本发明涉及气体传感，特别是涉及一种气体传感装置。
背景技术：
1、对输气过程中的泄露、损耗实现高灵敏度、低成本的监测是保障高效、安全运行所需的。
2、甲烷是天然气中最主要的气体成分，其含量高达90％以上，针对天然气泄露检测可采用与瓦斯探测相同的技术手段。目前瓦斯探测多采用电子式测量技术，即采用热催化或催化燃烧原理，它们均存在浓度检测范围小、“中毒”风险高、校准困难、低浓度燃烧不充分等缺陷。采用化学试剂测量手段虽然价格低廉，但其重复性差、使用寿命短、性能退化严重，这些因素严重制约了它的实际应用。
3、针对以上困局，现今大量的光谱式测量手段应运而生。光谱式测量技术如直接吸收光谱、拉曼光谱、腔衰荡光谱等，它们均具有高灵敏度、快速响应、在线测量等技术优势。如公告号为“cn103743706a”的中国发明专利申请，公布了一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置，其利用红外吸收原理，采用半导体激光器探测目标气体特征峰的吸收强弱实现高灵敏度的检测。该方案利用波长调制技术即低频三角波叠加高频正弦波控制激光器，采用谐波解调技术实现气体低浓度下的高灵敏度探测。然而该专利所设计的传感器系统没有涉及激光波长的锁定与稳定，即激光器输出的波长若发生漂移，将导致所测量到的气体浓度值出现偏差。此外，如cn 113218901 a、cn 104280340 a中，led光源都是用作气体吸收，光源与所要探测的气体种类相关，需要对应所探测气体的特征吸收谱线来选取led输出的中心波长。这类吸收光谱法普遍存在光源波长漂移的缺点，无法胜任长时间工作的要求，而且针对不同气体种类的探测而言缺乏广泛的适应性，此外，测量响应速度也受到相应的限制。
技术实现思路
1、本发明的目的是在于解决如何避免光谱法气体检测中因光源波长漂移造成的检测结果偏差以及如何提高气体传感装置的广泛适应性和测量响应速度的技术问题。
2、为此，本发明提出一种气体传感装置，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述电信号含有所述石英晶振在所述固定频率下产生的与待测气体种类和浓度对应的信号响应幅值信息；所述数据采集处理模块用于采集所述电信号，根据所述信号响应幅值确定所述待测气体的浓度信息。
3、在本发明的一些实施例中，所述数据采集处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和数据处理装置，所述测量模块连接所述锁相放大器，所述数据采集卡连接在所述锁相放大器和所述数据处理装置之间，所述锁相放大器用于以所述固定频率为参考，对所述电信号进行一次谐波分量解调，输出一次谐波信号幅值传输至所述数据采集卡，所述数据采集卡将采集的数据传输至所述数据处理装置进行处理。
4、在本发明的一些实施例中，所述驱动模块包括函数发生器和电源驱动器，所述函数发生器连接所述电源驱动器和所述锁相放大器，所述电源驱动器连接所述光源模块，所述电源驱动器接收所述函数发生器的光源强度调制信号以产生同频率的驱动电流，由所述驱动电流对所述光源模块实现光源强度调制。
5、在本发明的一些实施例中，所述固定频率通过如下方式获得：所述函数发生器输出固定幅值而频率变化的扫频信号，控制所述光源模块输出频率变化的强度调制光，所述锁相放大器利用与所述函数发生器的扫频信号频率一致的参考信号，通过相关解调获得所述石英晶振在所述待测气体环境中的频率响应特性及其谐振频率，其中，所述谐振频率为所述石英晶振的频率响应幅值的特性曲线的最大值对应的频率；其中，所述数据采集处理模块根据所述石英晶振频率响应特性确定待测气体的种类。
6、在本发明的一些实施例中，所述光源模块包括光源和准直透镜，所述光源经由所述驱动模块驱动而输出所述强度调制光，所述准直透镜用于将所述强度调制光准直后输出；其中，所述光源为led光源或相干光源。
7、在本发明的一些实施例中，所述测量模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对所述光源模块输出的光束进行汇聚，并使汇聚光束的焦点作用于所述石英晶振的悬臂梁结合点的中心位置。
