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[发明专利]一种共振式石英增强双光梳光声光谱气体检测装置及方法-CN202310634279.8在审
发明人：董磊;武红鹏;王嘉鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2023-05-31 - 公布日： 2023-09-29 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种共振式石英增强双光梳光声光谱气体检测装置，装置包括双光梳源、声光移频组件、石英谐振组件、信号放大组件、相敏解调组件以及归一化组件；双光梳源作为光声效应的激发光源，其经声光移频组件实现实时频率偏移；经声光移频组件出射的双光梳源与气体分子作用后产生多外差声波，石英谐振组件提取其中的共振成分并将其转换为电学信号；产生的电学信号依次经过信号放大组件、相敏解调组件、归一化组件进行处理，由处理后信号实现对目标气体的成分辨别以及浓度反演。本发明通过改进双光梳光声光谱的结构和检测方式，完成了对双光梳光声光谱的共振式探测，通过声学、电学两级滤波，提高了系统的探测灵敏度，增大了系统的动态范围。
一种共振石英增强双光梳光声光气体检测装置方法

[发明专利]一种激光气体检测的微型数字锁相放大器-CN202310825426.X在审
发明人：董磊;武红鹏;贾锁堂 -专利权人：山西大学
申请日： 2023-07-06 - 公布日： 2023-09-15 - 主分类号： H03L7/18 文献下载
摘要：本发明公开了一种激光气体检测的微型数字锁相放大器，包括有时钟源、直接数字式频率合成器以及微处理器。时钟源产生方波振荡，一路送给直接数字式频率合成器，另一路经过二分频后送给微处理器。直接数字式频率合成器产生指定频率的振荡信号，分为两路，一路控制模数转换器对输入信号采样，另一路经过二分频后控制数模转换器产生正弦调制信号。数模转换器将采集到的信号传输到微处理器，在内部与正弦和余弦波形进行数字乘法运算和数字低通滤波算法，输出X和Y信号。本发明具有小型化、低功耗的特点，推动激光气体传感技术在众多领域的应用。
一种激光气体检测微型数字放大器

[发明专利]一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法-CN202310643413.0在审
发明人：董磊;武红鹏;王嘉鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2023-06-01 - 公布日： 2023-09-01 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种基于相位补偿的共振式双光梳光声光谱系统和方法，包括有双光梳源、分束器、气室、共振型声电换能器、前置放大器、光电探测器、正交检波器、双通道函数发生器、移相器以及锁相放大器；通过正交检波器提取出系统的各个梳齿对下转换后的相位波动信息，并通过移相器将其作用到双通道锁相放大器的二通道，作为锁相放大器的参考输入信号。在这个基础上，光声信号与参考输入信号的相位锁定，从而抑制了相位波动噪声对相敏解调过程的影响，提高了系统的信噪比，用该技术方案可以有效解决共振式双光梳光声光谱系统由于相位波动导致的灵敏度降低问题。
一种基于相位补偿共振式双光梳光声光谱系方法

[发明专利]一种光声传感装置及方法-CN202110373942.4有效
发明人：董磊;崔茹悦;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2021-04-07 - 公布日： 2023-03-24 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种光声传感装置及方法，该装置包括光源模块、多通池、光声信号探测及数据处理模块；所述多通池包括固定在笼式结构的两个笼板上的球面反射镜Ⅰ、反射镜Ⅱ，光源模块输出的激励光束被耦合至多通池内，通过两个球面反射镜将激励光束多次折叠，其轨迹分布在石英音叉的振臂间隙内的同一平面上，并在两个反射镜上产生单线分布的光斑图案；在多通池的光轴中心位置设置一个石英音叉，折叠光束沿着石英音叉对称轴产生多个声源，从而使石英音叉可同时受到多个声源的激励，有效收集更多的声波，增强光声信号输出。解决了传统石英增强光声光谱气体传感系统仅有一个声源导致的声场探测效率低，光声信号弱的技术难题。
一种传感装置方法

