專利名稱：一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及農田多種氣體監測技術，具體是基于離軸石英音叉增強型光聲光譜技術的農田多種氣體實時在線監測裝置。
背景技術：
隨著全球氣候的變暖，大氣中的甲烷、二氧化碳、氧化亞氮和氯氟烴等溫室氣體的排放引起人們的普遍關注。農田是重要的溫室氣體排放源之一，長期淹水的農田可經過發酵作用產生甲烷，土壤中的有機質經微生物分解，釋放出二氧化碳，全球一半以上的氧化亞氮來自農田土壤的硝化和反硝化過程。確定農田溫室氣體的排放量并探尋減排方法已經成為世界各國的當務之急。目前，對于農田釋放的溫室氣體檢測主要采用氣相色譜的方法檢測。該方法需要采樣，且采樣時間長，難以做到實時在線監測。光聲光譜方法具有零背景、選擇性好、靈敏度高、動態范圍大等優點，是實現農田釋放氣體實時在線監測的有效方法，且選擇合適的光源可以實現多種氣體同時監測。發明內容
為解決上述背景技術問題，本發明提出了一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，該檢測裝置檢測速度快，能夠實現多種氣體實時在線監測。
為實現上述目的，本發明提供一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，包括超輻射發光二極管、二極管控制器、函數發生器、光譜儀、離軸石英音叉增強型光聲池、功率計、加法器、鎖相放大器和數據采集卡以及筆記本電腦，其特征在于:所述的超輻射發光二極管通過電纜線與二極管控制器相連，所述的函數發生器通過IEEE488數據線與所述的二極管控制器相連，所述的離軸石英音叉增強型光聲池中設有兩個石英音叉，所述的兩個石英音叉通過電線分別經過前置放大器與加法器相連；
所述的加法器將分別與兩個石英音叉相連的前置放大器所得到的信號進行相加運算；
所述的加法器通過電纜線與鎖相放大器相連，通過鎖相放大器將加法器所得到的信號進行解調；
所述的函數發生器通過電纜線與鎖相放大器相連，給鎖相放大器提供參考信號；
所述的鎖相放大器通過電纜線與數據采集卡相連，所述的鎖相放大器將得到的信號進行解調后傳輸至數據采集卡；
所述的離軸石英音叉增強型光聲池與功率計之間設有一聚集透鏡，通過聚焦透鏡收集經過離軸石英音叉增強型光聲池后的光功率，所述的功率計通過電纜線與數據采集卡相連，通過采集卡將采集到的功率數據用于光聲信號的歸一化；
所述的數據采集卡通過IEEE488數據線與筆記本電腦相連，所述的數據采集卡將所采集到的數據通過筆記本電腦來進行存儲；
所述的光譜儀通過USB接口與筆記本電腦相連。
所述的超輻射發光二極管與離軸石英音叉增強型光聲池之間設有分束鏡和聚集透鏡，所述的分束鏡傾斜小于45°的角度設置在所述的聚集透鏡的前方，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸至離軸石英音叉增強型光聲池內，所述的分束鏡與光譜儀之間也設有一聚集透鏡，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸給光譜儀。
所述的離軸石英音叉增強型光聲池包括:管狀諧振腔、兩個石英音叉和氣體池，所述的管狀諧振腔中間位置對稱開有兩個小孔，所述的管狀諧振腔安裝在兩個石英音叉之間，所述的管狀諧振腔與超輻射發光二極管所發出的光束同軸，所述的聚集透鏡的焦點正好位于所述管狀諧振腔的正中央，所述的兩個石英音叉雙臂均與管狀諧振腔平行。
所述管狀諧振腔和兩個石英音叉都安裝在氣體池內的底座上，所述的氣體池開設有入射窗口、出射窗口和進氣口以及出氣口，所述的入射窗口和出射窗口處各設置有一塊藍寶石窗片，所述的進氣口通過進氣管和進氣閥與空氣過濾器相連，所述的出氣口通過出氣管和出氣閥與另一個空氣過濾器相連，所述的入射窗口與出射窗口相互對稱，進氣口與出氣口相互對稱，所述的空氣過濾器過濾大氣中的氣溶膠顆粒，所述的藍寶石窗片也可以是氟化鈣窗片。
所述的超輻射發光二極管和二極管控制器以及其它用電元件均采用鋰電池進行供電，所述超輻射發光二極管具有寬光譜、高能量、低噪聲和小發散角等優點，其能量是傳統鹵素鎢燈能量的IO6倍，其波長在1350nm-1800nm之間，完全在近紅外區域，且由于具有良好的方向性，光源能量能夠被充分利用。
綜上所述本發明的有益效果具有以下幾點:
1、采用寬帶超輻射發光二極管作為光源，可以實現多種氣體同時檢測，例如甲烷、二氧化碳和氧化亞氮；