8、在本发明的一些实施例中，所述测量模块还包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器连接在所述石英晶振与所述锁相放大器之间，用于将所述石英晶振吸收光能转化的电信号进行放大并以电压信号的形式输出，所述电压信号传输至所述锁相放大器中进行解调。
9、在本发明的一些实施例中，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；其中，所述测量模块还包括匹配电容，所述石英晶振的一个引脚与所述匹配电容的一个引脚串联，所述跨阻抗放大器连接所述石英晶振的另一个引脚和匹配电容的剩余引脚，所述匹配电容用于多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准从而实现多点探测端的频率值的匹配；所述锁相放大器为多通道输入，所述锁相放大器输出的电压信号与所述函数发生器的通道信息、时序信息集成为数组形成各通道传感信息，以实现多探测点气体浓度的探测。
10、在本发明的一些实施例中，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；通过微型共振腔能量耦合、微加工、表面涂敷或温度调制的方式实现多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准，其中，所述微型共振能量耦合是在所述石英晶振的附近添加共振腔，所述微加工是通过打磨或腐蚀调节所述石英晶振的尺寸，所述表面涂敷是通过化学沉积在所述石英晶振表面添加涂层，所述温度调制是调节所述石英晶振的工作温度；所述锁相放大器为多通道输入，所述锁相放大器输出的电压信号与所述函数发生器的通道信息、时序信息集成为数组形成各通道传感信息，以实现多探测点气体浓度的探测。
11、在本发明的一些实施例中，其特征在于，所述驱动模块为实现光调制所用的调制信号为方波信号、脉冲信号、三角波信号或正弦波信号。
12、本发明具有如下有益效果：
13、本发明提出的气体传感装置通过使用光源激励石英晶振，机械振动经由压电效应产生电信号，电信号含有石英晶振在固定频率下产生的与待测气体种类和浓度对应的信号响应幅值信息等技术特征的设置，能够实现根据信号响应幅值确定所述待测气体的浓度信息。现有技术中，led光源都是用作气体吸收，需要对应所探测气体的特征吸收谱线来选取led输出的中心波长。本发明气体检测的基本原理不同，本发明通过光源激励石英晶振产生振动，利用不同气体分子数与背景气体如空气、氮气环境下针对石英晶振存在不同粘滞效应的原理，实现气体的种类鉴别与浓度反演，由于本发明实现气体传感与气体吸收光谱无关，避免了使用吸收光谱法中普遍存在光源波长漂移的缺点，避免了使用单色性较好的激光器存在波长漂移导致气体吸收峰失配的局限，从而解决了现有技术气体检测中因光源波长漂移造成的检测结果偏差的技术问题，并且因此针对气体种类的探测而言有着广泛的适应性。而且，由于本发明的气体传感装置所测量的是石英晶振固定频率下的信号响应幅值，相比传统光谱式测量技术可实现更高的灵敏度和更快的响应速度。此外，本发明的气体传感装置所使用的核心器件如石英晶振等具有巨大的成本优势，相比传统光谱式测量技术而言，省去了激光器、光电探测器等价格高昂的设备，并可实现多点分布测量，在远距离天然气运输管道的泄漏检测中具有更高的实用价值。本发明弱化了光源本身的限制因素，针对易燃易爆等高危险性气体实现更加安全、快速、可靠的检测需求。
14、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
1.一种气体传感装置，其特征在于，包括驱动模块、光源模块、测量模块以及数据采集处理模块，所述驱动模块与所述光源模块相连，所述测量模块与所述数据采集处理模块相连；所述驱动模块用于驱动所述光源模块产生固定频率的强度调制光；所述测量模块包括设置于待测气体环境中的石英晶振，所述光源模块发出的所述强度调制光用于激励所述石英晶振形成机械振动，所述机械振动经由压电效应产生电信号，所述电信号含有所述石英晶振在所述固定频率下产生的与待测气体种类和浓度对应的信号响应幅值信息；所述数据采集处理模块用于采集所述电信号，根据所述信号响应幅值确定所述待测气体的浓度信息。
