能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置制造方法
【專利摘要】一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，屬于光聲光譜氣體檢測技術中信號產生與校正領域。本裝置包括PC機、信號發(fā)生器、選通開關、激光器控制器、激光器、準直器、凸透鏡、氣室、石英音叉、石英音叉模塊電路、電流轉電壓模塊、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明采用了諧波檢測跟峰值檢波的思路來測量石英音叉的諧振頻率，測量結果用來實時校正光聲光譜系統(tǒng)中的驅動信號源頻率。音叉諧振頻率測量部分結構簡單，方法新穎，諧波檢測精度高；易于與光聲光譜系統(tǒng)集成，附加成本低，使用方便靈活，在實際應用中能夠抑制光聲光譜氣體檢測中因音叉諧振頻率漂移帶來的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【專利說明】 能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，屬于光聲光譜氣體檢測技術中信號產生與校正領域。

【背景技術】
[0002]目前，石英音叉光聲光譜技術作為一種高精度測量手段被應用于氣體檢測領域，其系統(tǒng)基本結構如圖4，其中PC機32控制信號發(fā)生器21產生掃描信號后送給激光器控制器22，除此之外還產生參考信號送給鎖相放大器30來進行諧波檢測，激光器控制器22作為溫度控制跟驅動模塊，使激光器23正常工作并發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)過準直器24后打到鑲嵌在氣室26端面上的凸透鏡25，凸透鏡25將光束聚焦在石英音叉27的兩叉指中間，光與氣室26中的氣體作用產生光聲效應，激發(fā)石英音叉27，石英音叉27探測到的光聲信號以電流形式輸出，經(jīng)過電流轉電壓模塊28、前置放大器29后送到鎖相放大器30，鎖相放大器30提取的二次諧波信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡31采集后，送入PC機32進行分析提取諧波幅值，得到氣體濃度。
[0003]在光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中，石英音叉作為探測器在其中起著重要的作用，當石英音叉與諧波信號發(fā)生共振的時候達到信號最強，檢測效果最好。那么，石英音叉諧振頻率的精確測量是一個極為重要的環(huán)節(jié)。很多以石英音叉作為探測器的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)，石英音叉的諧振頻率被測量一次就被系統(tǒng)采用，長時間運行，這其中就存在石英音叉本身諧振頻率漂移的問題。
[0004]石英音叉在工作過程中，其諧振頻率并不是一成不變的。環(huán)境溫度、壓強和音叉表面污染這些因素都會引起石英音叉諧振頻率的變動，在實際測量當中，諧振頻率的改變直接影響石英音叉對測量信號的頻率響應，降低系統(tǒng)測量精度及準確度。因此，在測量過程中對石英音叉的諧振頻率進行實時測量與校正就顯得很有意義。石英音叉諧振頻率的測量方法有很多，武紅鵬、董磊等人的發(fā)明專利“基于聲激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法及裝置”(申請?zhí)枮?201410153686.8)就是一種測量石英音叉諧振頻率的裝置。該裝置采用聲波作為信號源對石英音叉進行頻率掃描，同時引入一束探測光，采集固定在空間位置上的一個接收面接收到的反射光強度變化信息，并將其強度轉化為相應的電信號，對反射光的電信號進行解調，根據(jù)頻率響應曲線得到待測石英音叉的固有頻率。該發(fā)明需要引入聲波源，同時反射光路的添加使系統(tǒng)調試起來更加困難，最后解調方式為判斷電壓變化幅度，這種解調方法不穩(wěn)定且容易受精度限制，當用在石英音叉光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中時面臨集成成本高，使用不靈活。當需要對光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中的石英音叉進行頻率測量時，需要進行整個系統(tǒng)的切換，要達到諧振頻率的實時測量與校正較為困難。
