一种简易的多气体浓度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气体传感技术，具体涉及一种简易的多气体浓度检测装置及方法。

背景技术

多气体在线检测在环境监测、医疗诊断、工业过程控制、食品工业、污染监测等方面有着重要的应用，是近年来备受关注的课题。近年来，光声光谱技术作为间接吸收光谱技术的一种，该技术在灵敏度、选择性和稳定性方面具有许多优点，是一种广泛认可的多气体分析技术。石英增强型光声光谱是对传统光声光谱的改进，该技术利用低成本，小尺寸的音叉式石英晶振(以下简称为石英音叉)替代传统的宽带麦克风，实现了微弱声波的探测。石英增强光声光谱技术的基本原理如下：气体分子吸收激励光源的光能后跃迁至高能态，由于碰撞退激发弛豫过程产生声波，声波推动石英音叉两振臂产生对称性振动，从而借助石英材料的压电特性将与气体浓度相关的声波信号转换为易于探测分析的电学信号。但是，石英增强型光声光谱是一种接触测量技术，如果目标气体是酸性或腐蚀性气体，石英音叉探测器表层的金属膜会被腐蚀，从而导致石英音叉共振频率漂移、品质因数降低，甚至导致石英音叉无法工作，这一特性限制了石英增强光声光谱的应用领域。光致热弹光谱(又称为石英增强光热光谱)解决了石英增强型光声光谱存在的瓶颈问题。石英增强光热光谱的基本原理如下：当激励光源照射到石英音叉表面时，石英音叉吸收光能并产生热沉积，石英音叉表面材料之间的热梯度使其发生热形变，通过石英音叉振臂的压电效应可将此形变转化为电信号。石英增强光热光谱是一种非接触式测量技术，检测系统中的石英音叉与被测气体无接触，较高的品质因数能够保证气体检测灵敏度，从而可实现对目标气体的遥感检测。而将光声光谱与光致热弹光谱相结合可实现光声、光热信号的同时检测。目前，绝大多数的光声-光致热弹光谱采用多个石英音叉检测系统以实现对目标气体检测信号的叠加增强，这一方法虽然有效的提升了目标气体的检测信号幅值，但多音叉检测系统中的各个石英音叉共振频率会有所差别，从而会出现共振频率失配现象而限制系统检测灵敏度。此外，多音叉检测系统还存在搭建过程复杂程度高、光源整形难度大、检测气体种类单一等问题。

因此，考虑采用单个石英音叉(利用时分复用或频分复用的方法)检测多气体浓度信息，在降低传统光声-光致热弹光谱气体检测系统搭建以及调整难度的同时检测多种气体浓度信息。其中，为保证气体信号的有效激励及探测，激励光源的调制频率必须远低于样品分子的弛豫率，因此，在利用单个石英音叉的基础上，将石英增强光声光谱与光致热弹光谱相结合的方法，可以有效实现多气体浓度的检测。

发明内容

针对现有技术中多音叉共振频率失配问题，本发明旨在提供一种简易的基于单个石英音叉的光声-光致热弹光谱的多气体浓度检测装置及方法，该方法将其中一束激励光源照射到石英音叉表面利用光致热弹效应检测一种气体光热信号，另一束激励光源照射到石英音叉两振臂之间利用光声效应检测另一种气体光声信号，仅使用单个石英音叉实现多气体浓度信息的检测目的。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种简易的多气体浓度检测装置包括光源模块、信号探测模块和数据处理模块；所述光源模块包括第一激励光源、第一函数发生器、第二函数发生器、第一光源温度控制器、第二激励光源、第三函数发生器、第四函数发生器和第二温度控制器，所述信号探测模块由气体参考池、汇聚透镜、石英音叉和气室组成，所述石英音叉设置在气室内；所述数据处理模块包括跨阻抗前置放大器、第一锁相放大器、第二锁相放大器和计算机；所述第一函数发生器的信号输出端和第一激励光源的电流调制输入端连接，所述第二函数发生器的信号输出端与第一激励光源的电流扫描输入端连接，第一函数发生器的同步信号输出端与第一锁相放大器的参考信号输入端连接，所述第一光源温度控制器的输出端与第一激励光源的温控输入端连接；所述第三函数发生器的信号输出端和第二激励光源的电流调制输入端连接，所述第四函数发生器的信号输出端与第二激励光源的电流扫描输入端连接，第三函数发生器的同步信号输出端与第二锁相放大器的参考信号输入端连接，所述第二光源温度控制器的输出端与第二激励光源的温控输入端连接；所述跨阻抗前置放大器的信号输入端与石英音叉连接，跨阻抗前置放大器的信号输出端分别与第一锁相放大器和第二锁相的放大器的输入端连接，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的通讯端口分别与计算机的两个通讯端口相连接。

