專利名稱：跟蹤光聲池共振頻率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器系統(tǒng)中的氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光聲光譜法
檢測(cè)氣體濃度時(shí)，跟蹤光聲池共振頻率的裝置和方法。
背景技術(shù)：
光聲氣體檢測(cè)是一種基于光聲光譜效應(yīng)檢測(cè)氣體濃度的技術(shù)。光聲效應(yīng)是物質(zhì)吸 收調(diào)制光能后產(chǎn)生聲信號(hào)的效應(yīng)，是一種由光能轉(zhuǎn)變成熱能、熱能轉(zhuǎn)化成聲信號(hào)的效應(yīng)。光 聲氣體檢測(cè)裝置主要由光源(如激光器)、光聲池、聲傳感器(如微音器)和信號(hào)檢測(cè)處理 模塊四部分構(gòu)成。光源發(fā)射強(qiáng)度受到調(diào)制的光，射入光聲池，光聲池內(nèi)的氣體因間歇吸收光 能而形成聲波，聲傳感器檢測(cè)聲信號(hào)并傳給信號(hào)檢測(cè)處理模塊，根據(jù)預(yù)先建立的聲強(qiáng)與標(biāo) 準(zhǔn)氣體濃度之間的關(guān)系，可以檢測(cè)未知?dú)怏w的濃度。 可以采用光聲信號(hào)在光聲池中的聲共振效應(yīng)來增強(qiáng)光聲信號(hào)；共振光聲池具有縱 向、角向和徑向三種共振模式。聲共振效應(yīng)可以把原始光聲信號(hào)的幅值增強(qiáng)數(shù) 倍至數(shù)百倍。 將微音器安裝在共振光聲池內(nèi)檢測(cè)共振的聲信號(hào)，可以在微音器靈敏度一定的情況下有效 增加系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和抗聲干擾的能力。 實(shí)現(xiàn)光聲信號(hào)共振要求光聲信號(hào)的頻率與光聲池的共振頻率一致；也就是要求在 光聲氣體檢測(cè)中入射光的調(diào)制頻率與光聲池的共振頻率相同。由于光聲池的共振頻率在光 聲池的幾何參數(shù)確定以后，其共振頻率雖然基本確定，但卻隨光聲池內(nèi)氣體組分、溫度、濕 度、粉塵等因素的變化而變化，所以在氣體濃度的檢測(cè)過程中，必須對(duì)光聲池的共振頻率進(jìn) 行有效跟蹤，方可保持激光的調(diào)制頻率與光聲池的共振頻率一致，使微音器檢測(cè)到共振的 聲信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種跟蹤光聲池共振頻率的裝置及方 法，能在線、快速、準(zhǔn)確地跟蹤光聲池的共振頻率。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種跟蹤光聲池共振頻率的裝置，包括光聲池，在光聲池
的共振段的內(nèi)部安裝有微音器，微音器通過傳輸線路依次與檢波電路和控制器連接，在光
聲池內(nèi)安裝有揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器與信號(hào)發(fā)生器連接，信號(hào)發(fā)生器與控制器連接。 光聲池上設(shè)置有緩沖室，所述揚(yáng)聲器安裝在緩沖室上。 所述信號(hào)發(fā)生器是單頻信號(hào)發(fā)生器。 所述信號(hào)發(fā)生器是近單頻信號(hào)發(fā)生器。 本發(fā)明還公開了一種利用所述跟蹤光聲池共振頻率的裝置跟蹤光聲池共振頻率 的方法，包括如下步驟 第一步，設(shè)置控制器的頻率跟蹤參數(shù)，包括N級(jí)掃頻、頻率范圍、跟蹤頻率和掃頻 時(shí)間間隔； 第二步，控制器發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一定頻率的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出與電驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率一致的聲信號(hào)，并在光聲池內(nèi)部傳播； 第三步，微音器檢測(cè)聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為與聲信號(hào)頻率相同的電信號(hào)輸出； 第四步，檢波電路檢測(cè)微音器輸出的電信號(hào)的幅值和頻率，并將檢測(cè)出的電信號(hào)
