[发明专利]基于数字锁相技术的增强型光声光谱气体检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于数字锁相技术的增强型光声光谱气体检测装置，包括激励光源、气室、前置放大电路、DSP和函数发生器，所述气室内设有两个微型声音谐振腔和石英音叉，所述函数发生器通过叠加锯齿波实现对激光的波长调制，所述气室连接所述运算放大电路，所述运算放大电路连接所述DSP。本发明对气体的检测采用增强型石英音叉光声光谱结合数字锁相的技术，使用DSP内部实现参考信号的生成和相关检测的计算，通过DSP实现数字锁相的功能，有效快速的提取出二次谐波信号。

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于数字锁相技术的增强型光声光谱气体检测装置及方法。

背景技术

大气中某些痕量气体的过量会造成大气污染，硫氧化物形成酸雨，CO2、CH4等温室气体造成温室效应，氮氧化物、硫氧化物和固态颗粒物形成雾霾。因此，十分必要及时检测这些严重影响人类生存环境和健康的气体。现阶段，研究者使用光声光谱技术进行气体的监测技术不仅应用在了监测大气污染物中，工业，电力系统、医疗部门等领域也同样应用广泛。

石英增强光声光谱法是传统微音器光声光谱法的优化，将激光聚焦至石英音叉两臂间细缝，当激光调制频率达到石英音叉共振频率，气体吸收光能产生光声效应的声波频率与音叉共振频率相同，从而使石英音叉共振。根据压电效应，共振产生压电电流，通过前置放大电路将电流信号转化为电压信号，再通过锁相放大器的解调，得到光声信号。不同的气体分子吸收不同的光波波长，且当光源波长和气体分子的吸收波长相吻合时，产生的光声信号幅值最大，因此，根据光声信号和气体浓度呈正相关可计算出气体的浓度。

在气体检测应用的可调谐激光光谱吸收技术，但这种技术受光源、环境等因素影响较大，会影响实验结果的精确性，并且一部分锁相放大装置的电路都为模拟器件，存在老化的问题，影响检测结果精确性。

发明内容

本发明为了克服以上缺点，提供一种基于数字锁相技术的增强型光声光谱气体检测装置。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于数字锁相技术的增强型光声光谱气体检测装置，其特征在于：包括激励光源、气室、前置放大电路、DSP和函数发生器，所述气室内设有两个微型声音谐振腔和石英音叉，所述函数发生器通过叠加锯齿波实现对激励光源发出的激光的波长调制，所述气室连接所述运算放大电路，所述运算放大电路连接所述DSP。

作为限定：所述激励光源为可谐调分布反馈二极管。

作为限定：所述气室为纵向共振气室，样品检测气室上设有进气口和出气口，进气口和出气口上分别设有进气阀和出气阀，气室内相对设有激光入射窗口和出射窗口，激光射入窗口对应连接所述可调谐激光二级管。

作为限定：所述DSP上内置有串行通信接口模块，用于提取谐波信号送入计算机。

一种DSP数字锁相谐波信号输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01:采用查表法生成参考信号，使用MATLAB产生三角函数值，转化为十六进制，并对三角函数值进行采样，将前四分之一周期采样值存入表中，其流程为：开始、计算周期采样点、计算采样间隔、根据相位计算采样起始点在表中的位置、查表得到采样点的位置、结束；

S02：生成谐波信号，使用fs/4的采样频率，当x(n)为输入信号，输出与输入关系为：

输入信号与正交参考信号分别做乘法得：

一个周期内正弦参考信号的序列含有4个点，正弦参考信号的序列为{0，1，0，-1}，余弦参考信号的序列{1，0，-1，0}可得：