进一步地，使用所述检测装置时，所述气体参考池、汇聚透镜位于第一激励光源输出光束照射至石英音叉振臂根部的光路上。

更进一步地，所述第一锁相放大器、第二锁相放大器的解调频率与石英音叉的共振频率相匹配。目的为了对石英音叉产生的电信号进行完美解调。

利用上述简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，是采用频分复用技术进行多气体浓度检测，包括以下步骤：

(a)第一激励光源在第一函数发生器、第二函数发生器和第一光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第一激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，经过气体参考池、汇聚透镜后照射至石英音叉振臂根部，以此确定第一激励光源输出光束的光路；

第二激励光源在第三函数发生器、第四函数发生器和第二光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第二激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，通过气室照射至石英音叉两振臂之间，以此确定第二激励光源输出光束的光路；

(b)第二函数发生器输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第一函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第一激励光源的输出光束波长进行调制，调制后的第一激励光源的输出光束经过气体参考池，经汇聚透镜整形后的照射到石英音叉振臂根部以产生光热信号，所述光热信号使石英音叉产生热形变并通过其振臂的压电效应转化为电信号，并被跨阻抗前置放大器所接收和放大。石英音叉吸收激励光源的光能并产生热沉积，石英音叉表面材料之间存在热梯度而发生热形变，此形变通过其振臂的压电效应可转化为电信号。

第四函数发生器输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第二激励光源输出光束的波长在气室中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第三函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第二激励光源的输出光束波长进行调制，调制后的第二激励光源的输出光束入射至信号探测模块，通过气室照射至石英音叉两振臂之间，与待测气体相互作用后产生光声信号，气体分子吸收第二激励光源输出光束的光能跃迁至高能态，在碰撞退激发弛豫过程产生声波，声波推动石英音叉的振臂振动，由石英音叉的压电效应将光声信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器所接收和放大；

(c)第一锁相放大器接收来自跨阻抗前置放大器的电信号以及第一函数发生器提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光热信号转换的电信号进行处理；第二锁相放大器接收来自跨阻抗前置放大器的电信号以及第三函数发生器提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光声信号转换的电信号进行处理；第一锁相放大器和第二锁相放大器解调后的二次谐波数据分别传输至计算机，通过计算机中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息。

进一步地，所述步骤(a)中，调整第一激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，经过气体参考池、汇聚透镜后照射至石英音叉振臂根部，具体为：

当所述第一激励光源输出光束入射至气体参考池时，在确定输出光束经过气体参考池后，将汇聚透镜放置在第一激励光源输出光束的光路上，根据气体参考池和汇聚透镜的间距确定汇聚透镜的焦距以及石英音叉的装配位置，确使第一激励光源输出光束整形后的圆形光斑照射到石英音叉振臂根部没有镀层的石英晶片上，从而产生光热信号。

更进一步地，所述步骤(a)中，调整第二激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，照射至石英音叉两振臂之间，具体为：当所述第二激励光源输出光束入射至气室内的石英音叉两振臂之间时，由石英音叉顶部为起始点调整输出光束的垂直位置，向下位移，使输出光束照射至石英音叉高度的三分之一区域，以产生最佳光声信号。当输出光束照射在石英音叉两振臂之间时，且处于石英音叉高度自上而下的三分之一区域时，石英音叉产生的光声信号最强。

再进一步地，所述步骤(b)中，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，具体扫描原则为：保证第一激励光源输出光束波长缓慢经过待测气体的目标吸收线；所述第一函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对输出光束的波长进行调制，具体为：将第一函数发生器的输出频率值设定为石英音叉基频或一次泛频的一半；

