[发明专利]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

权利要求书

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)、当气体检测系统运行一段时间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。