[发明专利]一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法

说明书

本发明公开了一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，包括硬件系统、控制策略与反演算法。硬件系统包括微控制器、频率合成器、10路信号输出通道、加法器、石英音叉、信号调理电路、模数转换器；控制策略包括：1、生成10路正弦信号并叠加；2、将叠加后的信号输入至石英音叉，对石英音叉输出信号进行数据采集及频谱分析，分别记录频率fsubgt;1/subgt;+n·Δfsubgt;1/subgt;处的频谱强度；3、对频谱强度数据进行洛伦兹线型拟合，计算拟合曲线的峰值对应的频率fsubgt;01/subgt;；4、设置频率增值为上一次测试中频率递增值的1/10，替换中心频率为上一次测试结果，重复步骤1、2、3。本发明有效地减少了石英音叉频率标定的测试时间，实现了石英音叉共振频率的快速准确测量。

技术领域

本发明属于光声光谱(PAS)技术领域，具体涉及一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法。

背景技术

光声光谱是基于光声效应的一种吸收光谱技术，探测的是目标气体样品吸收的光能量，具有较好的长期稳定性以及优良的线性度。对比其他光谱仪器具有灵敏度高、体积小等特点，目前该技术已被广泛应用于环境检测、工业控制、医疗诊断等多个领域。

光声光谱技术通常对可调谐半导体激光器注入电流施加低频扫描信号以及高频调制信号，高频调制信号频率设置为石英音叉共振频率的一半，出射光束经过目标气体后聚焦于石英音叉之上。当目标气体分子的吸收波段位于激光器调谐范围内时，石英音叉产生共振信号。对石英音叉共振信号进行放大滤波及锁相检测则可得到气体吸收的二次谐波信号，从而反演得到目标气体的浓度信息。

其中石英音叉已广泛应用于光声光谱的信号检测，其共振频率受环境温度、气压、湿度等参数影响，在测量过程中需频繁对其共振频率进行标定。使用传统方法进行频率标定时，向石英音叉一引脚输入频率为f的正弦输入信号，从另一引脚测量输出信号，保持正弦信号幅值不变，不断改变输入正弦信号的频率，使其连续递增或递减Δf，记录输出正弦信号的幅值。若输出正弦信号幅值在频率f0处达到最大，则认为f0为石英音叉的共振频率。

由于石英音叉输出稳定共振信号需要一定响应时间，且对标定信号频率的改变以及信号采集处理均需耗费时间，因此如果在较大频率范围内对石英音叉进行精确的频率标定则需要耗费较长时间。针对于实时在线测量应用，在频率标定过程中存在遗漏重要测量数据的风险。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统及方法，以实现石英音叉共振频率的快速测量，有助于保障光声光谱技术在实时在线测量中数据的连续性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统，包括微控制器、频率合成器、10路信号输出通道、加法器、石英音叉、信号调理电路、模数转换器；

微控制器设置频率合成器输出信号的频率及初始相位，10路输出通道分别产生10路独立的正弦标定信号；

通过加法器将10路独立的正弦标定信号叠加，得到混频信号；

生成的混频信号输入至石英音叉，通过信号调理电路，对石英音叉的输出信号进行信号调理与信号采集。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，混频信号从石英音叉的某一引脚输入，并从另一引脚输出至信号调理电路；信号调理电路对石英音叉的输出信号进行放大、滤波处理后输入至模数转换器，采集得到的数据由微控制器进行数据分析处理。

进一步地，10路正弦信号在叠加之后的电压幅值不超过加法器的供电电源。

一种应用于光声光谱的石英音叉频率快速标定系统的频率快速标定方法，包括以下步骤：

S1、通过频率合成器，产生10路独立的正弦标定信号；