CN104237135A - 基于石英音叉增强型光声光谱技术的co气体检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统及方法，涉及一种CO气体检测系统及方法。它是为了解决现有CO气体光声光谱检测技术的检测精度不高的问题。数据处理模块将电流控制信号经过函数发生器发送到激光器控制器，同时将温度控制参数发送到激光器控制器，激光器控制器驱动激光器发射近红外激光，经过准直、聚焦后入射到气室内；气体吸收光能转换为热能，进而转换为声压信号，安装于气室内的石英音叉将声信号转换成电信号；石英音叉的电信号经过转换、放大后，输入到锁相放大器的测量通道输入端，锁相放大器结合函数发生器的参考信号进行二次谐波检测，进而反演待测CO气体浓度。本发明适用于CO气体检测。

Description

基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种CO气体检测系统及方法。

背景技术

煤矿井下的CO气体既是易燃易爆也是有毒性气体，泄漏或聚集如果得不到及时发现，不仅易产生爆炸、引起火灾，而且污染环境甚至导致恶性中毒事件。CO气体能够有效反映运行电力变压器中固体绝缘材料的过热及老化过程，通过对CO气体的检测，可以预报油纸绝缘的变压器内部潜伏性故障及发展，实现早期诊断。火灾初期，CO气体可以作为一种特征气体来判断是否有可燃物燃烧，进而实现火灾预警与监测。

CO气体检测在现代生产生活中应用广泛，特别是很多场合需要对痕量CO气体进行检测，常用CO检测方法可分为金属氧化物法、电化学法和光谱吸收法等。触媒燃烧型CO气体检测装置输出信号与气体体积分数呈线性关系，适合用于较高气体体积分数的监测，选择性差，受风速影响大。金属氧化物半导体CO气体检测装置对低体积分数气体信号输出变化大，灵敏度高，使用寿命高，响应速度块，选择性不佳。场效应晶体管型CO气体检测装置稳定性好，耐高温，耐强酸，灵敏度差，选择性较差。相对来说，基于光谱学理论的CO气体检测的方法有如下优点：实现非接触在线自动监测；仪器灵敏度高，只要选择合适的光谱波段，就可以实现目标气体ppm量级的精度；由于测量结果只反映一个区域的浓度平均水平，其结果具有代表性。

可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)其本质是一种吸收光谱技术，利用半导体激光器的窄线宽和波长调谐特性，通过改变温度和电流来改变激光器输出波长，扫描待测气体吸收峰，通过分析气体对光的吸收来确定气体浓度。

光腔衰荡光谱技术(Cavity ring down spectroscopy，CRDS)是上世纪80年代发展起来的一种高灵敏度直接吸收光谱技术，目前光腔衰荡光谱技术已经广泛应用在爆炸物气体检测、大气监测等领域。

傅立叶变换红外光谱技术(Fourier Transform infrared spectroscopy，TFIR)是大气环境监测的主要手段。傅里叶红外变换光谱技术可以根据分子在特定波长红外线照射下的吸收情况来识别、量化物质组成。通过采用开放光路设计，可以使光在待测气体中的有效光程延长至1km。FTIR技术具有选择性好、灵敏度高、分辨率高、响应时间快、不消耗载气等优点。在农业方面，普遍认为开放光路傅里叶红外变换仪是用来测量农业产业中氨气浓度的有效工具，在大气质量检测方面日益得到广泛应用。

差分光学吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)作为一种大气监测技术在欧盟范围内得到了广泛的认可与应用。在DOAS技术的发展过程中，国外众多学者先后对DOAS系统配置、探测装置、反演算法等方面进行了改进，完善了DOAS技术。目前，DOAS系统研究生产主要集中在瑞典、德国、美国、法国和俄罗斯等发达国家。

