湿度自补偿、石英音叉共振频率自调整的传感器系统的制作方法

本发明属于传感器,具体为湿度自补偿、石英音叉共振频率自调整的传感器系统。

背景技术：

1、光声光谱技术是基于光声效应的一种先进光谱探测方法,它属于光谱学领域的一部分。与传统的光谱分析技术不同,光声光谱不是测量光与气体分子或原子相互作用后的光学信号,而是捕捉这些分子或原子在吸收光子并发生能级跃迁时产生的振动声波信号,从而显著提升了检测的灵敏度。光声光谱技术所检测的是分子或原子因吸收光能而引发的声学信号,这种信号的强度直接关联到物质吸收光能量的程度。

2、水分子极易极化,因此气体湿度的少量变化都会引起气体介电常数较大的变化,从而导致光声光谱传感器的灵敏度变化。湿度越大,气体介电常数越大,光声光谱传感器的灵敏度也越高。

3、并且在光声光谱气体检测系统中,湿度变化导致的光声光谱传感器的灵敏度变化,会使检测到的光声信号幅值随之波动,进而导致系统检测结果的漂移。这对系统的定量分析带来了很大困难,严重影响了系统的稳定性。

4、空气的湿度变化会影响石英音叉的谐振频率的,石英音叉在长时间使用之后谐振频率也会改变,因此,需要矫正石英音叉的谐振频率,以使得石英音叉可以准确的进行响应。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于湿度自补偿的光声光谱气体传感器系统, 。

2、为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:

3、湿度自补偿、石英音叉共振频率自调整的传感器系统,包括数据采集卡、第一光源模块、第一光声腔模块、第二光源模块、第二光源模块、参考气室模块和湿度测试模块;

4、数据采集卡,其中集成有数字函数发生器,所述数据采集卡采集的数据发送至数字函数发生器,所述数字函数发生器据此产生扫描及调制电流信号;

5、第一光源模块,接收所述数据采集卡发送的扫描及调制电流信号,并发射激光;

6、第一光声腔模块,所述第一光源模块发射的激光至第一光声腔模块产生光声反应,相应的数据被采集发送至数据采集卡;

7、第二光源模块,接收所述数据采集卡发送的扫描及调制电流信号,并发射激光;

8、第二光声腔模块,所述第二光源模块发射的激光至第二光声腔模块产生光声反应,相应的数据被采集发送至数据采集卡;

9、参考气室模块,用于检测气体的浓度;

10、湿度测试模块,用于检测湿度;

11、当石英音叉使用的时间较长或周围空气湿度变化时,通过对石英音叉的频率进行校正,以使得石英音叉的频率处于当前的谐振频率上,可以准确的进行声光反应。

12、优选的,因为湿度的影响,需要对石英音叉的频率进行校正,方法包括：

13、所述数据采集卡内采集到初始湿度数值;

14、将初始湿度数值设置为湿度的正常参数;

15、调制频率扫描模式:通过稳定激光输入电流实现激光的输出波长固定在分子谱线吸收峰位置,然后扫描调制频率,得到光声信号相对于频率的共振响应曲线,通过调制频率扫描模式得到石英音叉的频率响应曲线;以确定石英音叉的共振频率;

16、所述湿度测试模块检测湿度数值,当检测到的湿度数值相对于所述初始湿度数值变化很大时,所述激光器中断发射激光;

17、为所述石英音叉提供一个32.7khz的电流,所述石英音叉响应最大时对应的频率,就是在湿度数值变化之后,所述石英音叉当前的谐振频率;

18、继续采用调制频率扫描模式,第三激光器进行频率扫描,该过程中,当所述石英音叉响应最大时,将次时第三激光器的频率数值就设置为激光的调制频率。

19、优选的,因为石英音叉的使用寿命的,对石英音叉的频率进行校正,方法包括:

20、利用激光波长扫描技术确定石英音叉的谐振频率;

