[發明專利]基于數字鎖相技術的增強型光聲光譜氣體檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 202010196165.6
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111366535A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 趙南;劉陽;趙寧陽;苑磊;馬瓏格
• 申請（專利權）人: 石家莊鐵道大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/25;G01N21/01
• 代理公司: 石家莊輕拓知識產權代理事務所(普通合伙) 13128
• 代理人: 郭明月

本發明公開了一種基于數字鎖相技術的增強型光聲光譜氣體檢測裝置，包括激勵光源、氣室、前置放大電路、DSP和函數發生器，所述氣室內設有兩個微型聲音諧振腔和石英音叉，所述函數發生器通過疊加鋸齒波實現對激光的波長調制，所述氣室連接所述運算放大電路，所述運算放大電路連接所述DSP。本發明對氣體的檢測采用增強型石英音叉光聲光譜結合數字鎖相的技術，使用DSP內部實現參考信號的生成和相關檢測的計算，通過DSP實現數字鎖相的功能，有效快速的提取出二次諧波信號。

技術領域

本發明涉及檢測技術領域，尤其涉及一種基于數字鎖相技術的增強型光聲光譜氣體檢測裝置及方法。

背景技術

大氣中某些痕量氣體的過量會造成大氣污染，硫氧化物形成酸雨，CO2、CH4等溫室氣體造成溫室效應，氮氧化物、硫氧化物和固態顆粒物形成霧霾。因此，十分必要及時檢測這些嚴重影響人類生存環境和健康的氣體。現階段，研究者使用光聲光譜技術進行氣體的監測技術不僅應用在了監測大氣污染物中，工業，電力系統、醫療部門等領域也同樣應用廣泛。

石英增強光聲光譜法是傳統微音器光聲光譜法的優化，將激光聚焦至石英音叉兩臂間細縫，當激光調制頻率達到石英音叉共振頻率，氣體吸收光能產生光聲效應的聲波頻率與音叉共振頻率相同，從而使石英音叉共振。根據壓電效應，共振產生壓電電流，通過前置放大電路將電流信號轉化為電壓信號，再通過鎖相放大器的解調，得到光聲信號。不同的氣體分子吸收不同的光波波長，且當光源波長和氣體分子的吸收波長相吻合時，產生的光聲信號幅值最大，因此，根據光聲信號和氣體濃度呈正相關可計算出氣體的濃度。

在氣體檢測應用的可調諧激光光譜吸收技術，但這種技術受光源、環境等因素影響較大，會影響實驗結果的精確性，并且一部分鎖相放大裝置的電路都為模擬器件，存在老化的問題，影響檢測結果精確性。

發明內容

本發明為了克服以上缺點，提供一種基于數字鎖相技術的增強型光聲光譜氣體檢測裝置。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

基于數字鎖相技術的增強型光聲光譜氣體檢測裝置，其特征在于：包括激勵光源、氣室、前置放大電路、DSP和函數發生器，所述氣室內設有兩個微型聲音諧振腔和石英音叉，所述函數發生器通過疊加鋸齒波實現對激勵光源發出的激光的波長調制，所述氣室連接所述運算放大電路，所述運算放大電路連接所述DSP。

作為限定：所述激勵光源為可諧調分布反饋二極管。

作為限定：所述氣室為縱向共振氣室，樣品檢測氣室上設有進氣口和出氣口，進氣口和出氣口上分別設有進氣閥和出氣閥，氣室內相對設有激光入射窗口和出射窗口，激光射入窗口對應連接所述可調諧激光二級管。

作為限定：所述DSP上內置有串行通信接口模塊，用于提取諧波信號送入計算機。

一種DSP數字鎖相諧波信號輸出方法，其特征在于，包括以下步驟：

S01:采用查表法生成參考信號，使用MATLAB產生三角函數值，轉化為十六進制，并對三角函數值進行采樣，將前四分之一周期采樣值存入表中，其流程為：開始、計算周期采樣點、計算采樣間隔、根據相位計算采樣起始點在表中的位置、查表得到采樣點的位置、結束；

S02：生成諧波信號，使用fs/4的采樣頻率，當x(n)為輸入信號，輸出與輸入關系為：

輸入信號與正交參考信號分別做乘法得：

一個周期內正弦參考信號的序列含有4個點，正弦參考信號的序列為{0，1，0，-1}，余弦參考信號的序列{1，0，-1，0}可得：