[发明专利]一种增强型光声传感装置及方法-CN202110373905.3有效
发明人：董磊;崔茹悦;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2021-04-07 - 公布日： 2022-12-30 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种增强型光声传感装置及方法，该装置设计的多通池由两个相同的球面反射镜组成，激励光束沿球面反射镜的边缘入射至多通池内，使激励光束被折叠多次，并且其轨迹在石英音叉的两侧呈现扇形分布，且汇聚于石英音叉振臂最佳响应区域，产生多个点声源，解决光束空间分布与音叉振臂响应位置失配问题，提高系统对光声信号的探测性能，从而避开内腔石英增强光声传感装置的模式锁定需求。该装置设计的锥型声腔为两个相同的圆台状声腔，且沿多通池光轴对称设置在石英音叉的两侧，可与呈现扇形分布的激励光束轨迹相匹配，对沿着光束轨迹产生的声能累积和收集，促进声腔和石英音叉之间的声能转移效率，解决石英增强光声光谱技术中声腔添加难题。
一种增强型光声传感装置方法

[发明专利]一种基于光声池的气体浓度检测装置及方法-CN202210984442.9在审
发明人： 武红鹏;冯超凡;董磊 -专利权人：山西大学
申请日： 2022-08-17 - 公布日： 2022-11-29 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明提供了一种基于光声池的气体浓度检测装置及方法，包括：探测模块、声源驱动模块和数据采集及处理模块；探测模块包括共振光声池，共振光声池内腔壁上设有声波信号发生机构、声波信号收集机构、进气口和出气口，进气口连接进气管路，出气口连接出气管路，声源驱动模块包括函数发生器和声波发生驱动器，当共振光声池通入待测气体后，数据采集及处理模块基于采集的声波信号和函数发生器输出的频率信号生成声波‑频率响应曲线，确定共振频率，根据共振频率和气体浓度的函数关系计算待测气体浓度。本发明解决基于传统光声光谱技术检测气体浓度时的效率低以及成本高的问题。
一种基于光声池气体浓度检测装置方法

[发明专利]一种基于压电材料的气体测量装置及方法-CN202110127194.1有效
发明人： 武红鹏;董磊;孙波;郭文安 -专利权人：山西大学
申请日： 2021-01-29 - 公布日： 2022-07-19 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种基于压电材料的气体测量装置及方法，该装置包括压电光声腔组件、隔音支撑组件、激励光源组件、光束整形组件以及信号处理组件。装置核心器件压电光致声波收集腔由压电材料制成，可实现对光致声波信号的高效收集探测；检测方法为激励光源输出的光束在光致声波收集腔内与目标气体相互作用产生光声信号，光声信号导致光致声波收集腔的体积周期性形变进而基于压电效应产生电信号，信号处理组件对信号进行处理获得气体浓度信息。本发明的光致声波收集腔，避免了宽频麦克风的使用，缩小了光声池的体积，降低了光声池的制备难度及成本，提高了光声信号的探测效率和装置对环境噪声的免疫力，实现了对目标气体的高精度探测。
一种基于压电材料气体测量装置方法

[发明专利]一种基于光声池声脉冲激励的气体检测装置及方法-CN202011626794.4有效
发明人： 武红鹏;董磊;卫婷婷;文钦佐·路易吉·斯帕格诺;安杰洛·桑保罗;彼得罗·帕蒂米斯科;玛丽莱纳·吉利奥 -专利权人：山西大学
申请日： 2020-12-31 - 公布日： 2022-05-31 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种基于光声池声脉冲激励的气体检测装置及方法，属于气体传感技术领域。该气体检测装置包括脉冲光声信号的激励光源模块、光声系统模块、数据采集及处理部分；本发明通过探测解调激励光源在光声池内激发的脉冲式光声信号获得拍频信号，实现对目标气体浓度和光声池电学参数的同步快速测量。解决了现有的基于共振型光声池的气体检测装置及方法存在的共振光声池共振频率等电学参数需要反复校准且装置响应时间长的问题。可用于国防科研、航天航空、工业过程控制等众多领域中的气体在线监测。
一种基于光声池声脉冲激励气体检测装置方法

