[发明专利]一种基于光声池声脉冲激励的气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于光声池声脉冲激励的气体检测装置的气体检测方法，其特征在于：所述基于光声池声脉冲激励的气体检测装置包括：脉冲光声信号的激励光源部分、光声系统模块(3)和数据采集及处理部分；所述脉冲光声信号的激励光源部分包括激光器(1)、激光驱动器(5)、加法器(6)、激光波长调制函数发生器(7)、激光波长扫描函数发生器(8)；所述激光驱动器(5)的输入端与加法器(6)输出端相连接，所述激光驱动器(5)的输出端与激光器(1)输入端相连接，所述加法器(6)的第一输入端、第二输入端分别与激光波长调制函数发生器(7)、激光波长扫描函数发生器(8)的信号输出端相连接；所述光声系统模块(3)包含共振光声池(31)和气体控制模块(32)，其中共振光声池(31)包括共振声学腔(311)、位于共振声学腔(311)两端的激光入射窗口(312)及激光出射窗口(313)、位于共振光声池(31)一侧壁上的声电换能器件(314)以及位于共振光声池(31)另一侧壁上的气体输入端口(315)和气体输出端口(316)；所述声电换能器件(314)为灵敏的驻极体电容麦克风，用来探测共振声学腔(311)中积累的声波能量，所述声电换能器件(314)位于共振光声池(31)对称中心位置，所述气体输入端口(315)和气体输出端口(316)分别位于共振光声池(31)靠近激光入射窗口(312)以及激光出射窗口(313)位置；所述气体控制模块(32)包括一号针阀(321)、气体质量流量计(322)、气体压力计(323)和二号针阀(324)，且沿气体流动方向依次设置一号针阀(321)、气体质量流量计(322)、共振光声池(31)、气体压力计(323)、二号针阀(324)，其中，气体质量流量计(322)与气体输入端口(315)连接，气体压力计(323)与气体输出端口(316)连接；所述数据采集及处理部分包括光声信号预处理电路模块(4)、锁相放大器(9)、数据采集卡(10)、单片机或微型计算机(11)；所述光声信号预处理电路模块(4)的输入端与声电换能器件(314)输出端相连接，光声信号预处理电路模块(4)输出端与锁相放大器(9)的信号输入端相连接，所述锁相放大器(9)的参考信号端与激光波长调制函数发生器(7)同步信号输出端相连接，锁相放大器(9)的信号输出端与数据采集卡(10)相连接，所述数据采集卡(10)与单片机或微型计算机(11)相连接；

所述激光波长扫描函数发生器(8)输出自定义扫描波形，具体为一段上升的斜波和一段水平的波形和一段下降的斜波以及一段水平的波形，一段上升和一段下降的波形均用来扫描目标气体的特征吸收线，在每一段上升斜波后的一段水平波形以及在每一段下降斜波后的一段水平波形均用来等待声波在共振光声池(31)中阻尼振荡的完成，所述自定义扫描波形的频率变化决定着激光器(1)输出激光波长的扫描速率，以确保有效激发拍频信号的产生；

所述检测方法包括以下步骤：

(a)、沿气体流动方向依次安装一号针阀(321)、气体质量流量计(322)、共振光声池(31)、气体压力计(323)、二号针阀(324)；将待测气体从气体输入端口(315)充入共振光声池(31)的共振声学腔(311)内，并使其经气体输出端口(316)向外输出；一号针阀(321)、气体质量流量计(322)、气体压力计(323)、二号针阀(324)将协同作用实现对共振声学腔(311)内气体压强及流速的精确控制；

(b)、激光波长扫描函数发生器(8)输出自定义扫描波形，通过加法器(6)传输至激光驱动器(5)，然后激光驱动器(5)驱使激光器(1)的工作电流快速扫描通过目标气体的特征吸收线，从而使目标气体短时间内吸收激光能量并基于光声效应释放准脉冲式的声波信号；进行第n次测量时，激光波长调制函数发生器(7)输出频率为f的正弦波形的调制信号，通过加法器(6)传输至激光驱动器(5)，使得激光器(1)以偏离第n-1次测量获得的共振光声池(31)共振频率f_n-1的调制频率f进行波长调制；所述的激光器(1)以偏离共振光声池(31)共振频率f_n的调制频率f进行波长调制；其调制频率f与共振光声池(31)的共振频率f_n存在10-200Hz的差值，以保证拍频信号的产生；

设定激光波长调制函数发生器(7)的输出频率f时用到的共振光声池(31)共振频率f_n，在首次测量时为共振光声池的标称共振频率，即出厂测试频率；后续测量过程中，将由单片机或微型计算机(11)软件自动调用上一次的共振频率测量结果，即第n次测量时设定激光波长调制函数发生器(7)输出频率为f时，用到的共振光声池(31)共振频率为f_n-1；

(c)、声波信号被共振光声池(31)内安装的声电换能器件(314)探测并转变为电流信号向外输出；

(d)、声电换能器件(314)输出的电流信号被光声信号预处理电路模块(4)放大并转变为电压信号传输至锁相放大器(9)；

(e)、锁相放大器(9)以激光波长调制函数发生器(7)输出调制信号的频率f对光声信号预处理电路模块(4)输出的电压信号进行解调，从而获得频率为|f–f_n|的拍频信号，即f_拍＝|f-f_n|；

(f)、由数据采集卡(10)采集锁相放大器(9)解调后的拍频信号，通过单片机或微型计算机(11)中的计算软件分析拍频信号的幅值P，并通过公式(1)计算获得目标气体浓度C：

(1)

其中，C₀为已知目标气体浓度，P为实际测量拍频信号第一个峰值点的幅值，P₀为C₀浓度下的拍频信号第一个峰值点的幅值；

通过单片机或微型计算机(11)中的计算软件分析第n次测量获得的拍频信号的频率f_拍，并通过公式f_拍＝|f-f_n|，结合已知的调制频率f的数值，计算获得本次测量时共振光声池(31)的共振频率f_n；

由数据采集卡(10)采集锁相放大器(9)解调后的第n次测量获得的拍频信号；所述拍频信号有多个峰值，对这些信号峰值点进行e指数拟合，可得到第n次测量获得的拍频信号的衰荡时间τ，依据上述获得的共振光声池(31)的共振频率f_n，并依据公式(2)获得共振光声池(31)的品质因数Q：

Q＝π·f_n·τ (2)。