一种光声谱信号检测电路和石英音叉传感器

1.本发明涉及光声谱检测、传感器领域，具体为一种光声谱信号检测电路和石英音叉传感器。


背景技术：

2.光声谱技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱技术，在痕量气体检测、生物诊断、化学分析、大气监测等领域有着广泛的应用。目前主流的光声谱检测技术之一是采用石英音叉作为信号接收传感器，其原理是将调制正弦信号和扫描三角波信号叠加后驱动dfb激光器，调制后的扫描激光信号射入气室并产生光声效应，导致气室中的石英音叉发生振动，其输出的微弱压电信号(na级)通过跨阻放大器转化为电压信号，并通过后续的锁相放大器和解调处理，得到谐波信号和吸收峰值，并根据谐波信号和吸收峰值实现待测气体浓度的反演。根据参考文献“佟瑶，马欲飞.基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展[j].聊城大学学报(自然科学版)，2019，32(2)：34-41”、“李彪，董磊，武红鹏.音叉式石英晶振共振频率对qepas传感器性能影响的研究[j].光谱学与光谱分析，2019，39(10)：3056-3060”、“孙善文,易红明,王贵师,等.水气含量对基于qepas甲烷气体探测性能的影响[j].中国激光,2012,39(7):209-214.doi:10.3788/cjl201239.0715001”可知，现有的基于石英音叉的光声谱技术存在如下问题：
[0003]
石英音叉的响应最大值在其共振频率(q值)处，频带响应带宽非常小，石英音叉处于被动谐振，当被测信号过载(如待测气体中存在较大含量的水气)时，石英音叉的谐振频率明显偏移中心调制频率，导致灵敏度迅速下降，甚至使石英音叉无法振荡导致测量失败；受石英音叉参数个体不一致和暴露环境的影响，不同音叉的共振频率存在差异，使用事先设定的中心调制频率测量时往往偏离石英音叉的共振频率，导致石英音叉的谐振振幅变小，输出压电信号也变小，进而影响测量灵敏度和精度；此外易受热噪声、电磁等外界环境的干扰。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于克服基于石英音叉的光声谱测量方法的不足，提供一种基于频率测量的石英音叉光声谱信号检测电路和石英音叉传感器。本发明的技术方案如下：
[0005]
一种光声谱信号检测电路，包括对称型石英音叉传感器、高稳定有源晶振、dds信号发生电路、数字锁相芯片、计数器、跨阻放大器、电阻r1、整形电路、第一带通滤波器、第二带通滤波器、数模转换芯片、微控制器、频率测量电路、压控放大电路。
[0006]
对称型石英音叉传感器的一只引脚和跨阻放大器的正输入端连接，跨阻放大器的输出端和第二带通滤波器连接，并通过电阻r1反馈到正输入端，跨阻放大器的负输出端接地，第二带通滤波器输出信号送入整形电路，整形电路的输出信号送入数字锁相芯片的φa1脚，高稳定有源晶振输出连接dds信号发生电路、dds信号发生电路的输出接入数字锁相芯片的kcp、idcp脚，数字锁相芯片的xorpt脚和d/u脚相连、idout脚和计数器的clk连接，数
字锁相芯片的a、b、c、d脚由微控制器控制，计数器的clkout连接数字锁相芯片的φb脚和第一带通滤波器，第一带通滤波器的输出连接频率测量电路和压控放大电路的输入端，频率测量电路的输出连接微控制器，微控制器连接控制数模转换芯片，数模转换芯片的输出电压接入压控放大电路的电压控制端，压控放大电路输出端连接对称型石英音叉传感器的另一只引脚。
[0007]
进一步地，第二种光声谱信号检测电路包括对称型石英音叉传感器、高稳定有源晶振、dds信号发生电路、数字锁相芯片、计数器、跨阻放大器、电阻r1、整形电路、第一带通滤波器、第二带通滤波器、数模转换芯片、微控制器、频率测量电路、压控放大电路、真有效值转换芯片、差分放大器、pi电路、低通滤波器。
[0008]