2.如权利要求1所述的气体传感装置，其特征在于，所述数据采集处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和数据处理装置，所述测量模块连接所述锁相放大器，所述数据采集卡连接在所述锁相放大器和所述数据处理装置之间，所述锁相放大器用于以所述固定频率为参考，对所述电信号进行一次谐波分量解调，输出一次谐波信号幅值传输至所述数据采集卡，所述数据采集卡将采集的数据传输至所述数据处理装置进行处理。
3.如权利要求2所述的气体传感装置，其特征在于，所述驱动模块包括函数发生器和电源驱动器，所述函数发生器连接所述电源驱动器和所述锁相放大器，所述电源驱动器连接所述光源模块，所述电源驱动器接收所述函数发生器的光源强度调制信号以产生同频率的驱动电流，由所述驱动电流对所述光源模块实现光源强度调制。
4.如权利要求3所述的气体传感装置，其特征在于，所述固定频率通过如下方式获得：所述函数发生器输出固定幅值而频率变化的扫频信号，控制所述光源模块输出频率变化的强度调制光，所述锁相放大器利用与所述函数发生器的扫频信号频率一致的参考信号，通过相关解调获得所述石英晶振在所述待测气体环境中的频率响应特性及其谐振频率，其中，所述谐振频率为所述石英晶振的频率响应幅值的特性曲线的最大值对应的频率；其中，所述数据采集处理模块根据所述石英晶振的频率响应特性确定待测气体的种类。
5.如权利要求1至4任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述光源模块包括光源和准直透镜，所述光源经由所述驱动模块驱动而输出所述强度调制光，所述准直透镜用于将所述强度调制光准直后输出；其中，所述光源为led光源或相干光源。
6.如权利要求1至4任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述测量模块还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜用于对所述光源模块输出的光束进行汇聚，并使汇聚光束的焦点作用于所述石英晶振的悬臂梁结合点的中心位置。
7.如权利要求2至4任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述测量模块还包括跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器连接在所述石英晶振与所述锁相放大器之间，用于将所述石英晶振吸收光能转化的电信号进行放大并以电压信号的形式输出，所述电压信号传输至所述锁相放大器中进行解调。
8.如权利要求7所述的气体传感装置，其特征在于，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；其中，所述测量模块还包括匹配电容，所述石英晶振的一个引脚与所述匹配电容的一个引脚串联，所述跨阻抗放大器连接所述石英晶振的另一个引脚和匹配电容的剩余引脚，所述匹配电容用于多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准从而实现多点探测端的频率值的匹配；所述锁相放大器为多通道输入，所述锁相放大器输出的电压信号与所述函数发生器的通道信息、时序信息集成为数组形成各通道传感信息，以实现多探测点气体浓度的探测。
9.如权利要求2至4任一项所述的气体传感装置，其特征在于，包括分别设置在不同探测点的多组所述光源模块和所述测量模块；通过微型共振腔能量耦合、微加工、表面涂敷或温度调制的方式实现多个所述石英晶振的谐振频率的统一校准，其中，所述微型共振能量耦合是在所述石英晶振的附近添加共振腔，所述微加工是通过打磨或腐蚀调节所述石英晶振的尺寸，所述表面涂敷是通过化学沉积在所述石英晶振表面添加涂层，所述温度调制是调节所述石英晶振的工作温度；所述锁相放大器为多通道输入，所述锁相放大器输出的电压信号与所述函数发生器的通道信息、时序信息集成为数组形成各通道传感信息，以实现多探测点气体浓度的探测。
10.如权利要求1至4任一项所述的气体传感装置，其特征在于，所述驱动模块为实现光调制所用的调制信号为方波信号、脉冲信号、三角波信号或正弦波信号。