[发明专利]矩形石英音叉以及基于矩形石英音叉的痕量气体探测装置-CN202110671818.6在审
发明人：董磊;尚智金;李尚志;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2021-06-17 - 公布日： 2021-10-01 - 主分类号： G01N21/31 文献下载
摘要：本发明属于气体传感技术领域，具体涉及矩形石英音叉以及基于矩形石英音叉的痕量气体探测装置，矩形石英音叉：在两个振臂的内侧设置有相互对称的矩形过孔，在所述振臂的顶端设置有锤状结构，以便于增加振臂的顶端质量，本发明在振臂内侧设计矩形过孔，使矩形石英音叉在很小的尺寸下实现了宽光束的清洁通过，保持了石英增强光声传感器的小型化特征；解决了商用标准石英音叉较窄的振臂间距限制了其与发散角较大的量子级联激光器或太赫兹光源的结合应用问题。
矩形石英音叉以及基于痕量气体探测装置

[发明专利]Ф型石英音叉以及基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置-CN202110673752.4在审
发明人：董磊;李尚志;尚智金;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2021-06-17 - 公布日： 2021-09-03 - 主分类号： G01N21/39 文献下载
摘要：本发明属于气体传感技术领域，具体涉及Ф型石英音叉以及基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，Ф型石英音叉：在两个振臂的内侧设置有相互对称的半椭圆形过孔；在所述振臂的顶端设置有锤状结构，以便于增加振臂的顶端质量，使振臂的质心上移；本发明通过在振臂内侧增加半椭圆形过孔解决了振臂间距较窄的商用标准石英音叉与发散角较大的红外激光光源或太赫兹激光光源的联用受限问题，同时本发明的Ф型石英音叉能在很小的尺寸下实现宽光束的清洁通过，保持了石英增强光声光谱传感器的原始小型化特征。
石英音叉以及基于痕量气体探测装置

[发明专利]一种具有密集光斑图案的多通池-CN201811499703.8有效
发明人：董磊;崔茹悦;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2018-12-09 - 公布日： 2021-05-14 - 主分类号： G01N21/03 文献下载
摘要：本发明属于光学探测领域，具体涉及一种具有密集光斑图案的多通池，包括球面入射镜M1和球面出射镜M2，所述球面入射镜M1和球面出射镜M2的焦距为50mm，入射光束在所述球面入射镜M1和球面出射镜M2上反射率高于98%，入射光束的光束直径为1mm，入射光束在球面入射镜M1上的初始入射角度为（6.42°，3.44°），所述球面入射镜M1上设置有光束入射孔，所述球面出射镜M2上设置有光束出射孔，所述入射光束从光束入射孔进入多通池后在球面入射镜M1和球面出射镜M2之间多次反射后从光束出射孔中射出，并在多次反射时在镜面上形成非相交圆环图案光斑。本发明提高了镜面的利用效率，使得可以以较低成本的镜面产生了更长的总光程长度。
一种具有密集光斑图案多通池

[发明专利]一种气体检测装置及方法-CN202010087714.6有效
发明人： 武红鹏;董磊;尚智金;李尚志;文钦佐·路易吉·斯帕格诺;安杰洛·桑保罗;彼得罗·帕蒂米斯科 -专利权人：山西大学
申请日： 2020-02-10 - 公布日： 2021-02-02 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明公开了一种气体检测装置及方法，该装置包括光源模块、类条形光束整形模块、光声信号探测模块和数据处理模块，类条形光束整形模块将激励光源整形为具有类条形光斑特性的激励光束，光声信号探测模块包括音叉式石英晶振及椭圆形声学谐振腔，具有类条形光斑特性的激励光束入射至光声信号探测装置并与待测气体作用产生的光声信号，光声信号在椭圆形声学谐振腔内共振增强后推动音叉式石英晶振的振臂振动产生电信号，通过探测电信号可反演出气体浓度；本发明采用类条形光束整形模块解决了传统圆形光斑光束整形难以及与音叉式石英晶振几何结构不匹配导致的音叉振臂感声面积利用率低的问题；椭圆形声学谐振腔进一步提高了声波耦合效率和探测灵敏度。
一种气体检测装置方法

