本申請涉及氣體檢測，尤其涉及一種高靈敏寬量程的氣體傳感系統(tǒng)及相關(guān)測量方法。

背景技術(shù)：

1、氣體濃度檢測在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如對乙炔(c2h2)氣體進(jìn)行濃度檢測，c2h2是一種無色無味的氣體，在很寬的濃度范圍內(nèi)易與空氣結(jié)合形成爆炸性混合物，低濃度c2h2檢測為氣體泄漏提供預(yù)警，高濃度c2h2檢測可以有效防止氣體爆炸，因此，研制一種高靈敏度、寬測量范圍的傳感器在工業(yè)領(lǐng)域具有重要意義。

2、氣體的檢測方法有很多，如氣相色譜法、電化學(xué)法、催化燃燒法、半導(dǎo)體法等，與這些傳統(tǒng)檢測方法相比，光譜法具有選擇性好、靈敏度高、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)。其中，光聲光譜法由于幾乎沒有背景吸收，是近年來發(fā)展起來的一種氣體檢測方法，光聲光譜法是基于光聲效應(yīng)的光譜檢測技術(shù)，它通過測量光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲波信號實(shí)現(xiàn)檢測，是一種無背景信號干擾的間接測量方法。

3、然而，目前基于光聲光譜的氣體傳感器的檢測靈敏度不高，離實(shí)用化還有一定的距離。另外，隨著氣體濃度的增加，氣體分子的吸收能力變得非線性，光聲信號幅值達(dá)到飽和，并且聲學(xué)諧振頻率在高濃度背景中會產(chǎn)生漂移，因此單個(gè)傳感器很難精確地實(shí)現(xiàn)從ppb到％量級的超寬范圍檢測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請實(shí)施例提供了一種高靈敏寬量程的氣體傳感系統(tǒng)及相關(guān)測量方法，可以提高氣體檢測的靈敏度以及實(shí)現(xiàn)超寬范圍的氣體濃度檢測。

2、第一方面，本申請實(shí)施例提供了一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，所述高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)包括光源模塊、光聲諧振腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其中：

3、所述光源模塊用于產(chǎn)生入射光；

4、所述光聲諧振腔模塊連接所述光源模塊，入射光在所述光聲諧振腔模塊中被待測氣體吸收產(chǎn)生光聲信號；

5、所述數(shù)據(jù)處理模塊連接所述光聲諧振腔模塊，用于處理光聲信號并反演待測氣體的濃度；

6、所述光源模塊包括激光器、電流驅(qū)動器、溫度控制器和光纖放大器，其中，所述激光器根據(jù)預(yù)設(shè)激光器功率輸出激光束，并通過所述光纖放大器對所述激光束進(jìn)行放大處理；

7、所述光聲諧振腔模塊包括腔增強(qiáng)光聲池和麥克風(fēng)，其中，放大后的所述激光束以預(yù)設(shè)角度耦合進(jìn)入所述腔增強(qiáng)光聲池，在所述腔增強(qiáng)光聲池的光-聲雙諧振模式下增加所述激光束的有效光功率，使所述腔增強(qiáng)光聲池內(nèi)的待測氣體被充分激發(fā)，產(chǎn)生光聲信號；

8、所述麥克風(fēng)安裝在所述腔增強(qiáng)光聲池的中心，用于檢測光聲信號；

9、所述數(shù)據(jù)處理模塊包括鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)，其中，所述上位機(jī)控制所述數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生驅(qū)動信號，根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述電流驅(qū)動器，并通過所述電流驅(qū)動器以及溫度控制器共同驅(qū)動所述激光器；

10、所述鎖相放大器從所述腔增強(qiáng)光聲池中提取與氣體濃度相關(guān)的光聲信號，并通過所述數(shù)據(jù)采集卡將所述光聲信號傳送至所述上位機(jī)，使得所述上位機(jī)基于預(yù)設(shè)的光聲信號的幅值與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行低濃度范圍的高靈敏氣體檢測，以及利用諧振頻率追蹤技術(shù)對所述待測氣體進(jìn)行高濃度范圍的氣體檢測。

11、第二方面，本申請實(shí)施例還提供了一種高靈敏寬量程氣體濃度測量方法，所述方法應(yīng)用于第一方面提供的高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊，所述方法包括：

12、獲取數(shù)據(jù)采集卡傳送的待測氣體對應(yīng)的光聲信號；

13、根據(jù)所述光聲信號確定所述待測氣體所處的目標(biāo)濃度范圍；

14、若所述目標(biāo)濃度范圍為低濃度范圍，則根據(jù)預(yù)設(shè)的光聲信號的幅值與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系以及所述目標(biāo)光聲信號的幅值確定所述待測氣體的目標(biāo)氣體濃度；

15、若所述目標(biāo)濃度范圍為高濃度范圍，則根據(jù)預(yù)設(shè)的諧振頻率追蹤技術(shù)確定所述待測氣體對應(yīng)的目標(biāo)諧振頻率；

16、根據(jù)預(yù)設(shè)的諧振頻率與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系以及所述目標(biāo)諧振頻率，確定所述待測氣體的目標(biāo)氣體濃度。

17、第三方面，本申請實(shí)施例還提供了一種高靈敏寬量程氣體濃度測量裝置，所述高靈敏寬量程氣體濃度測量裝置部署于數(shù)據(jù)處理模塊中，包括收發(fā)單元以及處理單元，其中：

