光學(xué)調(diào)制相消技術(shù)可以有效的抑制背景噪聲，但它需要同時(shí)使用 兩臺(tái)光源，并且需要復(fù)雜的鎖定系統(tǒng)，所以這一方法增加了 QEPAS傳感器的成本。 因此在采用光束質(zhì)量較差的光源時(shí)，尤其是高功率LED時(shí)，如何降低系統(tǒng)背景噪 聲，提高信噪比，但又不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，成了必須要解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為解決目前光聲光譜測(cè)聲裝置采用光束質(zhì)量較差的光源時(shí)系統(tǒng)背景噪聲 難以除去的技術(shù)問(wèn)題，提供一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置及方 法。 本專利技術(shù)所述基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置是采用以下技 術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置，包括一個(gè)光譜 測(cè)聲裝置；所述光譜測(cè)聲裝置包括一個(gè)微型氣室以及設(shè)在微型氣室內(nèi)部的石英增強(qiáng)光聲光 譜傳感組件；所述石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件包括有一個(gè)音叉式石英晶振；所述音叉式石 英晶振的第一引腳通過(guò)信號(hào)衰減器連接有雙通道函數(shù)發(fā)生器的一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端，雙通 道函數(shù)發(fā)生器的另一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端連接有LED光源驅(qū)動(dòng)板，LED光源驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)一個(gè) LED光源；所述LED光源的出射光路上設(shè)有透鏡組；所述光譜測(cè)聲裝置位于透鏡組的出射光 路上；音叉式石英晶振的第二引腳通過(guò)前置放大器連接有一個(gè)鎖相放大器；還包括帶有數(shù) 據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)；鎖相放大器的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)信號(hào)輸入端相連接；數(shù) 據(jù)采集卡的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端相連接；所述雙通道函數(shù)發(fā)生器的同步信號(hào) 輸出端與鎖相放大器的同步信號(hào)輸入端相連接。 石英增強(qiáng)光聲光譜系統(tǒng)中被強(qiáng)度調(diào)制的激發(fā)光可以用如下表達(dá)式表達(dá)： 【權(quán)利要求】1. 一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置，包括一個(gè)光譜測(cè)聲裝置 (5);所述光譜測(cè)聲裝置（5)包括一個(gè)微型氣室（56)以及設(shè)在本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于LED光源并采用電學(xué)調(diào)制相消法的氣體探測(cè)裝置，包括一個(gè)光譜測(cè)聲裝置（5）；所述光譜測(cè)聲裝置（5）包括一個(gè)微型氣室（56）以及設(shè)在微型氣室（56）內(nèi)部的石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件（55）；所述石英增強(qiáng)光聲光譜傳感組件（55）包括有一個(gè)音叉式石英晶振；其特征在于，所述音叉式石英晶振的第一引腳（12）通過(guò)信號(hào)衰減器（11）連接有雙通道函數(shù)發(fā)生器（1）的一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端，雙通道函數(shù)發(fā)生器（1）的另一個(gè)調(diào)制信號(hào)輸出端連接有LED光源驅(qū)動(dòng)板（2），LED光源驅(qū)動(dòng)板（2）驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED光源（3）；所述LED光源（3）的出射光路上設(shè)有透鏡組（4）；所述光譜測(cè)聲裝置（5）位于透鏡組（4）的出射光路上；音叉式石英晶振的第二引腳（13）通過(guò)前置放大器（14）連接有一個(gè)鎖相放大器（15）；還包括帶有數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)（16）；鎖相放大器（15）的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)信號(hào)輸入端相連接；數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端相連接；所述雙通道函數(shù)發(fā)生器（1）的同步信號(hào)輸出端與鎖相放大器（15）的同步信號(hào)輸入端相連接。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄭華丹，董磊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山西大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山西;14
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