21、当石英音叉使用一段时间之后,对谐振频率进行校正,包括:

22、利用激光波长扫描:具体的，通过变化激光器的输入电流实现激光输出波长的改变,得到光谱号随激光输出波长变化的光声光谱图,从光声光谱图确定石英音叉的当前的谐振频率;

23、将使得石英音叉产生当前的谐振频率的激光器的输入电流数值,设置为pid控制的输入,通过设置电流数值,将石英音叉的频率调整至谐振频率。

24、优选的,第一光源模块,包括第一激光控制器和第一激光器;第一激光控制器接收所述扫描及调制电流信号之后,控制所述第一激光器发射激光。

25、优选的,第一光声腔模块,包括第一光声腔体,在所述第一光声腔体的两端分别安装有第一楔形光学窗口片和第二楔形光学窗口片,在所述第一光声腔体的上部和下部分别安装有第一石英音叉和第二石英音叉,在所述第一石英音叉的两侧分别设置有一个共鸣管;在所述第二石英音叉两侧分别设置有一个共鸣管;

26、所述第一激光器发射的激光经过第一透镜照射至第一光声腔体内气体中产生光声信号,第一石英音叉吸收光声信号,将采集的信号转换为第一电信号,第一电信号被传输至数据采集卡。

27、优选的,第二光源模块,包括第二激光控制器和第二激光器;第二激光控制器接收所述扫描及调制电流信号之后,控制所述第二激光器发射激光。

28、优选的,第二光源模块,包括第二光声腔体,在所述第二光声腔体的两端分别安装有第三楔形光学窗口片和第四楔形光学窗口片,在所述第二光声腔体的上部和下部分别安装有第三石英音叉和第四石英音叉,在所述第三石英音叉的两侧分别设置有一个共鸣管;在所述第四石英音叉两侧分别设置有一个共鸣管;

29、所述第二激光器发射的激光经过第二透镜照射至第二光声腔体内气体中产生光声信号,第四石英音叉吸收光声信号,第四石英音叉吸收光声信号,将采集的信号转换为第二电信号,第二电信号被传输至数据采集卡。

30、优选的,参考气室模块,包括参考腔,在所述参考腔的两端分别安装有第三楔形光学窗口片和第四楔形光学窗口片,在所述参考腔的后方设置有第一探测器和第一探测器；

31、对应于所述第一探测器,在所述参考腔的前方设置有反射镜;所述第一激光器发射的激光经过第二楔形光学窗口片之后,被反射镜、反射镜反射之后照射至参考腔内,所述第一探测器采集信号之后转换为第三电信号,第三电信号传输至数据采集卡;

32、对应于所述第二探测器,在所述参考腔的前方设置有反射镜;所述第二激光器发射的激光经过第四楔形光学窗口片之后,被反射镜、反射镜反射之后照射至参考腔内,所述第二探测器采集信号之后转换为第四电信号,第四电信号传输至数据采集卡。

33、优选的,湿度测试模块,包括第三激光控制器和第三激光器,第三激光控制器接收到扫描及调制电流信号之后,控制第三激光器发射激光至所述分束器,激光被分为两束,分别照射至第一准直器、第二准直器。

34、本发明的有益效果如下:

35、(1)因为湿度的影响,需要对石英音叉的频率进行校正,方法包括：

36、通过调制频率扫描模式得到石英音叉的频率响应曲线;以确定石英音叉的共振频率;所述湿度测试模块检测湿度数值,当检测到的湿度数值相对于所述初始湿度数值变化很大时,所述激光器中断发射激光;为所述石英音叉提供一个的电流,所述石英音叉响应最大时对应的频率,就是在湿度数值变化之后,所述石英音叉当前的谐振频率;继续采用调制频率扫描模式,第三激光器进行频率扫描,该过程中,当所述石英音叉响应最大时,将次时第三激光器的频率数值就设置为激光的调制频率。