对称型石英音叉传感器的一只引脚和跨阻放大器的正输入端连接，跨阻放大器的输出端和第二带通滤波器连接，并通过电阻r1反馈到正输入端，跨阻放大器的负输出端接地，第二带通滤波器输出信号送入整形电路和真有效值转换芯片，整形电路的输出信号送入数字锁相芯片的φa1脚，高稳定有源晶振输出连接dds信号发生电路、dds信号发生电路的输出接入数字锁相芯片的kcp、idcp脚，数字锁相芯片的xorpt脚和d/u脚相连、idout脚和计数器的clk连接，数字锁相芯片的a、b、c、d脚由微控制器控制，计数器的clkout连接数字锁相芯片的φb脚和第一带通滤波器，第一带通滤波器的输出连接频率测量电路和压控放大电路的输入端，频率测量电路的输出连接微控制器，微控制器连接控制数模转换芯片，数模转换芯片的输出电压接入差分放大器的负输入端，真有效值转换芯片的输出接入差分放大器的正输入端，差分放大器的输出端连接pi电路的输入端，pi电路的输出端连接低通滤波器，低通滤波器的输出端连接压控放大电路的电压控制端，压控放大电路输出端连接对称型石英音叉传感器的另一只引脚。
[0009]
优选地，所述数字锁相芯片型号为cd74act297m96,或者同类功能芯片；
[0010]
优选地，所述计数器采用cpld实现，或者同类功能芯片；
[0011]
优选地，所述压控放大电路采用ad603芯片实现，或者同类功能芯片；
[0012]
优选地，所述真有效值转换芯片为ad737，或者同类功能芯片。
[0013]
进一步地，所述石英音叉传感器的另一种结构由第一悬臂、第二悬臂和第二悬臂顶端的矩形块组成，第一悬臂宽度大于第二悬臂，形成非对称结构。第一悬臂和第二悬臂的悬臂长度为3-5mm、厚度为0.2-0.3mm，第一悬臂的宽度为0.3-0.8mm，第二悬臂的宽度为0.1-0.3mm。第一悬臂和第二悬臂之间的间隙为0.3-1mm，第二悬臂顶端的矩形块厚度为0.2-0.3mm，宽度为0.5-1.2mm，高度为0.5-1mm。
[0014]
本发明的有益效果是：
[0015]
⑴
只需要扫描激光波长，不需要额外加调制信号、高精度的adc和锁相放大电路，电路结构更简单、成本也更低。
[0016]
⑵
传统光声谱检测方法检测时石英音叉处于被动谐振，输出信号非常弱，当信号偏离中心谐振频率大(如信号过载)时，衰减明显，灵敏度迅速下降，甚至出现石英音叉无法振荡的情况。本发明采用主动激励石英音叉谐振，能自动跟踪石英音叉的谐振频率，并且只测量频率信号而不是幅度信号，因此检测灵敏度、精度受石英音叉的振动幅度、q值和带宽的影响较小，出现停振的概率小。
[0017]
⑶
因测量的是频率信号，不会因为不同的石英音叉参数性能不一致而严重影响测
量灵敏度和精度。
[0018]
⑷
因采用了高稳定度的信号源和数字锁相功能的主动激励方法，对各类环境干扰因素，如热噪声、电磁等抑制效果好、系统稳定性更高。
附图说明
[0019]
附图1为第一种光声谱信号检测电路原理框图。
[0020]
附图2为第二种光声谱信号检测电路原理框图。
[0021]
附图3为非对称石英音叉传感器结构示意图。
[0022]
附图4为传统的光声谱信号检测方法测量特定甲烷浓度下改变水气浓度(湿度)时输出信号曲线。
[0023]
附图5为传统的光声谱信号检测方法在特定甲烷浓度下水气浓度(湿度)和检测输出信号峰值的关系。
[0024]
附图6为传统的光声谱信号检测方法在特定甲烷浓度下水气浓度(湿度)和频率输出的关系。
[0025]
附图7为本发明采用第一种光声谱信号检测电路原理框图在特定甲烷浓度下水气浓度(湿度)和频率输出的关系。
[0026]
附图8为本发明在特定甲烷浓度、不同水气浓度(湿度)下石英音叉传感器通过跨阻放大和带通滤波后的频率输出波形。
[0027]
附图9为采用对称和非对称石英音叉传感器测量不同水气浓度(湿度)下频率输出曲线对比。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所限定的范围。
[0029]
如图1所示，第一种光声谱信号检测电路包括对称型石英音叉传感器2、高稳定有源晶振3、dds信号发生电路4、数字锁相芯片5、计数器6、跨阻放大器7、电阻r1、整形电路8、第一带通滤波器9、第二带通滤波器10、数模转换芯片11、微控制器12、频率测量电路13、压控放大电路14。
[0030]