直接吸收光谱法要求光程较长，对光程池设计、制造要求严格，电噪声和光源功率的波动影响监测极限，环境带来的背景噪声难以消除。

光声光谱技术(photoacoustic spectroscopy，PAS)起源于1880年，Bell首先报道了光声效应，随后Viegerov首次完成了气体光谱分析。但是由于检测技术限制，直到20世纪初，随着激光技术的发展和高灵敏度麦克风的推广使用，光声光谱技术才得以高速发展。光声光谱技术是将光源调制到目标气体吸收区域，光声池内气体吸收调制光并被激发到高能态，在无辐射跃迁到低能态的过程中能量转化为分子动能，导致温度产生周期性变化，逐步形成一个周期性压力变化，进一步产生声音信号，且该声音信号频率与调制光频率相同。声音信号可以被高灵敏麦克风捕捉，其强度与光声池内气体浓度成正比。为了提高系统检测灵敏度和抗干扰能力，通常采用波长调制技术和谐波检测技术。

但是目前，现有CO气体光声光谱检测技术的检测精度不高。

发明内容

本发明是为了解决现有CO气体光声光谱检测技术的检测精度不高的问题，从而提供一种基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统及方法。

基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，包括数据处理模块、激光源模块和光声信号检测模块，

数据处理模块包括前置放大器9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器13、数据采集卡1和计算机14；

激光源模块包括函数发生器2、激光器控制器3、激光器4、光纤准直包5和聚焦透镜6；

光声信号检测模块包括气室7、石英音叉8、参考气室11和光电探测器12；所述石英音叉8位于气室7中，所述气室7内充有CO气体；参考气室11内充有CO气体；

数据采集卡1将电流控制信号输出端与函数发生器2的电流控制信号输入端连接，函数发生器2的第一电信号输出端与激光器控制器3的电信号输入端连接；数据采集卡1的温度控制信号输出端与激光器控制器3的温度控制信号输入端连接；

激光器控制器3驱动激光器4输出激光，所述激光经光纤准直包5准直后入射至聚焦透镜6，并经聚焦透镜6聚焦至气室7内，并激发CO气体产生声压信号，该激光穿过气室7后入射至参考气室11；

石英音叉8接收声压信号并转换为电信号，所述石英音叉8的电信号输出端与前置放大器9的电信号输入端连接；所述前置放大器9的输出端与第一锁相放大器10的第一电信号输入端连接；所述第一锁相放大器10的参考信号输入端与函数发生器2的第二电信号输出端连接；所述第一锁相放大器10的输出端与数据采集卡1的第一数据信号输入端连接；

光电探测器12用于探测参考气室11中的激光信号并转换为电信号，作为测量信号；所述光电探测器12的测量信号输出端与第二锁相放大器13的第一电信号输入端连接；所述第二锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器2的第二电信号输出端连接；所述第二锁相放大器13的输出端与数据采集卡1的第二数据信号输入端连接；

数据采集卡1与计算机14进行通信。

基于上述系统的石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测方法，它由以下步骤实现：

计算机14将控制信号发送到信息采集卡1，信息采集卡1将电流控制信号经过函数发生器2发送到激光器控制器3，同时将温度控制参数发送到激光器控制器3，激光器控制器3驱动激光器4发射近红外激光，经过光纤准直包5准直和聚焦透镜6聚焦后入射到气室7内；气室7内的CO气体吸收近红外激光的光能转换为热能，进而转换为声压信号，位于气室7内的石英音叉8将声信号转换成电信号；

将石英音叉8的电信号经过转换、放大后，输入到一号锁相放大器10的测量通道输入端，锁相放大器10结合函数发生器2的参考信号进行二次谐波检测，进而反演获得待测CO气体浓度。

它还包括如下步骤：

在位于气室7后的参考气室11内充入与气室内CO气体浓度相同的CO气体，采用位于参考气室11后的光电探测器12检测经过气体吸收的激光信号，并将所述激光信号转换为电信号；

二号锁相放大器13接收该电信号，同时接入来自函数发生器2发出的高频正弦波，并采用三次谐波信号作为鉴频信号，然后进行反馈控制，将偏离的激光波长锁定在吸收线中心位置，实现激光器稳频。

本发明的有益效果是：一，本发明采用石英音叉增强型声压检测装置替代传统的麦克风，提高了声压检测装置的品质因数Q，将光声光谱CO气体检测系统的灵敏度提高2-3个量级；