[0005]隨著電子產品行業(yè)的快速發(fā)展，石英晶振的頻率特性越來越受到重視?，F(xiàn)在，測量石英晶振諧振頻率的方法和設備也不乏其例，但都是功能單一的頻率測量設備，與其他檢測系統(tǒng)集成性能差，兼容性低，用這類設備對光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中的石英音叉進行諧振頻率測量成本很高，結構復雜，操作麻煩。那么，開發(fā)一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置就顯得很有意義。


【發(fā)明內容】

[0006]為了提高石英音叉光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對系統(tǒng)中的探測元件石英音叉的諧振頻率進行實時校正。本發(fā)明提供了一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置。
[0007]本發(fā)明的方案是采用諧波檢測和峰值檢波的思路，以電激勵的方式，用信號發(fā)生器產生步進為0.1Hz的掃頻正弦信號來激勵石英音叉，根據(jù)以往測量經(jīng)驗，石英音叉的帶寬為4Hz左右，所以采用0.1Hz為掃頻步進，保證石英音叉諧振頻率的測量精度的同時，又能盡可能的縮短掃頻時間，提高該裝置的響應速率；石英音叉受到掃頻信號的激勵后產生振動，當掃頻信號的頻率等于石英音叉的諧振頻率時，這時候石英音叉共振最強，本身的電阻性最弱，石英音叉模塊電路輸出的信號幅值最高，鎖相放大器鎖取輸出信號的幅值，這樣當一個掃頻周期過后，得到一組與頻率一一對應的幅值數(shù)據(jù)，幅值最大處對應的頻率即為石央首叉的諧振頻率。
[0008]本發(fā)明的技術方案是按以下方式實現(xiàn)的。
[0009]一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，包括PC機、信號發(fā)生器、三個選通開關a、b、c、激光器控制器、激光器、準直器、凸透鏡、氣室、石英音叉、石英音叉電路、電流轉電壓電路、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于PC機分別與三個選通開關a、b、c相連，控制其選通狀態(tài)，同時PC機連接到信號發(fā)生器；信號發(fā)生器其中一路通過選通開關a —邊連接到激光器控制器，另外又通過選通開關a連接到石英音叉電路；另一路連接到鎖相放大器；激光器控制器和激光器相連接，激光器通過其尾纖連接到準直器上，準直器位于氣室之前，石英音叉位于氣室之內，氣室兩端帶有凸透鏡，由準直器出來的光通過氣室前端面上的凸透鏡進入氣室，投射在石英音叉兩叉指之間；石英音叉的引腳一邊通過選通開關b與電流轉電壓電路相連，另外又通過選通開關b連接到石英音叉電路；電流轉電壓電路與前置放大器相連，前置放大器跟石英音叉電路共同通過選通開關c連接到鎖相放大器上，鎖相放大器與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡連接到PC機上，PC機是整個裝置的中央控制單元；
[0010]所述的石英音叉電路包括兩個電阻Rl、R2、石英音叉插槽，電阻Rl、R2 一端相連接，其另一端分別連接到石英音叉插槽的兩個接線柱上，電阻Rl的兩端作為輸入信號端口，電阻R2的兩端作為輸出信號端口 ；