对称型石英音叉传感器2的一只引脚和跨阻放大器7的正输入端连接，跨阻放大器7的输出端和第二带通滤波器10连接，并通过电阻r1反馈到正输入端，跨阻放大器7的负输出端接地，第二带通滤波器10输出信号送入整形电路8，整形电路8的输出信号送入数字锁相芯片5的φa1脚，高稳定有源晶振3输出连接dds信号发生电路4、dds信号发生电路4的输出接入数字锁相芯片5的kcp、idcp脚，数字锁相芯片5的xorpt脚和d/u脚相连、idout脚和计数器6的clk连接，数字锁相芯片5的a、b、c、d脚由微控制器12控制，计数器6的clkout连接数字锁相芯片5的φb脚和第一带通滤波器9，第一带通滤波器9的输出连接频率测量电路13和压控放大电路14的输入端，频率测量电路13的输出连接微控制器12，微控制器12连接控制数模转换芯片11，数模转换芯片11的输出电压接入压控放大电路14的电压控制端，压控放
大电路14输出端连接对称型石英音叉传感器2的另一只引脚。
[0031]
进一步地，图2是在图1基础上改进的第二种光声谱信号检测电路，包括对称型石英音叉传感器2、高稳定有源晶振3、dds信号发生电路4、数字锁相芯片5、计数器6、跨阻放大器7、电阻r1、整形电路8、第一带通滤波器9、第二带通滤波器10、数模转换芯片11、微控制器12、频率测量电路13、压控放大电路14、真有效值转换芯片15、差分放大器16、pi电路17、低通滤波器18。
[0032]
对称型石英音叉传感器2的一只引脚和跨阻放大器7的正输入端连接，跨阻放大器7的输出端和第二带通滤波器10连接，并通过电阻r1反馈到正输入端，跨阻放大器7的负输出端接地，第二带通滤波器10输出信号送入整形电路8和真有效值转换芯片15，整形电路8的输出信号送入数字锁相芯片5的φa1脚，高稳定有源晶振3输出连接dds信号发生电路4、dds信号发生电路4的输出接入数字锁相芯片5的kcp、idcp脚，数字锁相芯片5的xorpt脚和d/u脚相连、idout脚和计数器6的clk连接，数字锁相芯片5的a、b、c、d脚由微控制器12控制，计数器6的clkout连接数字锁相芯片5的φb脚和第一带通滤波器9，第一带通滤波器9的输出连接频率测量电路13和压控放大电路14的输入端，频率测量电路13的输出连接微控制器12，微控制器12连接控制数模转换芯片11，数模转换芯片11的输出电压接入差分放大器16的负输入端，真有效值转换芯片15的输出接入差分放大器16的正输入端，差分放大器16的输出端连接pi电路17的输入端，pi电路17的输出端连接低通滤波器18，低通滤波器18的输出端连接压控放大电路14的电压控制端，压控放大电路14输出端连接对称型石英音叉传感器2的另一只引脚。
[0033]
优选地，所述数字锁相芯片5型号为cd74act297m96，或者同类功能芯片；
[0034]
优选地，所述计数器6采用cpld实现，或者同类功能芯片；
[0035]
优选地，所述压控放大电路14采用ad603芯片实现，或者同类功能芯片；
[0036]
优选地，所述真有效值转换芯片15为ad737，或者同类功能芯片。
[0037]
进一步地，如图3所示为石英音叉传感器2的另一种结构方案，所述石英音叉传感器2由第一悬臂21、第二悬臂22和第二悬臂22顶端的矩形块23组成，第一悬臂21宽度大于第二悬臂22，形成非对称结构。第一悬臂21和第二悬臂22的悬臂长度为3-5mm、厚度为0.2-0.3mm，第一悬臂21的宽度为0.3-0.8mm，第二悬臂22的宽度为0.1-0.3mm。第一悬臂21和第二悬臂22之间的间隙为0.3-1mm，第二悬臂22顶端的矩形块23厚度为0.2-0.3mm，宽度为0.5-1.2mm，高度为0.5-1mm。
[0038]
实施例1
[0039]
如图1所示的第一种光声谱信号检测电路，高稳定有源晶振3向dds信号发生电路4提供稳定的时基信号，dds信号发生电路4产生的信号通过数字锁相芯片5、计数器6和第一带通滤波器9后，由压控放大电路14输出并激励对称型石英音叉传感器2的另一只引脚。射入气室的扫描激光1从对称型石英音叉传感器2的中间缝隙穿过，对称型石英音叉传感器2的一只引脚受光声效应的影响产生振动，输出信号通过跨阻放大器7和第二带通滤波器10后接入整形电路8，气室中的气体浓度发生变化时，均会导致整形电路8输出的频率信号发生改变，变化的频率信号通过数字锁相芯片5和计数器6实现锁频跟踪，锁频跟踪后的信号通过第一带通滤波器9和压控放大电路14后再次激励对称型石英音叉传感器2的另一只引脚，由此上述电路形成一个闭环回路。第一带通滤波器9输出的频率信号通过频率测量电路
