石英晶体的光声光谱法CO2浓度检测技术研究

陈 亮，周海龙

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

石英晶体的光声光谱法CO2浓度检测技术研究

陈 亮，周海龙

(沈阳理工大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

利用光声光谱技术对CO2进行浓度检测过程中的精度问题进行研究，提出光纤光路石英增强光声光谱系统方案，利用与CO2光声中心频率范围内的激光器发射的激光产生声波，使石英音叉晶振产生谐振，通过石英音叉的压电效应检测到电信号并通过锁相放大器进行信号放大，利用互相关法抑制过程噪声，达到检测微量级CO2高精度浓度的目的。实验结果表明，石英晶体的光声光谱法检测CO2浓度达到了ppm量级。

锁相放大器；光声光谱；石英音叉；压电效应；互相关法

随着科学技术与经济的不断发展，能源与环境问题日益突出，CO2气体的浓度检测逐渐成为了研究的热点。光声光谱法由于其精度高、抗干扰能力强、设备简单，已经成为检测CO2气体浓度的主流趋势。在国外，巴西M.S.Sthel等人[1]利用CO2激光器对氨气的检测精度达到了数十ppm级别。意大利Aime Lay-Ekuakille等人[2]设计制作了关于生物医疗相关气体检测的实验装置，能检测到2ppm量级的待测气体。在国内,徐春梅等人[3]在光声光谱法测量煤矿瓦斯气体的实验中，通过定量分析模型将干扰气体自动扣除。李劲松等人[4]通过对光声池的性能及分子弛豫效应对光声探测CO2信号的灵敏度方面进行分析。光声光谱气体检测的研究越来越面向实际应用，激光光源及光声光谱仪的快速发展也为光声光谱气体检测开阔了更加广阔的前景。

相比较之前对CO2气体的光声检测方法，本文提出了一种新的方法—用石英音叉来检测CO2气体的浓度。在误差处理过程中，采取互相关检测法对微弱信号进行噪声处理，在强噪声中提取光声信号。通过上述方法，实现了对CO2气体浓度高精度检测的目的。

1 石英增强型光声光谱检测CO2气体系统设计

本文所建立的石英增强型光声光谱系统框架如图1所示，系统主要由以下四个模块组成：光声激光发射模块、光纤传感器探测模块、数字锁相放大器、仿真模块(函数发生器)。使用连续可调的近红外DFB半导体激光作为激发光声信号的光源，通过激光控制器来控制激光器的电流和温度。使用共振频率为94.339kHz的石英音叉探测光声信号，函数发生器产生的正弦波(f/2)用来调制激光，使激光器产生一个频率为f、一个周期内两次经过吸收峰位置的激光，受调制的激光用一个准直透镜进行准直后再用一个聚焦透镜L把激光聚焦到石英音叉中央。由于激光的频率达到了CO2的光声中心振荡频率使其产生光声声波，并在石英音叉的作用下发生光声谐振。由于石英音叉相当于一个振荡介质，因此发生压电效应产生压电电流，并通过一个反馈信号放大器进行信号放大，产生一个电压信号。经过放大器放大后的信号用锁相放大器在频率f处进行解调，即得到QEPAS信号。解调后的QEPAS信号通过安装有数据采集卡的电脑进行采集和处理。

1.1 光声激光发射模块

本系统光源采用近红外分布反馈式(DFB)半导体激光器。由于其价格低廉、体积小、易于集成到系统中、易与光纤耦合、单模输出、室温工作、通过改变电流既可改变激光输出波长等优点，使其特别适合用于石英增强型光声光谱检测CO2系统的光源。