二、本发明采用石英音叉增强型声压检测装置替代传统的麦克风，提高了调制信号的频率f，增强了系统抗环境低频噪声干扰能力；

三、本发明设计石英音叉增强型声压探测装置，谐振管的使用提高了声压信号的检测灵敏度，抑制了环境同频噪声的干扰；

四、本发明设计激光器稳频反馈回路，三次谐波信号作为鉴频信号，将激光器中心波长锁定在CO气体一个吸收峰位置，避免长时间检测由于环境温度等因素造成的激光器波长漂移。

附图说明

图1为本发明基于石英音叉增强型的痕量气体检测系统结构示意图；

图2为石英音叉增强型声压检测装置结构示意图；

图3为本发明长时间测量的稳定度测量结果示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，包括数据处理模块、激光源模块和光声信号检测模块，

数据处理模块包括前置放大器9、第一锁相放大器10、第二锁相放大器13、数据采集卡1和计算机14；

激光源模块包括函数发生器2、激光器控制器3、激光器4、光纤准直包5和聚焦透镜6；

光声信号检测模块包括气室7、石英音叉8、参考气室11和光电探测器12；所述石英音叉8位于气室7中，所述气室7内充有CO气体；参考气室11内充有CO气体；

数据采集卡1将电流控制信号输出端与函数发生器2的电流控制信号输入端连接，函数发生器2的第一电信号输出端与激光器控制器3的电信号输入端连接；数据采集卡1的温度控制信号输出端与激光器控制器3的温度控制信号输入端连接；

激光器控制器3驱动激光器4输出激光，所述激光经光纤准直包5准直后入射至聚焦透镜6，并经聚焦透镜6聚焦至气室7内，并激发CO气体产生声压信号，该激光穿过气室7后入射至参考气室11；

石英音叉8接收声压信号并转换为电信号，所述石英音叉8的电信号输出端与前置放大器9的电信号输入端连接；所述前置放大器9的输出端与第一锁相放大器10的第一电信号输入端连接；所述第一锁相放大器10的参考信号输入端与函数发生器2的第二电信号输出端连接；所述第一锁相放大器10的输出端与数据采集卡1的第一数据信号输入端连接；

光电探测器12用于探测参考气室11中的激光信号并转换为电信号，作为测量信号；所述光电探测器12的测量信号输出端与第二锁相放大器13的第一电信号输入端连接；所述第二锁相放大器13的参考信号输入端与函数发生器2的第二电信号输出端连接；所述第二锁相放大器13的输出端与数据采集卡1的第二数据信号输入端连接；

数据采集卡1与计算机14进行通信。

工作原理：光声光谱技术中，使用石英音叉增强型光声光谱技术探测到的光声信号可以表示为：

S（P）＝KIαQ(P)ε(P)

其中：K为系统常数，I为激光器功率，α为待测气体的吸收系数(与待测气体吸收截面及浓度有关的量)，ε(P)为声光转换效率，Q(P)为音叉的品质因数。音叉的品质因数Q反映了振动能量的损耗或振动受到的阻尼的大小，一般而言石英音叉的品质因数可达10⁴量级。由于石英音叉具有很高的Q值，因此适应增强型光声光谱技术能提供较高的探测灵敏度。

石英音叉的特性表明，在两振臂之间产生的声波能够使石英音叉两振臂产生对称振动，才可以产生有效的压电信号。在一般环境中，噪声的频率一般小于32KHz，即波长大于3cm，而石英音叉两振臂之间的距离为0.3mm左右，远小于噪声的波长，即便是噪声的频率接近石英音叉固有频率，噪声从远处引起的石英音叉的两振臂的振动是同方向的，不会产生有效的压电信号，因此石英音叉可以实现对环境声压噪声的免疫。

光声效应产生的光声信号有一个特点，就是声信号的大小与调制频率成反比关系，所以传统的光声光谱一般把调制频率设在1-4KHz范围，而石英音叉工作频率为：32.768KHz，这消减了光声信号。因此本发明采用如图2所示的设计结构，在石英音叉两端加上谐振管，可以有效提高光声信号。内径是谐振管的一个重要参数，当谐振管，当谐振管内径远小于波长时，声波的传输模式可以近似看成是一维谐振管。谐振管内径D的范围为：

$\frac{V}{1.7f}>D>>\sqrt{\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{f\ρ}}}$