13测量后，由微控制器12读取。通过频率测量电路13测得的频率信号可反演气室中气体浓度。微控制器12通过数模转换芯片11设定压控放大电路14的电压放大倍数，主动控制对称型石英音叉传感器2驱动信号幅度，防止被测信号过载时对称型石英音叉传感器2无法振荡导致测量失败。
[0040]
为了说明本发明的优越性，本实施例和传统的光声谱信号检测方法进行了对比。传统的光声谱信号检测方法实验装置参考“李彪，董磊，武红鹏.音叉式石英晶振共振频率对qepas传感器性能影响的研究[j].光谱学与光谱分析，2019，39(10)：3056-3060”。测试时，将质量浓度为452mg/m3的标准ch4气体与零空气(n2与o2的体积比为78％：22％)混合。数模转换芯片11设定输出电压为5v。图4为传统光声谱信号检测方法测得的改变水气浓度(湿度)时频率信号和输出信号的曲线图。当水气浓度(湿度)为65％时，信号波动明显，增加到75％时，已无法测量出结果。图5是将图4中的检测输出信号峰值和水气浓度(湿度)建立的关系图。图6是将图4中的检测输出信号峰值所在的频率点和水气浓度(湿度)建立的关系图。可见随着水气浓度(湿度)增大，检测输出信号峰值变小，频率也在变小。图7为本发明在改变水气浓度(湿度)后，频率输出的变化，可见当水气浓度(湿度)增加时，频率信号变小。和传统测量方法不同的是，当水气浓度(湿度)为75％时，传统方法已无法测量出结果，而本实施例仍然可以测得结果。
[0041]
实施例2
[0042]
如图2所示的第二种光声谱信号检测电路，高稳定有源晶振3向dds信号发生电路4提供稳定的时基信号，dds信号发生电路4产生的信号通过数字锁相芯片5、计数器6和第一带通滤波器9后，由压控放大电路14输出并激励对称型石英音叉传感器2的另一只引脚。射入气室的扫描激光1从对称型石英音叉传感器2的中间缝隙穿过，对称型石英音叉传感器2的一只引脚受光声效应的影响产生振动，输出信号通过跨阻放大器7和第二带通滤波器10后接入整形电路8，气室中的气体浓度发生变化时，均会导致整形电路8输出的频率信号发生改变，变化的频率信号通过数字锁相芯片5和计数器6实现锁频跟踪，锁频跟踪后的信号通过第一带通滤波器9和压控放大电路14后再次激励对称型石英音叉传感器2的另一只引脚，由此上述电路形成一个闭环回路。第一带通滤波器9输出的频率信号通过频率测量电路13测量后，由微控制器12读取。通过频率测量电路13测得的频率信号可反演气室中气体浓度。对称型石英音叉传感器2输出信号通过第二带通滤波器10后接入真有效值转换芯片15，并与微控制器12通过数模转换芯片11设定的电压进行差分放大，差分放大器16将差分放大的信号通过pi电路17和低通滤波器18后形成压控放大电路14的增益控制电压，主动控制对称型石英音叉传感器2驱动信号幅度，防止被测信号过载时石英音叉无法振荡导致测量失败。
[0043]
为了说明本实施例的优越性，本实施例和实施例1进行了对比。测试时，质量浓度为452mg/m3的标准ch4气体与零空气(n2与o2的体积比为78％：22％)混合。数模转换芯片11设定输出电压为5v。如图8所示为不同水气浓度(湿度)下输入整形电路8的波形。在水气浓度(湿度)1％时，实施例1和实施例2的输入整形电路8的信号幅度均为92mv(0-200us)。当在水气浓度(湿度)65％，采用实施例1的电路时，输入整形电路8的信号幅度(上半图)约为23mv(200-400us)，采用实施例2的电路时，输入整形电路8的信号幅度(下半图)约为91mv(200-400us)。当在水气浓度(湿度)80％，采用实施例1的电路时，输入整形电路8的信号幅
度(上半图)已变形，无法检测出频率(400-600us)，采用实施例2的电路时，输入整形电路8的信号幅度(下半图)约为10mv，波形仍然较为完整(400-600us)。
[0044]
实施例3
[0045]
将实施例1或实施例2中的对称型石英音叉传感器2替换为如图3所示的非对称石英音叉传感器，对应的电路保持不变，其它测试条件不持不变。图9为采用实施例1的电路，分别使用对称型石英音叉和非对称石英音叉传感器测量。可见，当水气浓度(湿度)从65％变到75％时，非对称石英音叉传感器频率变化量约为1hz，而对称型石英音叉传感器频率变化量约为0.5hz。因此非对称石英音叉传感器具有更高的探测灵敏度。
[0046]
以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。