图1 系统结构图

1.2 光纤传感器探测模块

光纤传感器的解调原理是依据石英音叉与探测光纤端面的空隙中央之间形成一个光声腔体，通过波长相适应的激光光束从探测光纤进入到光声腔内形成多光束干涉。

1.3 石英音叉模块

石英由硅原子和氧原子组合成的二氧化硅结晶型态，具有高硬度和高熔点的特性。石英音叉由压电材料石英晶体制作而成，把晶片做成音叉形状，构成石英音叉型晶振。

1.4 前置信号放大器

石英音叉产生的信号比较微弱，同时带有杂波的干扰，因此必须在锁相放大器前进行信号的放大和滤波处理，产生一个干净的光声电信号。

1.5 锁相放大器模块

数字锁相放大器的核心器件是一款ARM芯片STM32，其最大主频达到72MHz，典型的实时数字锁相放大器系统如图2所示。将输入的模拟信号x(t)的带宽经过滤波器进行滤波处理，ADC将经过滤波之后的x(t)通过固定的算法转换成数字信号x(n)。此时，STM32系统将接收到的数字信号进行ADC处理，产生一个输出数字信号y(n)，再经过DAC转换成模拟信号，之后再通过低通滤波器对输出的数字信号进行滤波处理，产生一个输出模拟信号y(t)，得到最终实验测得的锁相放大之后的信号。锁相放大系统主要由以下几部分组成：(1)将模拟输入信号进行抗混叠滤波带限之后发送给STM32系统中的A/D转换器；(2)STM32输入与待测的模拟信号频率相同的参考信号，并收集被噪声所干扰的信号与参考信号；(3)STM32将接收到的同频信号移相位处理后作相关运算和数字低通滤波处理；(4)将最终的直流分量经过D/A转换成模拟信号同时发送给上位机进行数据采集与处理。

图2 数字锁相放大器

1.6 函数发生器模块

因为石英音叉的振动带宽非常窄，解调出来的频率必须与石英音叉的起振频率非常吻合，因此对函数发生器的输出精度要求很高，选用能输出4～5000Hz的正弦波，并要求精度达到1uHz的函数信号发生器。

2 石英音叉增强型光声光谱系统性能分析

传统的光声光谱检测系统除了采用声学共振腔之外，同时还要使用微音器作为声传感器对声波信号进行探测。然而，在石英增强光声光谱中，石英音叉不仅能累积光声能量，同时能探测光声信号，更重要的是石英音叉由于其响应带宽窄、品质因数高等特点，使其拥有极强的噪声免疫能力。

由于光声信号在检测中十分微弱，需最大限度的得到光声信号。当激光通过含有CO2混合气体时，由石英音叉不同位置所得到的光声信号的强度不同，实验研究过程中，对不同光路位置产生的QEPAS信号进行检测，在光束位置处于石英音叉狭缝开口下方0.8mm得到最大的输出信号[5]。

3 互相关法增强CO2检测浓度的精度

由于被测的光电信号十分微弱且信号可近似等效成一个正弦波形的周期信号，因此选用相关法对信号进行处理。由于互相关检测的抗干扰能力强于自相关检测，本系统选择互相关检测。

(1)

式中互相关函数z(t)、u(t)是时延为τ的两个函数之间的时间t的积分。互相关函数能有效抑制与锁相放大器的参考信号不相关的噪声信号，尤其适用于检测微量气体高精度浓度方面。

本文用ARM芯片STM32系统实现A/D转换，并对信号进行处理，其系统实现流程图如图3所示。

图3 互相关法实现流程图

通过定点采集离散CO2的光声电信号，运用互相关算法得到相对的去除噪声之后的光声信号。设其中预测信号为Vs(k)=Asin(2πft+ψ),根据采样定理fs=N×f,其中预测频率为f；采样频率为fs。则离散待测信号Vs(k)可表示为

Vs(k)=Asin(2πk/N+ψ)

(2)

将待测信号分解为一个正弦信号sin(2πf0t)和一个余弦信号cos(2πf0t)，进行同步采样，得

Vrs(k)=sin(2πk/N)，Vrc(k)=cos(2πk/N)

(3)

(4)

(5)

式中，Rxrs为待测的离散信号Vs(k)与正弦信号Vrs(k)的离散互相关函数；Rxrc为待测的离散信号Vs(k)与余弦信号Vrc(k)的离散互相关函数。

由式(4)、(5)可得预测信号的振幅和相位：

(6)

4 实验测试

搭建石英音叉增强型光声光谱检测CO2气体浓度的实验系统平台后，调节激光发生器的频率，通过STM32自带的14位ADC进行模数转换，将接收到的电压值通过一定的算法转换成CO2浓度，将结果显示到LCD显示屏上，当调节激光发生器的频率接近CO2的光声中心震荡频率(94.334kHz)时，检测到的光声电信号最强；在光声中心震荡频率附近选取几点，运用互相关算法进行噪声处理，得到相对纯净的CO2光声电信号，外界大气良好的情况下得到的光声电信号为16mV，空气中CO2的浓度为0.0385%，即385ppm。在密闭空间中，增加CO2气体的含量，再用石英音叉增强型光声光谱气体检测系统进行检测，当激光频率达到94.334kHz时，检测到的最强的光声电信号的值如表1所示。