其中：V为声速，f为声波的频率，η为气体粘滞系数，ρ为气体的密度。谐振管内径可选范围为：0.36mm＜D＜6.1mm。

在谐振管内形成驻波，谐振管的长度等于半波长的整数倍，根据波长与频率关系可知：

$f_g=\frac{n}{2(L+\mathrm{\Δl})}V$

其中：n为自然数，V为声速，L为谐振管长度，Δl为谐振管长度在开口端的修正量，一般取0.6D。对于两端均开口的谐振管，当n取奇时，谐振管的中心位置是压力波的波腹，可以将石英音叉放到这个位置，即可得到比较强的声音信号。当石英音叉的频率：f₀＝32.768KHz时，L＝4.408mm。

数据处理模块输出电流控制信号给函数发生器2，函数发生器2产生几十Hz的低频锯齿波和频率为f的高频正弦波，函数发生器2的低频锯齿波输出端和高频正弦波输出端都接激光器控制器3的两个电流调制信号输入端，激光器控制器3内部含有加法电路和电流驱动电路，激光器控制器3的一个驱动电流输出端接激光器4的激光二极管输入端；数据处理模块还输出温度控制信号接激光器控制器3的一个温度调制信号输入端，激光器控制器3内部含有TEC驱动电路和热敏电阻接口电路，激光器控制器3的输出端接激光器4的TEC输入端，激光器控制器3的输入端还接激光器4的热敏电阻输出端，用来检测激光器的温度，反馈控制激光器的温度；激光源模块通过控制激光器4的温度和电流，实现激光器输出波长的调制以及激光发射频率的调制。可选择CO气体吸收峰位置对应的波长为1565.98nm，激光器控制器3温度调制和电流调制共同作用，以波长扫描的方式调节激光器4，使得激光器4输出激光的中心波长为1565.98nm。调节电流控制信号，高频正弦波的频率设置为f，调制得到激光器4输出激光的发射频率f为石英音叉共振频率f₀的一半，即：f＝f₀/2。

所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的气体检测系统，激光器4电流调制频率为函数发生器2输出的高频正弦波频率f，石英音叉8的频率为f₀,通常设定为f＝f₀/2。因此需要对石英音叉8的频率f₀进行校准，以保证锁相放大器10和锁相放大器13的参考信号符合谐波检测要求。在校准模式下，石英音叉8的一个引脚被作为测量端使用，另一个引脚被加上一个正弦波。在扫描正弦波的频率的同时，石英晶振的激发电流也被测量，通过寻找最大激发电流对应的扫描频率来确定器共振频率f₀。

受调制的激光经过光纤准直包5、聚焦透镜6，入射到气室7内。待测气体将光信号转换为声压信号，声压信号强度与待测气体浓度成正比。石英音叉8将声压信号转换为压电电流信号，压电电流信号强度与声压信号强度成正比。由于石英音叉两振臂位于谐振管中心位置，可以消除来自外界同频率信号的干扰。测量时，石英音叉8的一个引脚接地，另一个引脚接前置放大器9的输入端，前置放大器为互阻抗前置放大器，可将电流信号转换为电压信号，并将信号放大。前置放大器的输出端接锁相放大器10的测量信号输入端，锁相放大器10的参考信号输入端接函数发生器的高频正弦波输出端。锁相放大器10进行二次谐波检测，反演出待测气体CO浓度。

位于气室7后的参考气室11内含有相同CO浓度的待测气体，位于参考气室11后的光电探测器12检测经过气体吸收的激光信号，并将光信号转换为电信号。光电探测器12的输出端接锁相放大器13的测量信号输入端，锁相放大器13的参考信号输入端接函数发生器的高频正弦波输出端。锁相放大器13进行三次谐波解调，锁相放大器13的输出端接数据采集卡1的输入端。利用奇次谐波的过零点特性，采用三次谐波信号作为鉴频信号，根据一定的反馈控制算法，将偏离的激光波长锁定在吸收线中心位置，实现激光器稳频。

具体实施方式二、根据具体实施方式一所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，光纤准直包5、聚焦透镜6位于同一光路上。

具体实施方式三、根据具体实施方式二所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，参考气室7为长方体结构；

