一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置

本发明属于气体浓度测量，涉及非接触式测量领域，具体提供一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置和方法。

背景技术：

1、气体浓度检测技术在环境监测、工业生产、医学和生物学等领域的应用表明了其不可或缺的重要性，发展和利用高效的气体检测技术对于保护环境、提高生产效率和促进人类健康具有极大的价值。

2、目前用于气体检测的手段可以简单的分为光学检测手段和非光学检测手段。常用的非光学检测手段有气体色谱法、质谱法、电化学法等方法。其中由质谱法和色谱法构成的气相色谱-质谱联用技术是最常用于人体呼吸气体分析领域的手段，该方法对于哮喘等疾病的呼吸标志物检测灵敏度可达10-9甚至10-12量级，但是该方法所用设备昂贵、样品分析时间长、分析流程操作繁杂，需要对待测样品进行预处理，易在分析流程中引入误差。电化学法气体检测技术受电化学电极的限制，该方法存在易串扰、传感器寿命短且检测气体种类范围受限等问题。现常用的光学检测手段主要有可调谐半导体激光光谱吸收技术、光腔衰荡光谱技术、光声光谱技等。可调谐半导体激光光谱吸收技术和光腔衰荡光谱技术均是利用光电探测器检测激光通过充满待测气体样品的吸收池前后的光强的变化，并将该光强变化的差值与待测气体样品浓度建立关系，但是这两种技术受制于长光程吸收池的体积过大而难以实现装置小型化，且无法在室温条件下在中红外波段对气体进行检测。

3、石英增强光声光谱技术是基于麦克风的光声光谱的一个创新，该技术利用石英音叉替代了传统麦克风，实现对气体的高灵敏度检测。由于商用石英音叉价格低廉且体积很小，所以石英增强光声光谱系统更易小型化、集成化，且石英音叉作为光声信号探测器适用的环境更广泛。石英增强光声光谱技术具有抗干扰性强、检测灵敏度高、动态范围广等优点，成为气体检测技术的研究热点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，实现非接触、可便携、高精度地测量气体浓度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于所属装置包括双半导体激光光源1、激光准直器2、声探测模块3、石英音叉4、信号放大模块5、信号解调模块6、计算机7。

4、双半导体激光光源1包括波长为λ1的分布反馈式半导体激光器一、波长为λ2的分布反馈式半导体激光器二以及函数发生器，函数发生器用于产生分布反馈式半导体激光器一和分布反馈式半导体激光器二输出激光的调制信号，分布反馈式半导体激光器一和分布反馈式半导体激光器二通过光纤耦合器与激光准直器2相连，调制光通过光纤耦合器输入到激光准直器中3。激光准直器3输出光束束腰半径小于0.3mm的激光光束至声探测模块3中。声探测模块3为树脂材料的气室，用于容纳待测气体样品。石英音叉置于声探测模块3中，作为声共振传感器检测光声效应产生声信号强度。信号放大模块5为跨阻抗放大器，用于放大石英音叉引脚流出的电信号，其输入端与石英音叉的引脚连接。信号解调模块6为锁相放大器，锁相放大器的输入端与信号放大模块5的输出端相连，锁相放大器的输出端与计算机7相连。计算机7通过qt设计相应界面实现对双半导体激光光源1的控制，并采用变分模态分解法、滑动窗口分解法、中点对齐信号修正法对信号解调模块6输出的二次谐波信号进行降噪平滑处理，并提取出波长为λ1和波长为λ2对应的二次谐波的峰值差值与待测气体样品浓度建立关系。

5、一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：包括以下步骤：

6、步骤1.将待测气体样品通入声探测模块3中；

7、步骤2.在计算机7中设置双半导体激光光源1的调制频率并以6s为间隔轮流分别输出波长为λ1的调制激光和波长为λ2的调制激光，调制激光通过光纤耦合器传输到激光准直器2中入射至声探测模块内3激发待测气体样品；

8、步骤3.待测气体样品受调制光照射后会产生周期性声波信号，该周期性声波会使石英音叉4的叉指产生周期性弹性形变，由于石英音叉具有的压电效应特性而产生周期性的电信号；

9、步骤4.利用信号放大模块5对电信号进行放大，然后通过信号解调模块6对信号进行解调，从而得到二次谐波信号；

10、步骤5.计算机7采集到信号解调模块6解调得到的二次谐波信号，并通过变分模态分解法、滑动窗口分解法、中点对齐信号修正法对二次谐波信号进行降噪平滑。随后，提取出波长为λ1的调制激光入射时的二次谐波信号峰值v1，波长为λ2的调制激光入射时的二次谐波信号峰值v2，将v2和v1的差值与待测气体样品浓度比较，建立差值与气体浓度的关系。

技术特征：

1.一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于所属装置包括双半导体激光光源1、激光准直器2、声探测模块3、石英音叉4、信号放大模块5、信号解调模块6、计算机7。

2.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：所述双半导体激光光源1包括波长为λ1的分布反馈式半导体激光器一、波长为λ2的分布反馈式半导体激光器二以及函数发生器，所述分布反馈式半导体激光器一和分布反馈式半导体激光器二通过光纤耦合器与激光准直器2相连。所述函数发生器用于产生分布反馈式半导体激光器一和分布反馈式半导体激光器二输出激光的调制信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：所述激光准直器3出射激光光束束腰半径小于0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：所述为声探测模块3为树脂材料的气室，用于容纳待测气体。石英音叉置于声探测模块3中，作为声共振传感器检测光声效应产生声信号强度。

5.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：所述的信号放大模块5为跨阻抗放大器，用于放大石英音叉引脚流出的电信号，其输入端与石英音叉的引脚连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：所述信号解调模块6为锁相放大器，锁相放大器的输入端与信号放大模块5的输出端相连，锁相放大器的输出端与计算机7相连。

7.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：计算机7通过qt设计相应界面实现对双半导体激光光源1和信号解调模块6的控制，并采用变分模态分解法、滑动窗口分解法、中点对齐信号修正法对信号解调模块6输出的二次谐波信号进行降噪平滑处理，并提取出波长为λ1和波长为λ2对应的二次谐波的峰值差值与待测气体样品浓度建立关系。

8.根据权利要求1所述的一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于石英增强型光声光谱技术的双波长差分气体检测装置，可现非接触、高精度地实时检测气体浓度。所属装置包括双半导体激光光源、激光准直器、声探测模块、信号放大模块、信号解调模块、计算机构成。计算机控制双半导体激光光源分别输出两个波长激光至激光准直器中，准直激光入射至声信号探测模块中穿过石英音叉叉指间隙处，待测气体位于声信号探测模块中并由于调制光源照射而产生周期性声波，周期性声波使石英音叉产生周期性弹性形变，石英音叉由于其具有的压电效应特性而产生周期性变化的电信号，通过信号放大模块对电信号进行放大，并利用信号解调模块进行解调并将解调后的数据传递到计算机中，利用变分模态分解法、滑动窗口分解法、中点对齐信号修正法对采集到的二次谐波信号进行后续降噪平滑处理，并对两个波长的结果进行差分，根据差分结果反演待测气体浓度，提高了检测灵敏度。

技术研发人员：杨立峰,程俊玮,顾少杰,夏桢干,张沅熙,刘彬彬
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23