表1 不同CO2浓度时检测到的光声电信号

表1中，CO2浓度的真值为采用英国沃特森DR70CD系列智能在线式二氧化碳检测仪测得的值(精度为0.65%)。由表1可知，当CO2浓度逐渐升高时，检测到的光声电信号越强，且近似满足一元线性关系，通过A/D转换将检测得到的电压值转为CO2的浓度值。在A/D转换算法中，设CO2的浓度为Nv(ppm),光声电信号为Ig(mv),正比例系数为Kg，偏移量Wn(Wn值在800～850之间选取)，通过观察大量数据可将检测到的电压信号的值与CO2的浓度值之间近似形成如下关系式：Nv=KgIg-Wn(Kg约为75)。将检测到的电压信号利用上述关系式带入到A/D转换中，输出CO2的浓度值，与真值对比发现误差接近2%左右。

对系统整体进行误差分析。由于产生误差的原因很多，对本光声系统而言误差主要来源于以下两个方面：

(1) STM32 A/D转换精度产生的误差

STM32系统的ADC为逐次逼近型的14位模数转换模块，此ADC模块要求输入模拟电压信号的范围为0～3.3V，参考电压取最大值3.3V，A/D转换的最大精度为0.003523，A/D转换误差为0.0934%。

(2) 前端放大滤波电路产生的干扰误差

由于光声信号十分微弱，因此要将光声信号进行放大处理，而放大电路会产生噪声误差，其失调电压及失调电流对光声信号的精度形成主要影响。

5 结论

采用石英音叉作为介质检测CO2气体的浓度，在误差处理中采用微弱信号检测方法—互相关检测法，最大限度的抑制了在CO2浓度检测过程中产生的干扰噪声的影响。整个光声检测系统使测量CO2浓度达到了ppm量级，有利于人们将其应用到更广阔的领域。

[1]M.S.Sthel,D.U.Schramm.CO2laser photoacoustic detection of ammonia emitted by ceramicindustries[J].Spectrochimica Acta,2000,23(5):1517-1520.

[2]Aime Lay-Ekuakile,Giuseppe Vendramin.LED-based sensing system for biomedical gas monitoring:Design andexperimentation of a photoacoustic chamber[J].Sensors and Actuators,2006,13(3):123-125.

[3]徐春梅，刘先勇，袁长迎，等.激光光声光谱法测量煤矿瓦斯气体的研究[J].激光技术，2001,25(4):326-328.

[4]李劲松，刘琨，张为俊，等.近红外波段CO2分子弛豫动力学效应对光声信号的影响[J].光谱学与光谱分析,2008,28(8):308-311.

[5]朱永，鲍伟义.石英增强光声光谱技术研究与探索[J].光谱学与光谱分析，2011,8(5):19-24.

(责任编辑：赵丽琴)

The Technology of Detection of CO2Concentration Based on Photoacoustic Spectroscopy of Quartz Crystal

CHEN Liang，ZHOU Hailong

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By using photoacoustic spectroscopy technology detect the concentration of CO2of the accuracy problem,puts forward the optic quartz enhanced photoacoustic spectroscopy system scheme,use and frequency range of CO2in the center of photoacoustic laser emitted by the laser generated acoustic waves,make the quartz tuning fork crystal resonant,through the piezoelectric effect of quartz tuning fork to detect electrical signals and by lock-in amplifier for signal amplificatio,using cross-correlation method inhibits the process noise,achieve high accuracy detection of trace level CO2concentration objective.Experimental results show that the concentration of photoacoustic spectroscopy detection of CO2quartz crystal to the order of ppm.

phase-lockedamplifier;photoacoustic spectroscopy;quartz tuning fork;piezoelectric effect;cross-correlation method

2014-03-04

陈亮(1979—)，男，副教授，研究方向：智能检测与信息处理.

1003-1251(2015)02-0061-04

O659.34

A