CN104316466A - 能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置 - Google Patents

Abstract

一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，属于光声光谱气体检测技术中信号产生与校正领域。本装置包括PC机、信号发生器、选通开关、激光器控制器、激光器、准直器、凸透镜、气室、石英音叉、石英音叉模块电路、电流转电压模块、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡。本发明采用了谐波检测跟峰值检波的思路来测量石英音叉的谐振频率，测量结果用来实时校正光声光谱***中的驱动信号源频率。音叉谐振频率测量部分结构简单，方法新颖，谐波检测精度高；易于与光声光谱***集成，附加成本低，使用方便灵活，在实际应用中能够抑制光声光谱气体检测中因音叉谐振频率漂移带来的影响，提高***稳定性。

Description

能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置

技术领域

本发明涉及一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，属于光声光谱气体检测技术中信号产生与校正领域。

背景技术

目前，石英音叉光声光谱技术作为一种高精度测量手段被应用于气体检测领域，其***基本结构如图4，其中PC机32控制信号发生器21产生扫描信号后送给激光器控制器22，除此之外还产生参考信号送给锁相放大器30来进行谐波检测，激光器控制器22作为温度控制跟驱动模块，使激光器23正常工作并发光，发出的光经过准直器24后打到镶嵌在气室26端面上的凸透镜25，凸透镜25将光束聚焦在石英音叉27的两叉指中间，光与气室26中的气体作用产生光声效应，激发石英音叉27，石英音叉27探测到的光声信号以电流形式输出，经过电流转电压模块28、前置放大器29后送到锁相放大器30，锁相放大器30提取的二次谐波信号经过数据采集卡31采集后，送入PC机32进行分析提取谐波幅值，得到气体浓度。

在光声光谱气体检测***中，石英音叉作为探测器在其中起着重要的作用，当石英音叉与谐波信号发生共振的时候达到信号最强，检测效果最好。那么，石英音叉谐振频率的精确测量是一个极为重要的环节。很多以石英音叉作为探测器的光声光谱气体检测***，石英音叉的谐振频率被测量一次就被***采用,长时间运行，这其中就存在石英音叉本身谐振频率漂移的问题。

石英音叉在工作过程中，其谐振频率并不是一成不变的。环境温度、压强和音叉表面污染这些因素都会引起石英音叉谐振频率的变动，在实际测量当中，谐振频率的改变直接影响石英音叉对测量信号的频率响应，降低***测量精度及准确度。因此，在测量过程中对石英音叉的谐振频率进行实时测量与校正就显得很有意义。石英音叉谐振频率的测量方法有很多，武红鹏、董磊等人的发明专利“基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置”(申请号为：201410153686.8)就是一种测量石英音叉谐振频率的装置。该装置采用声波作为信号源对石英音叉进行频率扫描，同时引入一束探测光，采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号，对反射光的电信号进行解调，根据频率响应曲线得到待测石英音叉的固有频率。该发明需要引入声波源，同时反射光路的添加使***调试起来更加困难，最后解调方式为判断电压变化幅度，这种解调方法不稳定且容易受精度限制，当用在石英音叉光声光谱气体检测***中时面临集成成本高，使用不灵活。当需要对光声光谱气体检测***中的石英音叉进行频率测量时，需要进行整个***的切换，要达到谐振频率的实时测量与校正较为困难。

随着电子产品行业的快速发展，石英晶振的频率特性越来越受到重视。现在，测量石英晶振谐振频率的方法和设备也不乏其例，但都是功能单一的频率测量设备，与其他检测***集成性能差，兼容性低，用这类设备对光声光谱气体检测***中的石英音叉进行谐振频率测量成本很高，结构复杂，操作麻烦。那么，开发一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置就显得很有意义。

发明内容

为了提高石英音叉光声光谱气体检测***的稳定性，需要对***中的探测元件石英音叉的谐振频率进行实时校正。本发明提供了一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置。