对第二激励光源输出光束的波长在待测气体的选定吸收线附近进行扫描，具体扫描原则为：保证第二激励光源输出光束波长缓慢经过气室中待测气体的目标吸收线；所述第三函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对输出光束的波长进行调制，具体为：当第一函数发生器的输出频率值设定为石英音叉基频的一半时，第三函数发生器的输出频率值设定为石英音叉一次泛频的一半，当第一函数发生器的输出频率值设定为石英音叉一次泛频的一半时，第三函数发生器的输出频率值设定为石英音叉基频的一半。波长调制技术采用了二次谐波调制，通过对激光器施加一个低频的三角波信号来实现对目标气体特征吸收谱线的扫描，然后在三角波上叠加一个频率为石英音叉基频(或一次泛频)一半的高频正弦抖动，经过解调处理后即可得到的2f信号谱图。

再进一步地，所述步骤(c)中，通过计算机中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息，具体为：解调后得到的二次谐波信号的峰值对应于待测气体的浓度信息，由于电信号与气体浓度成正比，利用事先通过已知浓度的气体对检测装置进行浓度标定的结果，即可得到待测气体的浓度信息。

一种利用上述简易的多气体浓度检测装置的气体检测方法，还可以采用时分复用技术进行多气体浓度检测。其原理是：第一激励光源经过信号探测模块中的气体参考池后由汇聚透镜进行汇聚整形，汇聚后的光线照射到石英音叉表面上以产生光热信号；第二激励光源经过信号探测模块照射到装载于气室中的石英音叉两振臂之间以产生光声信号。此时，所述光源模块中的第一激励光源与第二激励光源调制频率均设置为所使用石英音叉的基频频率或一次泛频的一半，通过控制第一激励光源与第二激励光源有规律、交替性的开启与关闭，即利用时分复用技术以产生光热信号、光声信号。具体包括以下步骤：

(I)第一激励光源在第一函数发生器、第二函数发生器和第一光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第一激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，经过气体参考池、汇聚透镜后照射至石英音叉振臂根部，以此确定第一激励光源输出光束的光路；

第二激励光源在第三函数发生器、第四函数发生器和第二光源温度控制器的驱动下输出光束，调整第二激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，通过气室照射至石英音叉两振臂之间，以此确定第二激励光源输出光束的光路；

(II)第二函数发生器输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第一函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第一激励光源的输出光束波长进行调制；调制后的第一激励光源的输出光束经过气体参考池，经汇聚透镜整形后的照射到石英音叉振臂根部以产生光热信号，由石英音叉的压电效应将光热信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器所接收和放大；当第一激励光源工作时采集到一个完整的二次谐波信号后关闭；

然后开启第二激励光源，在第三函数发生器、第四函数发生器和第二光源温度控制器的驱动下输出光束，第四函数发生器输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第二激励光源输出光束的波长在气室内待测气体的选定吸收线附近进行扫描，第三函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对第二激励光源的输出光束波长进行调制，调制后的第二激励光源的输出光束入射至信号探测模块，通过气室照射至石英音叉两振臂之间，与待测气体相互作用后产生光声信号，由石英音叉的压电效应将光声信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器所接收和放大；

第二激励光源工作时采集到一个完整的二次谐波信号后关闭，然后再开启第一激励光源进行波长调制；

将第一激励光源与第二激励光源交替开启、关闭，使石英音叉交替产生光热信号和光声信号，并转换为电信号；

(III)第一锁相放大器接收来自跨阻抗前置放大器的电信号以及第一函数发生器提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光热信号转换的电信号进行处理；第二锁相放大器接收来自跨阻抗前置放大器的电信号以及第三函数发生器提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光声信号转换的电信号进行处理；第一锁相放大器和第二锁相放大器解调后的二次谐波数据分别传输至计算机，通过计算机中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息。

进一步地，所述步骤中，调整第一激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，经过气体参考池、汇聚透镜后照射至石英音叉振臂根部，具体为：

当所述第一激励光源输出光束入射至气体参考池时，在确定输出光束经过气体参考池后，将汇聚透镜放置在第一激励光源输出光束的光路上，根据气体参考池和汇聚透镜的间距确定汇聚透镜的焦距以及石英音叉的装配位置，确使第一激励光源输出光束整形后的圆形光斑照射到石英音叉振臂根部没有镀层的石英晶片上，从而产生光热信号；