它的左侧壁和右侧壁上分别设置有激光入射窗口71和激光出射窗口72，激光入射窗口71的上端和激光出射窗口72的上端均向气室内倾斜设置，且均与竖直方向所成的角度均为5°～7°；入射窗口71和出射窗口72在权利要求2所述的光路上；

参考气室7的上表面和下表面分别开有进气口73和出气口74。

具体实施方式四、根据具体实施方式三所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，参考气室7为长方体，则参考气室7光路方向长15mm，垂直光路方向宽15mm，高12mm。

具体实施方式五、根据具体实施方式四所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，激光器4为可调谐半导体激光器，该激光器内部集成TEC制冷器和热敏电阻。

具体实施方式六、根据具体实施方式一所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，石英音叉8包括石英晶振81和双谐振管82；所述石英晶振81是频率为32.768KHz、脱去真空壳的柱式结构；

双谐振管82对称分布在石英晶振两侧，且所述双谐振管82靠近石英晶振81一侧截面与石英晶振81两振臂平面之间的距离为100微米。

具体实施方式七、根据具体实施方式六所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，石英晶振81两振臂中心位于聚焦透镜6的焦点上。

具体实施方式八、根据具体实施方式七所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统的区别在于，前置放大器9为互阻抗前置放大器。

具体实施方式九、基于具体实施方式一的石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测方法，它由以下步骤实现：

计算机14将控制信号发送到信息采集卡1，信息采集卡1将电流控制信号经过函数发生器2发送到激光器控制器3，同时将温度控制参数发送到激光器控制器3，激光器控制器3驱动激光器4发射近红外激光，经过光纤准直包5准直和聚焦透镜6聚焦后入射到气室7内；气室7内的CO气体吸收近红外激光的光能转换为热能，进而转换为声压信号，位于气室7内的石英音叉8将声信号转换成电信号；

将石英音叉8的电信号经过转换、放大后，输入到一号锁相放大器10的测量通道输入端，锁相放大器10结合函数发生器2的参考信号进行二次谐波检测，进而反演获得待测CO气体浓度。

它还包括如下步骤：

在位于气室7后的参考气室11内充入与气室内CO气体浓度相同的CO气体，采用位于参考气室11后的光电探测器12检测经过气体吸收的激光信号，并将所述激光信号转换为电信号；

二号锁相放大器13接收该电信号，同时接入来自函数发生器2发出的高频正弦波，并采用三次谐波信号作为鉴频信号，然后进行反馈控制，将激光器4的中心波长锁定在待测CO气体的一个吸收峰位置，中心波长可以为1565.98nm。

所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的气体检测系统，激光器4输出激光、光纤准直包5、聚焦透镜6、气室7的激光入射窗口71、激光出射窗口72、参考气室11、光电探测12顺次放置在同一光路上。石英音叉8包括频率为32.768KHz脱去真空壳的柱式石英晶振81，石英晶振81的两振臂中心位于所述的聚焦透镜的焦点位置，获得激光激发的最大能量；

还包括双谐振管82，单侧谐振管长为4mm，谐振管内径为0.55mm，石英晶振两振臂位于谐振管所形成驻波的波腹，提高声压信号质量；谐振管82靠近石英晶振一侧截面与石英晶振81振臂平面的距离为100微米，距离过大会影响驻波的形成。

气室7的入射窗口71与出射窗口72，均上端向气室内倾斜设置，与竖直方向所称角度均为5～7°，这样的设置避免激光发生干涉现象。

所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的气体检测系统，激光器电流调制频率为函数发生器输出的高频正弦波频率f，石英音叉8的频率为f₀，通常设定为f＝f₀/2。在系统测量前，对石英音叉8的频率f₀进行校准。在校准模式下，石英音叉8的一个引脚被作为测量端使用，另一个引脚被加上一个正弦波。在扫描正弦波的频率的同时，石英晶振的激发电流也被测量，通过寻找最大激发电流对应的扫描频率来确定器共振频率f₀。