本发明的方案是采用谐波检测和峰值检波的思路，以电激励的方式，用信号发生器产生步进为0.1Hz的扫频正弦信号来激励石英音叉，根据以往测量经验，石英音叉的带宽为4Hz左右，所以采用0.1Hz为扫频步进，保证石英音叉谐振频率的测量精度的同时，又能尽可能的缩短扫频时间，提高该装置的响应速率；石英音叉受到扫频信号的激励后产生振动，当扫频信号的频率等于石英音叉的谐振频率时，这时候石英音叉共振最强，本身的电阻性最弱，石英音叉模块电路输出的信号幅值最高，锁相放大器锁取输出信号的幅值，这样当一个扫频周期过后，得到一组与频率一一对应的幅值数据，幅值最大处对应的频率即为石英音叉的谐振频率。

本发明的技术方案是按以下方式实现的。

一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，包括PC机、信号发生器、三个选通开关a、b、c、激光器控制器、激光器、准直器、凸透镜、气室、石英音叉、石英音叉电路、电流转电压电路、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡，其特征在于PC机分别与三个选通开关a、b、c相连，控制其选通状态，同时PC机连接到信号发生器；信号发生器其中一路通过选通开关a一边连接到激光器控制器，另外又通过选通开关a连接到石英音叉电路；另一路连接到锁相放大器；激光器控制器和激光器相连接，激光器通过其尾纤连接到准直器上，准直器位于气室之前，石英音叉位于气室之内，气室两端带有凸透镜，由准直器出来的光通过气室前端面上的凸透镜进入气室，投射在石英音叉两叉指之间；石英音叉的引脚一边通过选通开关b与电流转电压电路相连，另外又通过选通开关b连接到石英音叉电路；电流转电压电路与前置放大器相连，前置放大器跟石英音叉电路共同通过选通开关c连接到锁相放大器上，锁相放大器与数据采集卡相连，数据采集卡连接到PC机上，PC机是整个装置的中央控制单元；

所述的石英音叉电路包括两个电阻R1、R2、石英音叉插槽，电阻R1、R2一端相连接，其另一端分别连接到石英音叉插槽的两个接线柱上，电阻R1的两端作为输入信号端口，电阻R2的两端作为输出信号端口；

所述的电流转电压电路包括两个电阻R3、R4、芯片CA3140EZ，电阻R3一端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相输入端；电阻R4一端跟芯片CA3140EZ的反相输入端相连，另一端与芯片CA3140EZ的输出端相连；芯片CA3140EZ的反相输入端与石英音叉插槽的一端接线柱相连，石英音叉插槽的另一端接线柱接地。

所述的激光器控制器型号为LDC501。

所述的激光器型号为DFB-1370。

所述的锁相放大器型号为Model 7230。

所述的信号发生器型号为PC机I1721。

一种上述能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置的工作方式，步骤如下：

1)、PC机通过labview编程控制信号发生器产生波形为正弦波、扫频范围为32760Hz～32770Hz的扫频信号，扫频范围在实际应用过程中能够调整；扫频信号的频率调节步进设为0.1Hz，单个频率扫描时间为1s，石英音叉的响应时间在250ms～300ms之间，1s的扫描时间确保其能够充分响应，信号发生器产生的扫频信号中的一路经选通开关a选通后送到石英音叉电路，另一路送到锁相放大器作为一次谐波检测的参考信号；

2)、输送到石英音叉电路的扫频信号作为该电路的输入信号源，与石英音叉、电阻R1、电阻R2形成回路；

3)、当扫频信号的频率由32760Hz向32770Hz变化时，石英音叉受扫频信号激发产生的振动状态随之变化，石英音叉的电阻性也随频率变化；

4)、当扫频信号的频率等于石英音叉的谐振频率时，石英音叉的电阻性最弱，阻抗最小，电阻R2两端分得的电压信号越大；

5)、电阻R2两端的电压信号作为石英音叉电路的输出信号通过选通开关c送到锁相放大器，锁相放大器以原先由信号发生器送来的一路同频信号作为参考，锁取石英音叉电路信号的一次谐波幅值；