[0011]所述的電流轉電壓電路包括兩個電阻R3、R4、芯片CA3140EZ，電阻R3—端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相輸入端；電阻R4 —端跟芯片CA3140EZ的反相輸入端相連，另一端與芯片CA3140EZ的輸出端相連；芯片CA3140EZ的反相輸入端與石英音叉插槽的一端接線柱相連，石英音叉插槽的另一端接線柱接地。
[0012]所述的激光器控制器型號為LDC501。
[0013]所述的激光器型號為DFB-1370。
[0014]所述的鎖相放大器型號為Model 7230。
[0015]所述的信號發(fā)生器型號為PC機11721。
[0016]一種上述能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置的工作方式，步驟如下:
[0017]I)、PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生波形為正弦波、掃頻范圍為32760Hz?32770Hz的掃頻信號，掃頻范圍在實際應用過程中能夠調整；掃頻信號的頻率調節(jié)步進設為0.1Hz，單個頻率掃描時間為ls，石英音叉的響應時間在250ms?300ms之間，Is的掃描時間確保其能夠充分響應，信號發(fā)生器產生的掃頻信號中的一路經(jīng)選通開關a選通后送到石英音叉電路，另一路送到鎖相放大器作為一次諧波檢測的參考信號；
[0018]2)、輸送到石英音叉電路的掃頻信號作為該電路的輸入信號源，與石英音叉、電阻R1、電阻R2形成回路；
[0019]3)、當掃頻信號的頻率由32760Hz向32770Hz變化時，石英音叉受掃頻信號激發(fā)產生的振動狀態(tài)隨之變化，石英音叉的電阻性也隨頻率變化；
[0020]4)、當掃頻信號的頻率等于石英音叉的諧振頻率時，石英音叉的電阻性最弱，阻抗最小，電阻R2兩端分得的電壓信號越大；
[0021 ] 5)、電阻R2兩端的電壓信號作為石英音叉電路的輸出信號通過選通開關c送到鎖相放大器，鎖相放大器以原先由信號發(fā)生器送來的一路同頻信號作為參考，鎖取石英音叉電路信號的一次諧波幅值；
[0022]6)、鎖相放大器鎖取的一次諧波信號通過數(shù)據(jù)采集卡被采集到PC機；
[0023]7)、一個掃頻周期過后，PC機便會采集到一組幅值與頻率一一對應的幅值-頻率曲線數(shù)據(jù)，應用峰值檢波算法，幅值最大處對應的頻率值即為石英音叉的諧振頻率f ;
[0024]8)、確定石英音叉諧振頻率f后，取石英音叉諧振頻率f的二分之一 f/2，作為正弦調制信號的頻率，PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生頻率為f/2的正弦調制信號，該正弦波調制信號疊加由信號發(fā)生器產生的IHz三角波掃描信號后經(jīng)過選通開關a選通后送入激光器控制器，同時信號發(fā)生器產生頻率為f的正弦信號送入鎖相放大器作為鎖相參考信號；
[0025]9)、激光器控制器控制激光器發(fā)出激光，發(fā)出的激光經(jīng)準直器、氣室的前凸透鏡而后投射到氣室中的石英音叉的兩叉指之間，激光與氣體相互作用，產生光聲信號，激發(fā)石英音叉；
[0026]10)、石英音叉探測到光聲信號后，以弱電流的形式從引腳輸出，經(jīng)過選通開關b選通后輸入到電流轉電壓電路；
[0027]11)、由于石英音叉的弱電流輸出，在完成電流電壓轉換后需要送到前置放大器進行信號放大；
[0028]12)、信號放大后送到鎖相放大器，鎖相放大器以信號發(fā)生器產生的頻率為f的正弦信號作為參考，鎖取石英音叉信號的二次諧波信號；
[0029]13)、根據(jù)諧波檢測理論，二次諧波幅值與氣體濃度呈線性相關，通過檢測石英音叉二次諧波的幅度就能得到氣室中的待測氣體濃度；
[0030]14)、二次諧波信號數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集后送到PC機進行數(shù)據(jù)分析，通過擬合標定得出氣體濃度；