的幅值和頻率輸出給控制器； 第五步，控制器把接收到幅值信號(hào)和與它對(duì)應(yīng)的頻率保存，并與接收到的下一個(gè) 幅值信號(hào)比較，保存較大的幅值和該幅值所對(duì)應(yīng)的頻率； 第六步，完成第一級(jí)掃頻后，按第二步至第五步進(jìn)行第二級(jí)掃頻，如是重復(fù)，直到 完成設(shè)定的N級(jí)掃頻，最后獲得光聲池的共振頻率，完成一次頻率跟蹤； 第七步，經(jīng)過設(shè)定的掃頻時(shí)間間隔后，自動(dòng)進(jìn)行下一次頻率跟蹤重復(fù)第二步至第 六步，最后獲得所需要精度的光聲池共振頻率。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)在線、快速、準(zhǔn)確跟蹤光聲池的共振頻 率，有效提高氣體的檢測(cè)靈敏度和抵抗環(huán)境噪聲干擾，為共振法光聲氣體檢測(cè)的實(shí)用化提 供了途徑和手段。采用多級(jí)掃頻原理，不但可以實(shí)現(xiàn)光聲池共振頻率的精確獲取，而且可以 在較短時(shí)間內(nèi)通過較少個(gè)數(shù)的不同頻率的聲波，跟蹤獲取到光聲池的共振頻率?？梢愿鶕?jù) 光聲氣體檢測(cè)的實(shí)際情況設(shè)置共振頻率跟蹤的范圍和精度，有效完成光聲池共振頻率的跟 蹤。將揚(yáng)聲器安裝在共振光聲池的緩沖室或者共振段，微音器安裝在共振段，用光聲池分時(shí) 實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和光聲信號(hào)共振檢測(cè)的功能。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中
圖l是本發(fā)明的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。 本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。 如圖1所示，一種跟蹤光聲池共振頻率的裝置，包括光聲池，在光聲池1的共振段 12的內(nèi)部安裝有微音器3，微音器3通過傳輸線路依次與檢波電路4和控制器5連接，在光 聲池內(nèi)部安裝有揚(yáng)聲器2，揚(yáng)聲器2與信號(hào)發(fā)生器6連接，信號(hào)發(fā)生器6與控制器5連接。 信號(hào)發(fā)生器6可以是單頻信號(hào)發(fā)生器，也可以是近單頻信號(hào)發(fā)生器。 光聲池為共振光聲池，由共振段12和數(shù)個(gè)緩沖室11構(gòu)成，光聲池可工作在設(shè)定的 任一種共振模式。揚(yáng)聲器可安裝在光聲池的緩沖室11或者共振段12，微音器3安裝在共振 段12，用微音器3分時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和光聲信號(hào)檢測(cè)的功能。
利用本發(fā)明的裝置跟蹤光聲池共振頻率的方法是 第一步，設(shè)置控制器(如單片機(jī))5的頻率跟蹤參數(shù)，如N級(jí)掃頻、頻率范圍、跟蹤 頻率和掃頻時(shí)間間隔； 第二步，控制器5發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一定頻率的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)
4動(dòng)揚(yáng)聲器2發(fā)出與電驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率一致的聲信號(hào)，并在光聲池內(nèi)部傳播；
第三步，微音器3檢測(cè)聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為與聲信號(hào)頻率相同的電信號(hào)輸出；
第四步，檢波電路4檢測(cè)微音器3輸出的電信號(hào)的幅值和頻率，并將檢測(cè)出的電信 號(hào)的幅值和頻率輸出給控制器5 ; 第五步，控制器5把接收到幅值信號(hào)和與它對(duì)應(yīng)的頻率保存，并與接收到的下一 個(gè)幅值信號(hào)比較，保存較大的幅值和該幅值所對(duì)應(yīng)的頻率； 第六步，完成第一級(jí)掃頻后，按第二步至第五步進(jìn)行第二級(jí)掃頻，如是重復(fù)，直到 完成設(shè)定的N級(jí)掃頻，最后獲取的最大的幅值對(duì)應(yīng)的頻率與光聲池的共振頻率接近，可確 定為光聲池的共振頻率； 第七步，經(jīng)過設(shè)定的頻率跟蹤間隔時(shí)間后，自動(dòng)進(jìn)行下一次頻率跟蹤，即重復(fù)第二 步至第六步，通過這種方式獲得所需要精度的光聲池的共振頻率。 為了實(shí)現(xiàn)光聲池的共振頻率的精確獲取，本發(fā)明的跟蹤方法還可以采用多級(jí)掃頻 原理，即在第一級(jí)掃頻時(shí)，采用較大的頻率范圍和較大的掃描步長(zhǎng)，獲取一個(gè)最大的信號(hào)幅 值及其對(duì)應(yīng)頻率；然后以該頻率為中心，縮小掃頻范圍，減小掃描步長(zhǎng)完成第二級(jí)掃頻；同 理進(jìn)行多級(jí)掃頻，達(dá)到所需要的頻率精度。通過這種方式可以在較短時(shí)間內(nèi)，跟蹤獲取到最 大的幅值信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率可確定為光聲池的共振頻率。 本發(fā)明還可以根據(jù)光聲氣體檢測(cè)的實(shí)際情況設(shè)置共振頻率跟蹤的范圍和精度，有 效完成光聲池共振頻率的實(shí)時(shí)跟蹤，以跟蹤因光聲池內(nèi)的氣體組分、溫度、濕度等因素的改 變而引起的光聲池共振頻率的變化。 控制器5的驅(qū)動(dòng)軟件包括多級(jí)掃頻，可以通過該軟件設(shè)置每一級(jí)掃頻的頻率范 圍、跟蹤頻率以及兩次掃頻之間的時(shí)間間隔，以獲取準(zhǔn)確的共振頻率。 本發(fā)明并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