6)、锁相放大器锁取的一次谐波信号通过数据采集卡被采集到PC机；

7)、一个扫频周期过后，PC机便会采集到一组幅值与频率一一对应的幅值-频率曲线数据，应用峰值检波算法，幅值最大处对应的频率值即为石英音叉的谐振频率f；

8)、确定石英音叉谐振频率f后，取石英音叉谐振频率f的二分之一f/2,作为正弦调制信号的频率,PC机通过labview编程控制信号发生器产生频率为f/2的正弦调制信号，该正弦波调制信号叠加由信号发生器产生的1Hz三角波扫描信号后经过选通开关a选通后送入激光器控制器，同时信号发生器产生频率为f的正弦信号送入锁相放大器作为锁相参考信号；

9)、激光器控制器控制激光器发出激光，发出的激光经准直器、气室的前凸透镜而后投射到气室中的石英音叉的两叉指之间，激光与气体相互作用，产生光声信号，激发石英音叉；

10)、石英音叉探测到光声信号后，以弱电流的形式从引脚输出，经过选通开关b选通后输入到电流转电压电路；

11)、由于石英音叉的弱电流输出，在完成电流电压转换后需要送到前置放大器进行信号放大；

12)、信号放大后送到锁相放大器，锁相放大器以信号发生器产生的频率为f的正弦信号作为参考，锁取石英音叉信号的二次谐波信号；

13)、根据谐波检测理论，二次谐波幅值与气体浓度呈线性相关，通过检测石英音叉二次谐波的幅度就能得到气室中的待测气体浓度；

14)、二次谐波信号数据经过数据采集卡采集后送到PC机进行数据分析，通过拟合标定得出气体浓度；

15)、当气体检测***运行一段时间T后，石英音叉的谐振频率f可能发生漂移，这时候通过切换三个选通开关a、b、c的选通模式，重新进行1)～7)步，进行石英音叉谐振频率测量，确定新的谐振频率f’后再切换三个选通开关a、b、c的选通模式，将f’/2作为新的正弦调制信号频率，与原来的三角波扫描信号叠加后驱动激光器，同时f’作为新的参考信号频率送到锁相放大器锁取石英音叉的二次谐波；

16)、PC机通过定时时间间隔T的切换选通开关a、b、c的选通模式，就能够实现光声光谱气体检测过程中对石英音叉谐振频率实时检测与校正。

本发明的优点是，石英音叉谐振频率测量部分结构简单，电路简洁，方法新颖，采用谐波检测手段，精度高，装置中包含的PC机、信号发生器、锁相放大器跟采集卡同时都可用于光声光谱气体检测，结合三个自动控制的选通开关跟一个简易的石英音叉电路，软件上稍作改动就可在原来气体检测基础上实现石英音叉谐振频率测量，附加成本极低，测量结果实时用到气体检测***中去，与气体检测***的集成度高，集成方便，使用灵活，在实际应用中能够消除石英音叉谐振频率漂移带来的气体检测测量不稳定性。

附图说明

图1是本发明光声光谱气体检测装置的结构示意框图。

其中：1、信号发生器，2、激光器控制器，3、激光器，4、准直器，5、凸透镜，6、气室，7、石英音叉，8、电流转电压电路，9、前置放大器，10、锁相放大器，11、数据采集卡，12、PC机，13、石英音叉电路，14、选通开关a，15、选通开关b，16、选通开关c，17、凸透镜。

