一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统

1.本发明属于气体检测技术领域，更具体地，涉及一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统。


背景技术：

2.光声光谱是一种基于光声效应的技术。在谐振式光声光谱气体检测系统中，激光器向光声池发射波长可调的激光照射气体，气体分子吸收特定波长的光后发生跃迁到高能态，处于高能态的气体分子通过与其他分子碰撞将吸收的能量以热能形式耗散而回到低能态，该热能会呈现出与光源调制频率相同的周期性变化从而产生声波，通过微音器对声音信号进行探测，经过信号采集处理获得谐波信息，通过反演得到气体浓度。
3.传统的波长调制式光声光谱气体检测采用三角波或锯齿波等线性电流方法调谐激光器以实现波长扫描，但是在波长扫描范围内采样点数可以看作线性均匀分布，而气体浓度信息主要集中于气体吸收光谱峰值区域位置，即有用信息集中产生于某个中间窗口区域。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统，其目的在于有效增加峰值处数据点个数，提升系统稳定性和检测灵敏度。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统，该系统包括：
6.控制器，用于输出非线性扫描信号至激光器驱动器，接收探测器输出的反馈信号，判断反馈信号是否为0，若是，提取此时反馈信号中的二次谐波，反演得到待测气体的浓度，否则，调节非线性扫描信号的中心位置使其处于待测气体吸收线峰值处；
7.激光器驱动器，用于将非线性扫描信号转换为电流，输出非线性电流信号和温度控制信号至激光器；
8.激光器，用于在非线性电流信号和温度控制信号驱动下改变输出波长，使其在待测气体吸收峰的中心波长附近扫描，激励非线性调制光；
9.光声池，用于在非线性调制光照射下，待测气体发生光声效应，产生相应的声波信号；
10.探测器，用于探测光声池内产生的非线性调制声波信号，转换为相应的电信号并输出至控制器。
11.优选地，所述非线性扫描信号的波形为每个周期内连续可导且斜率变化的函数。
12.有益效果：针对线性扫描信号突变产生噪声的问题，本发明通过采用连续可导的非线性函数，由于连续可导的非线性扫描信号不是突变的，避免了噪声的引入，从而避免了因噪声而引起的气体浓度信息的偏差。
13.优选地，非线性扫描函数的斜率在每个周期内的变化是中间小两边大。
14.有益效果：针对现有技术气体吸收光谱峰值区域扫描时间不足问题，本发明通过选用斜率中间小两边大的非线性扫描函数，由于气体浓度信息主要对应于扫描信号的中心，实现了延长扫描信号对应气体吸收光谱峰值区域的扫描时间，增加了气体吸收谱线峰值处的采样点数，获得更为精准的气体浓度信息。
15.优选地，非线性扫描函数为双曲正弦函数。
16.优选地，利用锁相放大器提取二次谐波信号。
17.优选地，待测气体的浓度通过以下方式获得：
18.通过测量不同浓度的标准气体对应的二次谐波信号拟合出浓度-幅值曲线，根据浓度-幅值曲线和待测气体的二次谐波信号的幅值反演出待测气体的浓度。
19.优选地，所述光声池为谐振式光声池。
20.有益效果：针对现有技术非谐振式光声池噪声大和不能流动测量的问题，本发明通过使用谐振式光声池，由于谐振式光声池谐振频率高、腔内形成驻波从而避免光窗的噪声，实现了实时监测和高精度测量。
21.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
22.针对现有技术气体吸收峰值部分采样点数不够、气体吸收信息不完整的问题，本发明通过非线性扫描信号波长调制技术，由于非线性扫描信号在激光与气体相互作用的窗口区域设置缓变函数，可以延长扫描信号对应气体吸收光谱峰值区域的扫描时间，实现气体吸收峰值部分采样点数增加，使得转换得到的气体浓度信息更精确、更稳定、更充分完整，提高气体浓度检测的灵敏度和稳定度。此外，非线性波长调制函数简洁易用，不改变现有系统结构，不增加额外硬件成本。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统结构示意图；
24.图2是现有技术中锯齿波信号的波形图；
25.图3是本发明非线性扫描信号sinh函数的波形图；
26.图4是现有技术基于锯齿波扫描的光声光谱气体检测方法的二次谐波示意图；
27.图5是本发明基于非线性扫描信号sinh函数的谐振式光声光谱气体检测方法的二次谐波示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.如图1所示，本发明提供了一种非线性扫描波长调制的光声光谱气体浓度检测系统，该系统包括：
30.控制器，用于输出非线性扫描信号至激光器驱动器，接收探测器输出的反馈信号，
判断反馈信号是否为0，若是，提取此时反馈信号中的二次谐波，反演得到待测气体的浓度，否则，调节非线性扫描信号的中心位置使其处于待测气体吸收线峰值处。
31.待测气体种类已知，待测气体吸收峰即可获取。判断反馈信号是否为0，若为0，表明非线性扫描信号的中心与待测气体吸收峰重合。
32.图2是传统锯齿波扫描信号，实现线性波长扫描。
33.优选地，所述非线性扫描信号的波形为每个周期内连续可导且斜率变化的函数。
34.优选地，非线性扫描函数的斜率在每个周期内的变化是中间小两边大。
35.因为气体浓度信息在气体吸收光谱峰值区域位置，扫描信号的中心对应气体吸收谱线峰值处，所以本专利中提供的非线性扫描函数的斜率在一个周期内的变化是中间小两边大，使得在目标气体吸收线峰值波长处的扫描时间加长，相较于传统三角波增加了峰值处采样点个数。
36.优选地，非线性扫描函数为双曲正弦函数sinh。本实施例通过sinh函数(示例，不限于)实现非线性波长扫描。
37.非线性扫描信号有效拓宽了每个周期检测到的二次谐波，关键波峰附近窗口变宽，携带气体浓度信息的采样点更密集，采集到的气体浓度信息更加详细，可以有效提升系统的测量精度。
38.优选地，利用锁相放大器提取二次谐波信号。
39.优选地，待测气体的浓度通过以下方式获得：
40.通过测量不同浓度的标准气体对应的二次谐波信号拟合出浓度-幅值曲线，根据浓度-幅值曲线和待测气体的二次谐波信号的幅值反演出待测气体的浓度。
41.标准气体与待测气体种类相同，浓度确定。
42.激光器驱动器，用于将非线性扫描信号转换为电流，输出非线性电流信号和温度控制信号至激光器。
43.激光器，用于在非线性电流信号和温度控制信号驱动下改变输出波长，使其在待测气体吸收峰的中心波长附近扫描，激励非线性调制光。
44.光声池，用于在非线性调制光照射下，待测气体发生光声效应，产生相应的声波信号。
45.优选地，所述光声池为谐振式光声池。
46.探测器，用于探测光声池内产生的非线性调制声波信号，转换为相应的电信号并输出至控制器。
47.本实施例使用微音探测器。
48.图4是传统锯齿波信号波长扫描，得到光声信号的二次谐波，图5是基于sinh函数信号波长扫描得到的光声信号的二次谐波。对比分析可知，通过sinh函数信号波长扫描得到的二次谐波在峰值处被拓宽，强吸收窗口得到扩展，采样点个数变丰富。
49.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。