调整第二激励光源输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块，照射至石英音叉两振臂之间，具体为：

当所述第二激励光源输出光束入射至气室内的石英音叉两振臂之间时，由石英音叉顶部为起始点调整输出光束的垂直位置，向下位移，使输出光束照射至石英音叉高度的三分之一区域，以产生最佳光声信号。

所述步骤(II)中，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，具体扫描原则为：保证第一激励光源输出光束波长缓慢经过待测气体的目标吸收线；所述第一函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对输出光束的波长进行调制，具体为：将第一函数发生器的输出频率值设定为石英音叉基频或一次泛频的一半；

对第二激励光源输出光束的波长在待测气体的选定吸收线附近进行扫描，具体扫描原则为：保证第二激励光源输出光束波长缓慢经过气室中待测气体的目标吸收线；所述第三函数发生器输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率，对输出光束的波长进行调制，具体为：第三函数发生器的输出频率值与第一函数发生器的输出频率值保持一致；

所述步骤(III)中，通过计算机中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息，具体为：解调后得到的二次谐波信号的峰值对应于待测气体的浓度信息，由于压电信号与气体浓度成正比，利用事先通过已知浓度的气体对检测装置进行浓度标定的结果，即可得到待测气体的浓度信息。

上述频分复用和时分复用技术中的第一激励光源、第二激励光源使用宽光谱可调谐激光源时，可实现两种以上的多气体浓度信号检测。

本发明的石英音叉可以选用标准商用石英音叉，还可以选用共振频率为1-40Khz的石英音叉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、与单一的石英增强光声/光致热弹光谱技术相比，本发明采用光声与光热光谱相结合的技术，解决了利用石英增强光声光谱技术检测酸性或腐蚀性目标气体时，因石英音叉探测器表层的金属膜会被腐蚀导致的石英音叉共振频率漂移、品质因数降低的问题；解决了利用光致热弹光谱技术只能检测单一目标气体的问题。

2、本发明降低了传统的光声-光致热弹光谱传感器系统的复杂性并且节省了成本。

3、本发明提供的时分复用、频分复用两种信号检测方法，可有效的检测多种气体浓度信息，因此可满足用于环境监测、工业生产控制、医学检测等领域的多气体监测需求。

4、本发明采用石英增强光声光谱与光致热弹光谱的结合，不仅可以检测近距离气体浓度信息，同时采用的光致热弹光谱技术可以对腐蚀性气体、有毒性气体进行遥测，大大提高了本发明的检测实用性。

5、本发明验证了基于单个石英音叉的光声-光致热弹光谱多气体传感器的可行性，为提高光声-光致热弹光谱多气体传感器性能提供了全新的思路和方法。

附图说明

图1是本发明的多气体浓度检测装置的结构示意图；

图2是本发明的信号探测模块中第一激励光源输出光束、第二激励光束输出光束照射至石英音叉的光路示意图；

图3是本发明的多气体浓度检测装置对选用的石英音叉在常压条件下进行扫频得到的基频与一次泛频信号响应图；

图4是采用本发明的多气体浓度检测装置及频分复用技术检测方法在常压下对5％甲烷气体探测光热信号结果的示意图；

图5是采用本发明的多气体浓度检测装置及频分复用技术检测方法在常压下对1.6％水汽气体探测光声信号结果的示意图；

图6是采用本发明的多气体浓度检测装置及时分复用技术检测方法在常压下对5％甲烷气体和1.6％水汽气体探测的光热信号、光声信号结果的示意图。

其中，1-第一束激励光源，2-第一函数发生器，3-第二函数发生器，4-第一光源温度控制器，5-信号探测模块，6-跨阻抗前置放大器，7-第一锁相放大器，8-计算机，9-第二锁相放大器，10-第三函数发生器，11-第四函数发生器，12-第二光源温度控制器，13-第二束激励光源，51-气体参考池，52-汇聚透镜，53-音叉式石英晶振，54-气室。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