[0031 ] 15)、當氣體檢測系統(tǒng)運行一段時間T后，石英音叉的諧振頻率f可能發(fā)生漂移，這時候通過切換三個選通開關a、b、c的選通模式，重新進行I)?7)步，進行石英音叉諧振頻率測量，確定新的諧振頻率f’后再切換三個選通開關a、b、c的選通模式，將f’ /2作為新的正弦調制信號頻率，與原來的三角波掃描信號疊加后驅動激光器，同時f’作為新的參考信號頻率送到鎖相放大器鎖取石英音叉的二次諧波；
[0032]16)、PC機通過定時時間間隔T的切換選通開關a、b、c的選通模式，就能夠實現(xiàn)光聲光譜氣體檢測過程中對石英音叉諧振頻率實時檢測與校正。
[0033]本發(fā)明的優(yōu)點是，石英音叉諧振頻率測量部分結構簡單，電路簡潔，方法新穎，采用諧波檢測手段，精度高，裝置中包含的PC機、信號發(fā)生器、鎖相放大器跟采集卡同時都可用于光聲光譜氣體檢測，結合三個自動控制的選通開關跟一個簡易的石英音叉電路，軟件上稍作改動就可在原來氣體檢測基礎上實現(xiàn)石英音叉諧振頻率測量，附加成本極低，測量結果實時用到氣體檢測系統(tǒng)中去，與氣體檢測系統(tǒng)的集成度高，集成方便，使用靈活，在實際應用中能夠消除石英音叉諧振頻率漂移帶來的氣體檢測測量不穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明光聲光譜氣體檢測裝置的結構示意框圖。
[0035]其中:1、信號發(fā)生器,2、激光器控制器,3、激光器,4、準直器,5、凸透鏡,6、氣室,7、石英音叉，8、電流轉電壓電路，9、前置放大器，10、鎖相放大器，11、數(shù)據(jù)采集卡，12、PC機，13、石英音叉電路，14、選通開關a，15、選通開關b，16、選通開關C，17、凸透鏡。
[0036]圖2是圖1中的石英音叉電路示意圖。
[0037]其中:18、電阻Rl，19、電阻R2，20、石英音叉插槽。
[0038]圖3是電流轉電壓電路示意圖。
[0039]其中:33、電阻R3，34、電阻 R4，35、芯片 CA3140EZ。
[0040]圖4是【背景技術】中通常的光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)結構框圖。
[0041]其中:22、信號發(fā)生器，23、激光器控制器，24、激光器，25、準直器，26、凸透鏡，27、氣室，28、石英音叉，29、電流電壓轉換模塊，30、前置放大器，31、鎖相放大器，32、數(shù)據(jù)采集卡，33、PC 機。

【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不限于此。
[0043]實施例1:
[0044]本發(fā)明實施例1如圖1-3所示，一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，包括PC機12、信號發(fā)生器1、三個選通開關a、b、C、激光器控制器2、激光器3、準直器4、凸透鏡5、氣室6、石英音叉7、石英音叉電路13、電流轉電壓電路8、前置放大器9、鎖相放大器10、數(shù)據(jù)采集卡11，其特征在于PC機12分別與三個選通開關al4、bl5、cl6、相連，控制其選通狀態(tài)，同時PC機12連接到信號發(fā)生器I ;信號發(fā)生器I其中一路通過選通開關al4 —邊連接到激光器控制器2，另外又通過選通開關al4連接到石英音叉電路13 ；另一路連接到鎖相放大器10 ;激光器控制器2和激光器3相連接，激光器3通過其尾纖連接到準直器4上,準直器4位于氣室6之前,石英音叉7位于氣室6之內，氣室6兩端帶有凸透鏡5和17，由準直器4出來的光通過氣室6前端面上的凸透鏡5進入氣室6，投射在石英音叉7兩叉指之間；石英音叉7的引腳一邊通過選通開關b 15與電流轉電壓電路8相連，另外又通過選通開關bl5連接到石英音叉電路13 ;電流轉電壓電路8與前置放大器9相連，前置放大器9跟石英音叉電路13共同通過選通開關cl6連接到鎖相放大器10上，鎖相放大器10與數(shù)據(jù)采集卡11相連，數(shù)據(jù)采集卡11連接到PC機12上，PC機12是整個裝置的中央控制單兀；