在测量模式下，激光的调制频率被设定为石英音叉固有频率的一半，即：f₀/2，石英音叉一个引脚接地，另一个引脚作为探测端，产生的信号由数据处理模块进行二次谐波解调。数据处理模块输出电流控制信号给函数发生器2，函数发生器2产生几十Hz的低频锯齿波和频率为f的高频正弦波，函数发生器2输出端接激光器控制器3的其中两个输入端，激光器控制器3内部含有加法电路和电流驱动电路，激光器控制器3的一个输出接激光器4的激光二极管输入端；数据处理模块还输出温控制信号接激光器控制器3的其中一个输入端，激光器控制器3内部含有TEC驱动电路和热敏电阻接口电路，激光器控制器3的输出端接激光器4的TEC输入端，激光器控制器3的输入端还接激光器4的热敏电阻输出端，用来检测激光器的温度，反馈控制激光器的温度；激光源模块通过控制激光器4的温度和电流，实现激光器输出波长的调制以及激光发射频率的调制。可选择CO气体吸收峰位置对应的波长为1565.98nm，激光器温度调制和激光器电流调制共同作用，以波长扫描的方式调节激光器，使得激光器输出激光的中心波长为1565.98nm。调节电流控制信号，高频正弦波的频率设置为f，调制得到激光器输出激光的发射频率f为石英音叉共振频率f₀的一半，即：f＝f₀/2。

受调制的激光输出到光纤准直包5，将光纤内传输的激光变为平行光，经过聚焦透镜聚焦，入射到气室7内，使得激光能量汇聚到石英音叉8的石英晶振81两振臂中心位置。待测气体吸收光能并转换为热能，吸收光能与气体浓度成正比，在体积一定的情况下，热能转换为声压信号，因此声压信号强度与待测气体浓度成正比。石英音叉8将声压信号转换为电信号，由于石英音叉两振臂位于谐振管中心位置，可以消除来自外界同频率信号的干扰。测量时，石英音叉8的一个引脚接地，另一个引脚接前置放大器9的输入端，前置放大器为互阻抗前置放大器，将石英音叉压电电流信号转换为电压信号，并将信号放大。前置放大器的输出端接锁相放大器10的测量信号输入端，锁相放大器10的参考信号输入端接函数发生器的高频正弦波输出端。锁相放大器10进行二次谐波检测，初次检测时需根据标准气体对系统进行标定，测量多组数据进行曲线拟合，标定后的系统可以进行气体检测，锁相放大器10输出的二次谐波信号与气体浓度呈正比。

系统还包括激光器稳频的反馈控制回路，位于气室7后的参考气室11内含有相同浓度的待测气体，位于参考气室11后的光电探测器12检测经过气体吸收的激光信号，并将光信号转换为电信号。光电探测器12的输出端接锁相放大器13的测量信号输入端，锁相放大器13的参考信号输入端接函数发生器的高频正弦波输出端。锁相放大器13进行三次谐波解调，锁相放大器13的输出端接数据采集卡1的输入端。利用奇次谐波的过零点特性，采用三次谐波信号作为鉴频信号，根据一定的反馈控制算法，将偏离的激光波长锁定在吸收线中心位置，选择的中心波长可以为1565.98nm，实现激光器稳频。

具体应用时，本发明进行石英音叉8的频率校准，首次测量时，借助标准气体对系统进行标定；系统标定后，在测量模式下，气体浓度检测回路和激光器稳频反馈控制回路同时工作，便携性好，稳定性高，抗干扰能力强，可长时间在线监测。

Claims (10)

1.基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，包括数据处理模块、激光源模块和光声信号检测模块，其特征是：

数据处理模块包括前置放大器(9)、第一锁相放大器(10)、第二锁相放大器(13)、数据采集卡(1)和计算机(14)；

激光源模块包括函数发生器(2)、激光器控制器(3)、激光器(4)、光纤准直包(5)和聚焦透镜(6)；

光声信号检测模块包括气室(7)、石英音叉(8)、参考气室(11)和光电探测器(12)；所述石英音叉(8)位于气室(7)中，所述气室(7)内充有CO气体；参考气室(11)内充有CO气体；

数据采集卡(1)将电流控制信号输出端与函数发生器(2)的电流控制信号输入端连接，函数发生器(2)的第一电信号输出端与激光器控制器(3)的电信号输入端连接；数据采集卡(1)的温度控制信号输出端与激光器控制器(3)的温度控制信号输入端连接；