图2是图1中的石英音叉电路示意图。

其中：18、电阻R1，19、电阻R2，20、石英音叉插槽。

图3是电流转电压电路示意图。

其中：33、电阻R3，34、电阻R4，35、芯片CA3140EZ。

图4是背景技术中通常的光声光谱气体检测***结构框图。

其中：22、信号发生器，23、激光器控制器，24、激光器，25、准直器，26、凸透镜，27、气室，28、石英音叉，29、电流电压转换模块，30、前置放大器，31、锁相放大器，32、数据采集卡，33、PC机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1-3所示，一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，包括PC机12、信号发生器1、三个选通开关a、b、c、激光器控制器2、激光器3、准直器4、凸透镜5、气室6、石英音叉7、石英音叉电路13、电流转电压电路8、前置放大器9、锁相放大器10、数据采集卡11，其特征在于PC机12分别与三个选通开关a14、b15、c16、相连，控制其选通状态，同时PC机12连接到信号发生器1；信号发生器1其中一路通过选通开关a14一边连接到激光器控制器2，另外又通过选通开关a14连接到石英音叉电路13；另一路连接到锁相放大器10；激光器控制器2和激光器3相连接，激光器3通过其尾纤连接到准直器4上，准直器4位于气室6之前，石英音叉7位于气室6之内，气室6两端带有凸透镜5和17，由准直器4出来的光通过气室6前端面上的凸透镜5进入气室6，投射在石英音叉7两叉指之间；石英音叉7的引脚一边通过选通开关b15与电流转电压电路8相连，另外又通过选通开关b15连接到石英音叉电路13；电流转电压电路8与前置放大器9相连，前置放大器9跟石英音叉电路13共同通过选通开关c16连接到锁相放大器10上，锁相放大器10与数据采集卡11相连，数据采集卡11连接到PC机12上，PC机12是整个装置的中央控制单元；

所述的石英音叉电路13包括两个电阻R1、R2、石英音叉插槽20，电阻R1、R2一端相连接，其另一端分别连接到石英音叉插槽20的两个接线柱上，电阻R1的两端作为输入信号端口，电阻R2的两端作为输出信号端口。

所述的电流转电压电路8包括两个电阻R3、R4、芯片CA3140EZ，电阻R3一端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相输入端；电阻R4一端跟芯片CA3140EZ的反相输入端相连，另一端与芯片CA3140EZ的输出端相连；芯片CA3140EZ的反相输入端与石英音叉插槽20的一端接线柱相连，石英音叉插槽20的另一端接线柱接地。

所述的激光器控制器2型号为LDC501。

所述的激光器3型号为DFB-1370。

所述的锁相放大器10型号为Model 7230。

所述的信号发生器1型号为PC机I1721。

实施例2：

一种上述能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置的工作方式，步骤如下：

1)、PC机通过labview编程控制信号发生器产生波形为正弦波、扫频范围为32760Hz～32770Hz的扫频信号，扫频范围在实际应用过程中能够调整；扫频信号的频率调节步进设为0.1Hz，单个频率扫描时间为1s，石英音叉的响应时间在250ms～300ms之间，1s的扫描时间确保其能够充分响应，信号发生器产生的扫频信号中的一路经选通开关a选通后送到石英音叉电路，另一路送到锁相放大器作为一次谐波检测的参考信号；

2)、输送到石英音叉电路的扫频信号作为该电路的输入信号源，与石英音叉、电阻R1、电阻R2形成回路；

3)、当扫频信号的频率由32760Hz向32770Hz变化时，石英音叉受扫频信号激发产生的振动状态随之变化，石英音叉的电阻性也随频率变化；

4)、当扫频信号的频率等于石英音叉的谐振频率时，石英音叉的电阻性最弱，阻抗最小，电阻R2两端分得的电压信号越大；

5)、电阻R2两端的电压信号作为石英音叉电路的输出信号通过选通开关c送到锁相放大器，锁相放大器以原先由信号发生器送来的一路同频信号作为参考，锁取石英音叉电路信号的一次谐波幅值；