[0045]所述的石英音叉電路13包括兩個電阻Rl、R2、石英音叉插槽20，電阻Rl、R2 —端相連接，其另一端分別連接到石英音叉插槽20的兩個接線柱上，電阻Rl的兩端作為輸入信號端口，電阻R2的兩端作為輸出信號端口。
[0046]所述的電流轉電壓電路8包括兩個電阻R3、R4、芯片CA3140EZ，電阻R3—端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相輸入端；電阻R4 —端跟芯片CA3140EZ的反相輸入端相連，另一端與芯片CA3140EZ的輸出端相連；芯片CA3140EZ的反相輸入端與石英音叉插槽20的一端接線柱相連，石英音叉插槽20的另一端接線柱接地。
[0047]所述的激光器控制器2型號為LDC501。
[0048]所述的激光器3型號為DFB-1370。
[0049]所述的鎖相放大器10型號為Model 7230。
[0050]所述的信號發(fā)生器I型號為PC機11721。
[0051]實施例2:
[0052]一種上述能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置的工作方式，步驟如下:
[0053]I)、PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生波形為正弦波、掃頻范圍為32760Hz?32770Hz的掃頻信號，掃頻范圍在實際應用過程中能夠調整；掃頻信號的頻率調節(jié)步進設為0.1Hz，單個頻率掃描時間為ls，石英音叉的響應時間在250ms?300ms之間，Is的掃描時間確保其能夠充分響應，信號發(fā)生器產生的掃頻信號中的一路經(jīng)選通開關a選通后送到石英音叉電路，另一路送到鎖相放大器作為一次諧波檢測的參考信號；
[0054]2)、輸送到石英音叉電路的掃頻信號作為該電路的輸入信號源，與石英音叉、電阻R1、電阻R2形成回路；
[0055]3)、當掃頻信號的頻率由32760Hz向32770Hz變化時，石英音叉受掃頻信號激發(fā)產生的振動狀態(tài)隨之變化，石英音叉的電阻性也隨頻率變化；
[0056]4)、當掃頻信號的頻率等于石英音叉的諧振頻率時，石英音叉的電阻性最弱，阻抗最小，電阻R2兩端分得的電壓信號越大；
[0057]5)、電阻R2兩端的電壓信號作為石英音叉電路的輸出信號通過選通開關c送到鎖相放大器，鎖相放大器以原先由信號發(fā)生器送來的一路同頻信號作為參考，鎖取石英音叉電路信號的一次諧波幅值；
[0058]6)、鎖相放大器鎖取的一次諧波信號通過數(shù)據(jù)采集卡被采集到PC機；
[0059]7)、一個掃頻周期過后，PC機便會采集到一組幅值與頻率一一對應的幅值-頻率曲線數(shù)據(jù)，應用峰值檢波算法，幅值最大處對應的頻率值即為石英音叉的諧振頻率f ;
[0060]8)、確定石英音叉諧振頻率f后，取石英音叉諧振頻率f的二分之一 f/2，作為正弦調制信號的頻率，PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生頻率為f/2的正弦調制信號，該正弦波調制信號疊加由信號發(fā)生器產生的IHz三角波掃描信號后經(jīng)過選通開關a選通后送入激光器控制器，同時信號發(fā)生器產生頻率為f的正弦信號送入鎖相放大器作為鎖相參考信號；
[0061]9)、激光器控制器控制激光器發(fā)出激光，發(fā)出的激光經(jīng)準直器、氣室的前凸透鏡而后投射到氣室中的石英音叉的兩叉指之間，激光與氣體相互作用，產生光聲信號，激發(fā)石英音叉；
[0062]10)、石英音叉探測到光聲信號后，以弱電流的形式從引腳輸出，經(jīng)過選通開關b選通后輸入到電流轉電壓電路；
[0063]11)、由于石英音叉的弱電流輸出，在完成電流電壓轉換后需要送到前置放大器進行信號放大；