2、石英音叉探測到的信號與氣體的濃度成正比，采用兩個石英音叉作為聲探測元件，可以增強探測到的信號，從而有效提高探測靈敏度；
3、石英音叉由于其共振頻率高(32.76kHz)能夠很好地排除外界干擾，可以在開放環境下工作，無需采樣；
4、進氣口、出氣口裝有空氣過濾器，可以減小在開放環境下空氣中的氣溶膠顆粒對氣體池、管狀諧振腔和石英音叉的污染；
5、關鍵的元件安裝在恒溫箱中，可以減小外界溫度變化對光聲探測的影響，滿足農田工作的需要。
圖1是本發明的系統結構示意圖2是本發明石英音叉和管狀諧振腔放大結構示意圖3是本發明氣體池放大結構示意圖4是本發明石英音叉和管狀諧振腔放大立體結構圖。
具體實施方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
如圖1-4所示，一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，包括超輻射發光二極管、二極管控制器、函數發生器、光譜儀、離軸石英音叉增強型光聲池、功率計、加法器、鎖相放大器和數據采集卡以及筆記本電腦，其特征在于:所述的超輻射發光二極管通過電纜線與二極管控制器相連，所述的函數發生器通過IEEE488數據線與所述的二極管控制器相連，所述的離軸石英音叉增強型光聲池中設有兩個石英音叉，所述的兩個石英音叉通過電線分別經過前置放大器與加法器相連；
所述的加法器將分別與兩個石英音叉相連的前置放大器所得到的信號進行相加運算；
所述的加法器通過電纜線與鎖相放大器相連，通過鎖相放大器將加法器所得到的信號進行解調；
所述的函數發生器通過電纜線與鎖相放大器相連，給鎖相放大器提供參考信號；
所述的鎖相放大器通過電纜線與數據采集卡相連，所述的鎖相放大器將得到的信號進行解調后傳輸至數據采集卡；
所述的離軸石英音叉增強型光聲池與功率計之間設有一聚集透鏡，通過聚焦透鏡收集經過離軸石英音叉增強型光聲池后的光功率，所述的功率計通過電纜線與數據采集卡相連，通過采集卡將采集到的功率數據用于光聲信號的歸一化；
所述的數據采集卡通過IEEE488數據線與筆記本電腦相連，所述的數據采集卡將所采集到的數據通過筆記本電腦來進行存儲；
所述的光譜儀通過USB接口與筆記本電腦相連。
所述的超輻射發光二極管與離軸石英音叉增強型光聲池之間設有分束鏡和聚集透鏡，所述的分束鏡傾斜小于45°的角度設置在所述的聚集透鏡的前方，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸至離軸石英音叉增強型光聲池內，所述的分束鏡與光譜儀之間也設有一聚集透鏡，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸給光譜儀。
如圖2、圖3和圖4所示，離軸石英音叉增強型光聲池包括:管狀諧振腔1、兩個石英音叉2和氣體池4，管狀諧振腔I中間位置對稱開有兩個小孔3，管狀諧振腔I安裝在兩個石英音叉2之間，管狀諧振腔I與超輻射發光二極管所發出的光束同軸，聚集透鏡的焦點正好位于所述管狀諧振腔I的正中央，兩個石英音叉2雙臂均與管狀諧振腔I平行。
所述管狀諧振腔I和兩個石英音叉2都安裝在氣體池4內的底座8上，氣體池4開設有入射窗口 5、出射窗口和進氣口 6以及出氣口，入射窗口 5和出射窗口處各設置有一塊藍寶石窗片7，進氣口 6通過進氣管和進氣閥與空氣過濾器相連，出氣口通過出氣管和出氣閥與另一個空氣過濾器相連，入射窗口 5與出射窗口相互對稱,進氣口與出氣口相互對稱，空氣過濾器過濾大氣中的氣溶膠顆粒，藍寶石窗片也可以是氟化鈣窗片。
超輻射發光二極管和二極管控制器以及其它用電元件均采用鋰電池進行供電，超輻射發光二極管具有寬光譜、高能量、低噪聲和小發散角等優點，其能量是傳統鹵素鎢燈能量的IO6倍，其波長在1350nm-1800nm之間，完全在近紅外區域，且由于具有良好的方向性，光源能量能夠被充分利用。