6)、锁相放大器锁取的一次谐波信号通过数据采集卡被采集到PC机；

7)、一个扫频周期过后，PC机便会采集到一组幅值与频率一一对应的幅值-频率曲线数据，应用峰值检波算法，幅值最大处对应的频率值即为石英音叉的谐振频率f；

8)、确定石英音叉谐振频率f后，取石英音叉谐振频率f的二分之一f/2,作为正弦调制信号的频率,PC机通过labview编程控制信号发生器产生频率为f/2的正弦调制信号，该正弦波调制信号叠加由信号发生器产生的1Hz三角波扫描信号后经过选通开关a选通后送入激光器控制器，同时信号发生器产生频率为f的正弦信号送入锁相放大器作为锁相参考信号；

9)、激光器控制器控制激光器发出激光，发出的激光经准直器、气室的前凸透镜而后投射到气室中的石英音叉的两叉指之间，激光与气体相互作用，产生光声信号，激发石英音叉；

10)、石英音叉探测到光声信号后，以弱电流的形式从引脚输出，经过选通开关b选通后输入到电流转电压电路；

11)、由于石英音叉的弱电流输出，在完成电流电压转换后需要送到前置放大器进行信号放大；

12)、信号放大后送到锁相放大器，锁相放大器以信号发生器产生的频率为f的正弦信号作为参考，锁取石英音叉信号的二次谐波信号；

13)、根据谐波检测理论，二次谐波幅值与气体浓度呈线性相关，通过检测石英音叉二次谐波的幅度就能得到气室中的待测气体浓度；

14)、二次谐波信号数据经过数据采集卡采集后送到PC机进行数据分析，通过拟合标定得出气体浓度；

15)、当气体检测***运行一段时间T后，石英音叉的谐振频率f可能发生漂移，这时候通过切换三个选通开关a、b、c的选通模式，重新进行1)～7)步，进行石英音叉谐振频率测量，确定新的谐振频率f’后再切换三个选通开关a、b、c的选通模式，将f’/2作为新的正弦调制信号频率，与原来的三角波扫描信号叠加后驱动激光器，同时f’作为新的参考信号频率送到锁相放大器锁取石英音叉的二次谐波；

16)、PC机通过定时时间间隔T的切换选通开关a、b、c的选通模式，就能够实现光声光谱气体检测过程中对石英音叉谐振频率实时检测与校正。

Claims (6)

1.一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，包括PC机、信号发生器、三个选通开关a、b、c、激光器控制器、激光器、准直器、凸透镜、气室、石英音叉、石英音叉电路、电流转电压电路、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡，其特征在于PC机分别与三个选通开关a、b、c相连，控制其选通状态，同时PC机连接到信号发生器；信号发生器其中一路通过选通开关a一边连接到激光器控制器，另外又通过选通开关a连接到石英音叉电路；另一路连接到锁相放大器；激光器控制器和激光器相连接，激光器通过其尾纤连接到准直器上，准直器位于气室之前，石英音叉位于气室之内，气室两端带有凸透镜，由准直器出来的光通过气室前端面上的凸透镜进入气室，投射在石英音叉两叉指之间；石英音叉的引脚一边通过选通开关b与电流转电压电路相连，另外又通过选通开关b连接到石英音叉电路；电流转电压电路与前置放大器相连，前置放大器跟石英音叉电路共同通过选通开关c连接到锁相放大器上，锁相放大器与数据采集卡相连，数据采集卡连接到PC机上，PC机是整个装置的中央控制单元；

所述的石英音叉电路包括两个电阻R1、R2、石英音叉插槽，电阻R1、R2一端相连接，其另一端分别连接到石英音叉插槽的两个接线柱上，电阻R1的两端作为输入信号端口，电阻R2的两端作为输出信号端口；

所述的电流转电压电路包括两个电阻R3、R4、芯片CA3140EZ，电阻R3一端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相输入端；电阻R4一端跟芯片CA3140EZ的反相输入端相连，另一端与芯片CA3140EZ的输出端相连；芯片CA3140EZ的反相输入端与石英音叉插槽的一端接线柱相连，石英音叉插槽的另一端接线柱接地。

2.如权利要求1所述的一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述的激光器控制器型号为LDC501。

3.如权利要求1所述的一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述的激光器型号为DFB-1370。