[0064]12)、信號放大后送到鎖相放大器，鎖相放大器以信號發(fā)生器產生的頻率為f的正弦信號作為參考，鎖取石英音叉信號的二次諧波信號；
[0065]13)、根據(jù)諧波檢測理論，二次諧波幅值與氣體濃度呈線性相關，通過檢測石英音叉二次諧波的幅度就能得到氣室中的待測氣體濃度；
[0066]14)、二次諧波信號數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集后送到PC機進行數(shù)據(jù)分析，通過擬合標定得出氣體濃度；
[0067]15)、當氣體檢測系統(tǒng)運行一段時間T后，石英音叉的諧振頻率f可能發(fā)生漂移，這時候通過切換三個選通開關a、b、c的選通模式，重新進行I)?7)步，進行石英音叉諧振頻率測量，確定新的諧振頻率f’后再切換三個選通開關a、b、c的選通模式，將f’ /2作為新的正弦調制信號頻率，與原來的三角波掃描信號疊加后驅動激光器，同時f’作為新的參考信號頻率送到鎖相放大器鎖取石英音叉的二次諧波；
[0068]16)、PC機通過定時時間間隔T的切換選通開關a、b、c的選通模式，就能夠實現(xiàn)光聲光譜氣體檢測過程中對石英音叉諧振頻率實時檢測與校正。
【權利要求】
1.一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，包括PC機、信號發(fā)生器、三個選通開關a、b、c、激光器控制器、激光器、準直器、凸透鏡、氣室、石英音叉、石英音叉電路、電流轉電壓電路、前置放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于PC機分別與三個選通開關a、b、c相連，控制其選通狀態(tài)，同時PC機連接到信號發(fā)生器；信號發(fā)生器其中一路通過選通開關a —邊連接到激光器控制器，另外又通過選通開關a連接到石英音叉電路；另一路連接到鎖相放大器；激光器控制器和激光器相連接，激光器通過其尾纖連接到準直器上，準直器位于氣室之前，石英音叉位于氣室之內，氣室兩端帶有凸透鏡，由準直器出來的光通過氣室前端面上的凸透鏡進入氣室，投射在石英音叉兩叉指之間；石英音叉的引腳一邊通過選通開關b與電流轉電壓電路相連，另外又通過選通開關b連接到石英音叉電路；電流轉電壓電路與前置放大器相連，前置放大器跟石英音叉電路共同通過選通開關c連接到鎖相放大器上，鎖相放大器與數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡連接到PC機上，PC機是整個裝置的中央控制單元； 所述的石英音叉電路包括兩個電阻Rl、R2、石英音叉插槽，電阻Rl、R2 一端相連接，其另一端分別連接到石英音叉插槽的兩個接線柱上，電阻Rl的兩端作為輸入信號端口，電阻R2的兩端作為輸出信號端口 ； 所述的電流轉電壓電路包括兩個電阻R3、R4、芯片CA3140EZ，電阻R3 —端接地，另一端接到芯片CA3140EZ的正相輸入端；電阻R4 —端跟芯片CA3140EZ的反相輸入端相連，另一端與芯片CA3140EZ的輸出端相連；芯片CA3140EZ的反相輸入端與石英音叉插槽的一端接線柱相連，石英音叉插槽的另一端接線柱接地。
2.如權利要求1所述的一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，其特征在于所述的激光器控制器型號為LDC501。
3.如權利要求1所述的一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，其特征在于所述的激光器型號為DFB-1370。
4.如權利要求1所述的一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，其特征在于所述的鎖相放大器型號為Model 7230。
5.如權利要求1所述的一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置，其特征在于所述的信號發(fā)生器型號為PC機11721。