一種跟蹤光聲池共振頻率的裝置，其特征在于包括光聲池，在光聲池的共振段的內(nèi)部安裝有微音器，微音器通過傳輸線路依次與檢波電路和控制器連接，在光聲池內(nèi)部安裝有揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器與信號(hào)發(fā)生器連接，信號(hào)發(fā)生器與控制器連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的跟蹤光聲池共振頻率的裝置，其特征在于在光聲池上設(shè)置 有緩沖室，所述揚(yáng)聲器安裝在緩沖室上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跟蹤光聲池共振頻率的裝置，其特征在于所述信號(hào)發(fā) 生器是單頻信號(hào)發(fā)生器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跟蹤光聲池共振頻率的裝置，其特征在于所述信號(hào)發(fā) 生器是近單頻信號(hào)發(fā)生器。
5. —種利用權(quán)利要求1所述的跟蹤光聲池共振頻率的裝置跟蹤光聲池共振頻率的方 法，其特征在于包括如下步驟第一步，設(shè)置控制器的頻率跟蹤參數(shù)，包括N級(jí)掃頻、頻率范圍、跟蹤頻率和掃頻時(shí)間 間隔；第二步，控制器發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一定頻率的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲 器發(fā)出與電驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率一致的聲信號(hào)，并在光聲池內(nèi)部傳播；第三步，微音器檢測(cè)聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為與聲信號(hào)頻率相同的電信號(hào)輸出；第四步，檢波電路檢測(cè)微音器輸出的電信號(hào)的幅值和頻率，并將檢測(cè)出的電信號(hào)的幅 值和頻率輸出給控制器；第五步，控制器把接收到的幅值信號(hào)和與它對(duì)應(yīng)的頻率保存，并與接收到的下一個(gè)幅 值信號(hào)比較，保存較大的幅值和該幅值所對(duì)應(yīng)的頻率；第六步，完成第一級(jí)掃頻后，按第二步至第五步進(jìn)行第二級(jí)掃頻，如是重復(fù)，直到完成 設(shè)定的N級(jí)掃頻，最后獲得光聲池的共振頻率，完成一次頻率跟蹤；第七步，經(jīng)過設(shè)定的掃頻時(shí)間間隔后，自動(dòng)進(jìn)行下一次頻率跟蹤重復(fù)第二步至第六 步，最后獲得光聲池所需要精度的共振頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種跟蹤光聲池共振頻率的裝置及方法，采用多級(jí)掃頻原理，不但可以實(shí)現(xiàn)光聲池共振頻率的精確獲取，而且可以在較短時(shí)間內(nèi)通過較少個(gè)數(shù)的不同頻率的聲波，跟蹤獲取到光聲池的共振頻率；可以根據(jù)光聲氣體檢測(cè)的實(shí)際情況設(shè)置共振頻率跟蹤的范圍和精度，有效完成光聲池共振頻率的跟蹤；將揚(yáng)聲器安裝在共振光聲池的緩沖室或者共振段，微音器安裝在共振段，用光聲池分時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤和光聲信號(hào)共振檢測(cè)的功能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)在線、快速、準(zhǔn)確跟蹤光聲池的共振頻率，有效提高氣體的檢測(cè)靈敏度和抵抗環(huán)境噪聲干擾，為共振法光聲氣體檢測(cè)的實(shí)用化提供了途徑和手段。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101706411SQ20091031059
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者樂莉, 余玉江, 劉先勇, 李俊國, 王壽全, 胡文, 袁長(zhǎng)迎, 趙亮 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué);四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司