本發明的工作原理:超輻射發光二極管發出的調制光經過分束鏡分束，一部分經透鏡聚集進入光譜儀，另一部分經透鏡聚集進入離軸石英音叉增強型光聲池，光聲池中的氣體吸收能量，無輻射躍遷產生熱能，致使氣體膨脹收縮，在管狀諧振腔內產生共振聲波被石英音叉檢測到，兩個石英音叉把檢測到的聲信號轉換成電信號，電信號分別經前置放大器放大后再通過加法器相加后傳輸給鎖相放大器進行解調，解調后的信號被采集卡采集，經分析后可以得到氣體的濃度。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，包括超輻射發光二極管、二極管控制器、函數發生器、光譜儀、離軸石英音叉增強型光聲池、功率計、加法器、鎖相放大器和數據采集卡以及筆記本電腦，其特征在于:所述的超輻射發光二極管通過電纜線與二極管控制器相連，所述的函數發生器通過IEEE488與所述的二極管控制器相連，所述的離軸石英音叉增強型光聲池中設有兩個石英音叉，所述的兩個石英音叉通過電線分別經過前置放大器與加法器相連； 所述的加法器將分別與兩個石英音叉相連的前置放大器所得到的信號進行相加運算； 所述的加法器通過電纜線與鎖相放大器相連，通過鎖相放大器將加法器所得到的信號進行解調； 所述的函數發生器通過電纜線與鎖相放大器相連，給鎖相放大器提供參考信號； 所述的鎖相放大器通過電纜線與數據采集卡相連，所述的鎖相放大器將得到的信號進行解調后傳輸至數據采集卡； 所述的離軸石英音叉增強型光聲池與功率計之間設有一聚集透鏡，通過聚焦透鏡收集經過離軸石英音叉增強型光聲池后的光功率，所述的功率計通過電纜線與數據采集卡相連，通過采集卡將采集到的功率數據用于光聲信號的歸一化； 所述的數據采集卡通過IEEE488數據線與筆記本電腦相連，所述的數據采集卡將所采集到的數據通過筆記本電腦來進行存儲； 所述的光譜儀通過USB接口與筆記本電腦相連。
2.根據權利要求1所述一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，其特征在于:所述的超輻射發光二極管與離軸石英音叉增強型光聲池之間設有分束鏡和聚集透鏡，所述的分束鏡傾斜小于45°的角度設置在所述的聚集透鏡的前方，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸至離軸石英音叉增強型光聲池內，所述的分束鏡與光譜儀之間也設有一聚集透鏡，將分束鏡分出的光束經過聚集透鏡傳輸給光譜儀。
3.根據權利要求1所述一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，其特征在于:所述的離軸石英音叉增強型光聲池包括:管狀諧振腔、兩個石英音叉和氣體池，所述的管狀諧振腔中間位置對稱開有兩個小孔，所述的管狀諧振腔安裝在兩個石英音叉之間，所述的管狀諧振腔與超輻射發光二極管所發出的光束同軸，所述的聚集透鏡的焦點正好位于所述管狀諧振腔的正中央，所述的兩個石英音叉雙臂均與管狀諧振腔平行。
4.根據權利要求3所述一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，其特征在于:所述管狀諧振腔和兩個石英音叉都安裝在氣體池內的底座上，所述的氣體池開設有入射窗口、出射窗口和進氣口以及出氣口，所述的入射窗口和出射窗口處各設置有一塊藍寶石窗片，所述的進氣口通過進氣管和進氣閥與空氣過濾器相連，所述的出氣口通過出氣管和出氣閥與另一個空氣過濾器相連，所述的入射窗口與出射窗口相互對稱，進氣口與出氣口相互對稱。
5.根據權利要求4所述一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，其特征在于:所述的藍寶石窗片也可以是氟化鈣窗片。
6.根據權利要求1所述一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，其特征在于:所述的超輻射發光二極管和二極管控制器以及其它用電元件均采用鋰電池進行供電。
全文摘要
本發明公開了一種用于農田多種氣體實時在線監測裝置，包括超輻射發光二極管、二極管控制器、函數發生器、光譜儀、離軸石英音叉增強型光聲池、功率計、加法器、鎖相放大器和數據采集卡以及筆記本電腦，通過超輻射發光二極管發出的調制光經過分束鏡分束，一部分光經透鏡聚集進入光譜儀，另一部分光經透鏡聚集進入離軸石英音叉增強型光聲池，光聲池中的氣體吸收能量，無輻射躍遷產生熱能，致使氣體膨脹收縮，在管狀諧振腔內產生共振聲波被石英音叉檢測到，兩個石英音叉把檢測到的聲信號轉換成電信號，兩個電信號分別經前置放大器放大后再通過加法器相加后傳輸給鎖相放大器進行解調，解調后的信號被采集卡采集，經分析后可以得到氣體的濃度。
文檔編號G01N21/25GK103163080SQ20111041860
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者汪六三, 魯翠萍, 莊重, 汪玉冰, 陳鵬, 宋良圖, 王儒敬 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院