[发明专利]基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置

说明书

技术领域

本发明属于气体传感装置技术领域，特别涉及一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置。

背景技术

空气湿度是空气中水汽浓度的表征。空气湿度检测广泛应用于气象观测、环境控制、干燥处理、植物栽培、过程控制等领域。传统的湿度测量方法主要有“干湿球”法、“露点仪”法和“湿敏电容”法，这些方法在实际应用中存在一定的局限性：干湿球湿度计的准确度较低，并且测量条件较为苛刻；露点法测湿度的优势是准确度和分辨率都很高，但其平衡时间长，不适合动态湿度测量；湿敏电容湿度传感器灵敏度高，容易实现小型化和集成化，但精度较低。

采用红外光谱吸收法进行空气湿度检测，确定水汽的特征吸收谱线，并控制半导体激光器输出对应波长的激光透过待测空气，通过检测吸收强度得到水蒸气浓度，结合温度就可以得到空气的相对湿度。该方法具有灵敏度高、精度高、响应时间快等优点，自出现后便得到了迅速的发展。但其成本高，设备复杂，体积庞大，应用受到了限制。因此，发展灵敏度高、精度高、响应时间快，并且体积小、成本低、结构简单的空气湿度检测装置具有十分重要的应用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，以实现灵敏度高、精度高、响应时间快，并且体积小、成本低、结构简单的空气湿度检测装置。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于石英音叉增强气体光声光谱的空气湿度动态检测装置，该空气湿度动态检测装置包括DFB激光器1、调制电流源2、温度控制器3、控制箱4、功率分配器5、任意波形发生器6、锁相放大器7、基座8、套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11、石英音叉12和电脑13，其中：调制电流源2和温度控制器3分别控制DFB激光器1的注入电流和工作温度，使DFB激光器1的输出波长锁定在1370nm附近一个较强的水汽吸收峰上；任意波形发生器6提供调制信号，周期性的调制DFB激光器1的输出光频率；DFB激光器1输出光通过自聚焦透镜11后，聚焦光束的焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙中，通过石英音叉12检测光与吸收气体相互作用下产生的光声光谱信号，经锁相放大器7放大后输出给电脑13，由电脑13实时显示测量到的空气相对湿度。

上述方案中，该DFB激光器1在调制电流源2和温度控制器3的控制下，通过改变工作温度和注入电流，使其输出光波长在1370nm附近有一个较强的水汽吸收峰，其输出光通过尾纤连接器10被自聚焦透镜11聚焦至石英音叉12两臂之间的间隙。

上述方案中，该调制电流源2的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的注入电流；该温度控制器3的输出端连接于DFB激光器1的输入端，用于控制该DFB激光器1的工作温度。该控制箱4的两个输出端分别控制调制电流源2和温度控制器3，其输入端连接于功率分配器5的一个输出端，用于控制调制电流源2和温度控制器3，为DFB激光器1提供调制信号。

上述方案中，该功率分配器5包括两个输出端和一个输入端，其输入端连接于任意波形发生器6，将任意波形发生器6的输出信号分成频率相等的两路输出信号，分别输出给控制箱4的输入端和锁相放大器7的参考信号输入端。该任意波形发生器6，其输出端连接于功率分配器5的输入端，用于向功率分配器5输出信号频率为f的波，且f为石英音叉共振频率f₀的二分之一，即

上述方案中，该锁相放大器7包括参考信号输入端、被测信号输入端和输出端，其参考信号输入端与功率分配器5的一个输出端连接，其被测信号输入端与石英音叉12的输出端连接，其输出端与电脑13连接，用于对功率分配器5输入的参考信号及石英音叉12输入的被测信号进行二次谐波测量，得到幅值，并输出给电脑13。该电脑13与锁相放大器7的输出端连接，通过安装的LabVIEW程序计算并显示空气湿度。

上述方案中，该基座8用来固定套管9、尾纤连接器10、自聚焦透镜11和石英音叉12，该套管9对尾纤连接器10和自聚焦透镜11起保护和固定作用。该尾纤连接器10，其端面与自聚焦透镜一端面连接，用紫外固化胶固定，尾纤与DFB激光器1的输出连接；该自聚焦透镜11，将DFB激光器1发出的光聚焦，焦点位于石英音叉12两臂之间的间隙；该石英音叉12，其共振频率为f₀＝32.768kHz，包括两臂和输出端，其输出端与锁相放大器7的被测信号输入端连接。

(三)有益效果