6.如權利要求1所述的一種能對石英音叉諧振頻率實時校正的光聲光譜氣體檢測裝置的工作方式，步驟如下: 1)、PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生波形為正弦波、掃頻范圍為32760Hz?32770Hz的掃頻信號，掃頻范圍在實際應用過程中能夠調整；掃頻信號的頻率調節(jié)步進設為0.1Hz，單個頻率掃描時間為ls，石英音叉的響應時間在250ms?300ms之間，Is的掃描時間確保其能夠充分響應，信號發(fā)生器產生的掃頻信號中的一路經(jīng)選通開關a選通后送到石英音叉電路，另一路送到鎖相放大器作為一次諧波檢測的參考信號； 2)、輸送到石英音叉電路的掃頻信號作為該電路的輸入信號源，與石英音叉、電阻R1、電阻R2形成回路； 3)、當掃頻信號的頻率由32760Hz向32770Hz變化時，石英音叉受掃頻信號激發(fā)產生的振動狀態(tài)隨之變化，石英音叉的電阻性也隨頻率變化； 4)、當掃頻信號的頻率等于石英音叉的諧振頻率時，石英音叉的電阻性最弱，阻抗最小，電阻R2兩端分得的電壓信號越大； 5)、電阻R2兩端的電壓信號作為石英音叉電路的輸出信號通過選通開關c送到鎖相放大器，鎖相放大器以原先由信號發(fā)生器送來的一路同頻信號作為參考，鎖取石英音叉電路信號的一次諧波幅值； 6)、鎖相放大器鎖取的一次諧波信號通過數(shù)據(jù)采集卡被采集到PC機； 7)、一個掃頻周期過后，PC機便會采集到一組幅值與頻率一一對應的幅值-頻率曲線數(shù)據(jù)，應用峰值檢波算法，幅值最大處對應的頻率值即為石英音叉的諧振頻率f ； 8)、確定石英音叉諧振頻率f后，取石英音叉諧振頻率f的二分之一f/2，作為正弦調制信號的頻率，PC機通過Iabview編程控制信號發(fā)生器產生頻率為f/2的正弦調制信號，該正弦波調制信號疊加由信號發(fā)生器產生的IHz三角波掃描信號后經(jīng)過選通開關a選通后送入激光器控制器，同時信號發(fā)生器產生頻率為f的正弦信號送入鎖相放大器作為鎖相參考信號; 9)、激光器控制器控制激光器發(fā)出激光，發(fā)出的激光經(jīng)準直器、氣室的前凸透鏡而后投射到氣室中的石英音叉的兩叉指之間，激光與氣體相互作用，產生光聲信號，激發(fā)石英音叉； 10)、石英音叉探測到光聲信號后，以弱電流的形式從引腳輸出，經(jīng)過選通開關b選通后輸入到電流轉電壓電路； 11)、由于石英音叉的弱電流輸出，在完成電流電壓轉換后需要送到前置放大器進行信號放大； 12)、信號放大后送到鎖相放大器，鎖相放大器以信號發(fā)生器產生的頻率為f的正弦信號作為參考，鎖取石英音叉信號的二次諧波信號； 13)、根據(jù)諧波檢測理論，二次諧波幅值與氣體濃度呈線性相關，通過檢測石英音叉二次諧波的幅度就能得到氣室中的待測氣體濃度； 14)、二次諧波信號數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集后送到PC機進行數(shù)據(jù)分析，通過擬合標定得出氣體濃度； 15)、當氣體檢測系統(tǒng)運行一段時間T后，石英音叉的諧振頻率f可能發(fā)生漂移，這時候通過切換三個選通開關a、b、c的選通模式，重新進行I)?7)步，進行石英音叉諧振頻率測量，確定新的諧振頻率f’后再切換三個選通開關a、b、c的選通模式，將f’ /2作為新的正弦調制信號頻率，與原來的三角波掃描信號疊加后驅動激光器，同時f’作為新的參考信號頻率送到鎖相放大器鎖取石英音叉的二次諧波； 16)、PC機通過定時時間間隔T的切換選通開關a、b、c的選通模式,就能夠實現(xiàn)光聲光譜氣體檢測過程中對石英音叉諧振頻率實時檢測與校正。
【文檔編號】G01N21/17GK104316466SQ201410618125
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】王福鵬, 常軍, 王宗良, 朱存光, 劉永寧 申請人:山東大學