18、所述收發(fā)單元，用于獲取數(shù)據(jù)采集卡傳送的待測氣體對應(yīng)的光聲信號；

19、所述處理單元，用于根據(jù)所述光聲信號確定所述待測氣體所處的目標(biāo)濃度范圍；若所述目標(biāo)濃度范圍為低濃度范圍，則根據(jù)預(yù)設(shè)的光聲信號的幅值與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系以及所述目標(biāo)光聲信號的幅值確定所述待測氣體的目標(biāo)氣體濃度；若所述目標(biāo)濃度范圍為高濃度范圍，則根據(jù)預(yù)設(shè)的諧振頻率追蹤技術(shù)確定所述待測氣體對應(yīng)的目標(biāo)諧振頻率；根據(jù)預(yù)設(shè)的諧振頻率與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系以及所述目標(biāo)諧振頻率，確定所述待測氣體的目標(biāo)氣體濃度。

20、第四方面，本申請實(shí)施例還提供了一種上位機(jī)，其包括存儲器及處理器，所述存儲器上存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述第二方面中的方法。

21、第五方面，本申請實(shí)施例還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序包括程序指令，所述程序指令當(dāng)被處理器執(zhí)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)上述第二方面中的方法。

22、本申請實(shí)施例提供了一種高靈敏寬量程的氣體傳感系統(tǒng)及相關(guān)測量方法。其中，所述高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)包括光源模塊、光聲諧振腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，一方面，通過本申請中的腔增強(qiáng)光聲池可以增加激光束的有效光功率，使所述腔增強(qiáng)光聲池內(nèi)的待測氣體被充分激發(fā)，從而提高氣體檢測的靈敏度；第二方面，上位機(jī)中預(yù)設(shè)有光聲信號的幅值與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系及諧振頻率追蹤技術(shù)，通過光聲信號的幅值與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系可實(shí)現(xiàn)低濃度范圍的氣體濃度檢測，通過諧振頻率追蹤技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高濃度范圍的氣體濃度檢測，可見，通過本申請可利用單個(gè)傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度和超寬范圍的氣體檢測。

技術(shù)特征：

1.一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)包括光源模塊、光聲諧振腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其中：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊包括激光器、電流驅(qū)動器、溫度控制器和光纖放大器，其中，所述激光器根據(jù)預(yù)設(shè)激光器功率輸出激光束，并通過所述光纖放大器對所述激光束進(jìn)行放大處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述光聲諧振腔模塊包括腔增強(qiáng)光聲池和麥克風(fēng)，其中，放大后的所述激光束以預(yù)設(shè)角度耦合進(jìn)入所述腔增強(qiáng)光聲池，在所述腔增強(qiáng)光聲池的光-聲雙諧振模式下增加所述激光束的有效光功率，使所述腔增強(qiáng)光聲池內(nèi)的待測氣體被充分激發(fā)，產(chǎn)生光聲信號。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述麥克風(fēng)安裝在所述腔增強(qiáng)光聲池的中心，用于檢測光聲信號。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)，其中，所述上位機(jī)控制所述數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生驅(qū)動信號，根據(jù)所述驅(qū)動信號控制所述電流驅(qū)動器，并通過所述電流驅(qū)動器以及溫度控制器共同驅(qū)動所述激光器；

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述腔增強(qiáng)光聲池包括光學(xué)諧振器、聲學(xué)諧振器以及兩個(gè)高反射鏡，所述光學(xué)諧振器的縱模與激光束的頻率共振，在所述的兩個(gè)高反射鏡之間形成光學(xué)駐波，所述聲學(xué)諧振器利用特殊設(shè)計(jì)的h型結(jié)構(gòu)在內(nèi)部形成聲學(xué)駐波，兩個(gè)所述高反射鏡分別安裝在所述腔增強(qiáng)光聲池兩側(cè)。

7.一種高靈敏寬量程氣體濃度測量方法，其特征在于，所述方法應(yīng)用于如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理模塊，所述方法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)預(yù)設(shè)的諧振頻率追蹤技術(shù)確定所述待測氣體對應(yīng)的目標(biāo)諧振頻率，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于二分法，根據(jù)所述判斷結(jié)果更新所述頻率搜索范圍，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述頻率搜索范圍確定所述目標(biāo)諧振頻率，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請實(shí)施例公開了一種高靈敏寬量程氣體傳感系統(tǒng)及測量方法。系統(tǒng)包括光源模塊，光聲諧振腔模塊，數(shù)據(jù)處理模塊。光源模塊用于產(chǎn)生入射光；入射光在光聲諧振腔模塊中被待測氣體吸收產(chǎn)生光聲信號；數(shù)據(jù)處理模塊對光聲信號進(jìn)行處理并反演待測氣體的濃度。本申請通過光學(xué)和聲學(xué)雙諧振方法提高了系統(tǒng)檢測靈敏度，使用諧振頻率追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高濃度氣體檢測，克服了氣體在高濃度范圍檢測不準(zhǔn)確的問題，實(shí)現(xiàn)氣體的超寬范圍測量。

技術(shù)研發(fā)人員：李亞飛,郭團(tuán),鄭傳濤,黃晨,鄧焯倍,江衍裕,關(guān)炎雄
受保護(hù)的技術(shù)使用者：暨南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19