激光器控制器(3)驱动激光器(4)输出激光，所述激光经光纤准直包(5)准直后入射至聚焦透镜(6)，并经聚焦透镜(6)聚焦至气室(7)内，并激发CO气体产生声压信号，该激光穿过气室(7)后入射至参考气室(11)；

石英音叉(8)接收声压信号并转换为电信号，所述石英音叉(8)的电信号输出端与前置放大器(9)的电信号输入端连接；所述前置放大器(9)的输出端与第一锁相放大器(10)的第一电信号输入端连接；所述第一锁相放大器(10)的参考信号输入端与函数发生器(2)的第二电信号输出端连接；所述第一锁相放大器(10)的输出端与数据采集卡(1)的第一数据信号输入端连接；

光电探测器(12)用于探测参考气室(11)中的激光信号并转换为电信号，作为测量信号；所述光电探测器(12)的测量信号输出端与第二锁相放大器(13)的第一电信号输入端连接；所述第二锁相放大器(13)的参考信号输入端与函数发生器(2)的第二电信号输出端连接；所述第二锁相放大器(13)的输出端与数据采集卡(1)的第二数据信号输入端连接；

数据采集卡(1)与计算机(14)进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于光纤准直包(5)、聚焦透镜(6)位于同一光路上。

3.根据权利要求2所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于，参考气室(7)为长方体结构；

它的左侧壁和右侧壁上分别设置有激光入射窗口(71)和激光出射窗口(72)，激光入射窗口(71)的上端和激光出射窗口(72)的上端均向气室内倾斜设置，且均与竖直方向所成的角度均为5°～7°；入射窗口(71)和出射窗口(72)与光纤准直包(5)、聚焦透镜(6)位于同一光路上；

参考气室(7)的上表面和下表面分别开有进气口(73)和出气口(74)。

4.根据权利要求3所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于，参考气室(7)为长方体，则参考气室(7)光路方向长15mm，垂直光路方向宽15mm，高12mm。

5.根据权利要求4所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于激光器(4)为可调谐半导体激光器，该激光器内部集成TEC制冷器和热敏电阻。

6.根据权利要求1所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于石英音叉(8)包括石英晶振(81)和双谐振管(82)；所述石英晶振(81)是频率为32.768KHz、脱去真空壳的柱式结构；

双谐振管(82)对称分布在石英晶振两侧，且所述双谐振管(82)靠近石英晶振(81)一侧截面与石英晶振(81)两振臂平面之间的距离为100微米。

7.根据权利要求6所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于石英晶振(81)两振臂中心位于聚焦透镜(6)的焦点上。

8.根据权利要求7所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于前置放大器(9)为互阻抗前置放大器。

9.基于权利要求1的石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测方法，其特征是：它由以下步骤实现：

计算机(14)将控制信号发送到信息采集卡(1)，信息采集卡(1)将电流控制信号经过函数发生器(2)发送到激光器控制器(3)，同时将温度控制参数发送到激光器控制器(3)，激光器控制器(3)驱动激光器(4)发射近红外激光，经过光纤准直包(5)准直和聚焦透镜(6)聚焦后入射到气室(7)内；气室(7)内的CO气体吸收近红外激光的光能转换为热能，进而转换为声压信号，位于气室(7)内的石英音叉(8)将声信号转换成电信号；

将石英音叉(8)的电信号经过转换、放大后，输入到一号锁相放大器(10)的测量通道输入端，锁相放大器(10)结合函数发生器(2)的参考信号进行二次谐波检测，进而反演获得待测CO气体浓度。

10.根据权利要求9所述的基于石英音叉增强型光声光谱技术的CO气体检测系统，其特征在于它还包括如下步骤：

在位于气室(7)后的参考气室(11)内充入与气室内CO气体浓度相同的CO气体，采用位于参考气室(11)后的光电探测器(12)检测经过气体吸收的激光信号，并将所述激光信号转换为电信号；

二号锁相放大器(13)接收该电信号，同时接入来自函数发生器(2)发出的高频正弦波，并采用三次谐波信号作为鉴频信号，然后进行反馈控制，将偏离的激光波长锁定在吸收线中心位置，实现激光器稳频。