4.如权利要求1所述的一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述的锁相放大器型号为Model 7230。

5.如权利要求1所述的一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置，其特征在于所述的信号发生器型号为PC机I1721。

6.如权利要求1所述的一种能对石英音叉谐振频率实时校正的光声光谱气体检测装置的工作方式，步骤如下：

1)、PC机通过labview编程控制信号发生器产生波形为正弦波、扫频范围为32760Hz～32770Hz的扫频信号，扫频范围在实际应用过程中能够调整；扫频信号的频率调节步进设为0.1Hz，单个频率扫描时间为1s，石英音叉的响应时间在250ms～300ms之间，1s的扫描时间确保其能够充分响应，信号发生器产生的扫频信号中的一路经选通开关a选通后送到石英音叉电路，另一路送到锁相放大器作为一次谐波检测的参考信号；

2)、输送到石英音叉电路的扫频信号作为该电路的输入信号源，与石英音叉、电阻R1、电阻R2形成回路；

3)、当扫频信号的频率由32760Hz向32770Hz变化时，石英音叉受扫频信号激发产生的振动状态随之变化，石英音叉的电阻性也随频率变化；

4)、当扫频信号的频率等于石英音叉的谐振频率时，石英音叉的电阻性最弱，阻抗最小，电阻R2两端分得的电压信号越大；

5)、电阻R2两端的电压信号作为石英音叉电路的输出信号通过选通开关c送到锁相放大器，锁相放大器以原先由信号发生器送来的一路同频信号作为参考，锁取石英音叉电路信号的一次谐波幅值；

6)、锁相放大器锁取的一次谐波信号通过数据采集卡被采集到PC机；

7)、一个扫频周期过后，PC机便会采集到一组幅值与频率一一对应的幅值-频率曲线数据，应用峰值检波算法，幅值最大处对应的频率值即为石英音叉的谐振频率f；

8)、确定石英音叉谐振频率f后，取石英音叉谐振频率f的二分之一f/2,作为正弦调制信号的频率,PC机通过labview编程控制信号发生器产生频率为f/2的正弦调制信号，该正弦波调制信号叠加由信号发生器产生的1Hz三角波扫描信号后经过选通开关a选通后送入激光器控制器，同时信号发生器产生频率为f的正弦信号送入锁相放大器作为锁相参考信号；

9)、激光器控制器控制激光器发出激光，发出的激光经准直器、气室的前凸透镜而后投射到气室中的石英音叉的两叉指之间，激光与气体相互作用，产生光声信号，激发石英音叉；

10)、石英音叉探测到光声信号后，以弱电流的形式从引脚输出，经过选通开关b选通后输入到电流转电压电路；

11)、由于石英音叉的弱电流输出，在完成电流电压转换后需要送到前置放大器进行信号放大；

12)、信号放大后送到锁相放大器，锁相放大器以信号发生器产生的频率为f的正弦信号作为参考，锁取石英音叉信号的二次谐波信号；

13)、根据谐波检测理论，二次谐波幅值与气体浓度呈线性相关，通过检测石英音叉二次谐波的幅度就能得到气室中的待测气体浓度；

14)、二次谐波信号数据经过数据采集卡采集后送到PC机进行数据分析，通过拟合标定得出气体浓度；

15)、当气体检测***运行一段时间T后，石英音叉的谐振频率f可能发生漂移，这时候通过切换三个选通开关a、b、c的选通模式，重新进行1)^～7)步，进行石英音叉谐振频率测量，确定新的谐振频率f’后再切换三个选通开关a、b、c的选通模式，将f’/2作为新的正弦调制信号频率，与原来的三角波扫描信号叠加后驱动激光器，同时f’作为新的参考信号频率送到锁相放大器锁取石英音叉的二次谐波；

16)、PC机通过定时时间间隔T的切换选通开关a、b、c的选通模式，就能够实现光声光谱气体检测过程中对石英音叉谐振频率实时检测与校正。