[发明专利]一种多通池的设计方法-CN201811499704.2有效
发明人：董磊;崔茹悦;武红鹏;肖连团;贾锁堂 -专利权人：山西大学
申请日： 2018-12-09 - 公布日： 2020-07-10 - 主分类号： G02B27/00 文献下载
摘要：本发明属于光学探测领域，提出了一种具有密集光斑图案的球面镜多通池的设计方法，包括以下步骤：S1、确定光束最初入射到球面镜上的入射位置和入射方向；S2、通过不含傍轴近似的ABCD矩阵进行迭代运算，得到每次通过多通池的光线参数，所述光线参数包括光束在两个镜子上的三维坐标，光线倾斜角和光程长度，n表示通过次数；S3、将光束在两个镜子上的所有通过次数的光斑全部投影到x‑y平面上，观察光斑图案；S4、改变迭代次数，球面镜的距离，以及光束初始入射位置和入射方向，重复计算直至得到需要的光斑图案。本发明可以通过数值模拟光线在由一对球面镜组成多通池中反射和自由传输，从而产生丰富的光斑图案，并且提高了镜面的利用效率，使得在多通池的实际设计应用中节约成本。
一种多通池设计方法

[发明专利]基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法-CN201710234005.4有效
发明人：董磊;武红鹏;弗兰克·蒂特尔;肖连团;贾锁堂 -专利权人：山西大学
申请日： 2017-04-11 - 公布日： 2019-06-25 - 主分类号： G01N21/17 文献下载
摘要：本发明涉及一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置及方法。本发明的目的是解决现有的气体检测装置及方法在气体检测过程中存在的探测周期长、探测灵敏度不高且需要频繁校准石英晶振电学参数的技术问题。本发明的技术方案是：一种基于拍频效应的石英增强光声光谱气体检测装置，包括光声信号探测模块、气室、光源模块和数据采集模块；本发明通过探测石英音叉输出的压电信号与锁相放大器的解调信号经混频过程产生的拍频信号，可在毫秒量级的时间内精确获得石英晶振的电学参数以及待测气体的浓度，比现有技术中的石英增强光声光谱痕量气体检测装置快三个数量级，可用于环境监测、食品安全监测以及工业生产控制等领域的气体在线监测。
气体检测装置光声光谱石英拍频电学参数石英晶振工业生产控制光声信号探测痕量气体检测气体在线监测食品安全监测数据采集模块锁相放大器探测灵敏度待测气体个数量级光源模块过程产生毫秒量级解调信号拍频信号气体检测石英音叉探测周期压电信号校准混频可用气室环境监测探测输出

[发明专利]基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置-CN201410153732.4有效
发明人：董磊;武红鹏 -专利权人：山西大学
申请日： 2014-04-17 - 公布日： 2017-01-11 - 主分类号： G01H9/00 文献下载
摘要：本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。解决了目前测量音叉式石英晶振的固有频率时易受外界电磁环境影响使结果不准确的技术问题。一种基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，包括以下步骤：（a）对待测音叉式石英晶振采用激光光束进行激励；（b）在对激光光束强度调制的频率进行扫描的同时引入一束探测光；（c）采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号；（d）对反射光的电信号进行解调，根据频率响应曲线得到待测音叉式石英晶振的固有频率。本申请有效避免了环境噪声的干扰而且解决了狭小空间的探测难题。
基于激励音叉石英谐振频率测量方法装置

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