如图1所示，一种简易的多气体浓度检测装置包括光源模块、信号探测模块5和数据处理模块；所述光源模块包括第一激励光源1、第一函数发生器2、第二函数发生器3、第一光源温度控制器4、第二激励光源13、第三函数发生器10、第四函数发生器11和第二温度控制器12，所述信号探测模块5由气体参考池51、汇聚透镜52、石英音叉53和气室54组成，所述石英音叉53设置在气室54内；所述数据处理模块包括跨阻抗前置放大器6、第一锁相放大器7、第二锁相放大器9和计算机8；所述第一函数发生器2的信号输出端和第一激励光源1的电流调制输入端连接，所述第二函数发生器3的信号输出端与第一激励光源1的电流扫描输入端连接，第一函数发生器2的同步信号输出端与第一锁相放大器7的参考信号输入端连接，所述第一光源温度控制器4的输出端与第一激励光源1的温控输入端连接；所述第三函数发生器10的信号输出端和第二激励光源13的电流调制输入端连接，所述第四函数发生器11的信号输出端与第二激励光源13的电流扫描输入端连接，第三函数发生器10的同步信号输出端与第二锁相放大器9的参考信号输入端连接，所述第二光源温度控制器12的输出端与第二激励光源13的温控输入端连接；所述跨阻抗前置放大器6的信号输入端与石英音叉53连接，跨阻抗前置放大器6的信号输出端分别与第一锁相放大器7和第二锁相的放大器9的输入端连接，所述第一锁相放大器7和第二锁相放大器9的通讯端口分别与计算机8的两个通讯端口相连接。

其中，所述第一锁相放大器7、第二锁相放大器9的解调频率与石英音叉53的共振频率相匹配；第一激励光源1、第二激励光源13使用宽光谱可调谐激光源。

本实施例选用的石英音叉53的基频为2883.8Hz，一次泛频为17839.5Hz。

利用本发明的多气体浓度检测装置，采用频分复用技术的检测方法，包括以下步骤：

(a)首先，第一激励光源1在第一函数发生器2、第二函数发生器3和第一光源温度控制器4的驱动下输出光束，调整第一激励光源1输出光束的传播方向，在确定输出光束水平经过气体参考池51后，将汇聚透镜52放置在第一激励光源1输出光束的光路上，根据气体参考池51和汇聚透镜52的间距确定汇聚透镜52的焦距以及石英音叉53的装配位置，使第一激励光源1输出光束整形后的圆形光斑照射到石英音叉53振臂根部没有镀层的石英晶片上，确定第一激励光源1输出光束的光路，其中，汇聚透镜52的焦距50mm。

第二激励光源13在第三函数发生器10、第四函数发生器11和第二光源温度控制器12的驱动下输出光束，调整第二激励光源13输出光束的传播方向，将输出光束入射至信号探测模块5，通过气室54照射至石英音叉53两振臂之间，由石英音叉53顶部为起始点调整输出光束的垂直位置，向下位移，使输出光束照射至石英音叉53高度的三分之一(距石英音叉顶部2mm)区域，以产生最佳光声信号，此时便确定了第二激励光源13输出光束的光路。第一激励光源和第二激励光源输出光束的光路如图2所示。

再利用第一函数发生器2输出一个偏置为2V，幅度为316mV的正弦波至石英音叉53，其同步信号接入第一锁相放大器7，对所使用的石英音叉53在常压条件下进行扫频，扫频结果如图3所示。

(b)第二函数发生器3输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源输出光束的波长在气体参考池51中待测气体的选定吸收线附近进行连续扫描，扫描速率设置为20mHz，并保证输出光束波长缓慢经过待测气体一的目标吸收线；第一函数发生器2输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率为石英音叉一次泛频频率的一半，即8919.75Hz，对第一激励光源1的输出光束波长进行调制；调制后的第一激励光源1的输出光束经过气体参考池51，经汇聚透镜52整形后的照射到石英音叉53振臂根部以产生光热信号，所述光热信号使石英音叉53产生热形变并通过其振臂的压电效应转化为电信号，并被跨阻抗前置放大器6所接收和放大。其中，气体参考池51中的待测气体为甲烷。

第四函数发生器11输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第二激励光源输出光束的波长在气室54中待测气体二的选定吸收线附近进行扫描，扫描速率设置为10mHz，并保证输出光束波长缓慢经过待测气体二的目标吸收线；第三函数发生器10输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率为石英音叉基频频率的一半，即1441.9Hz，对第二激励光源13的输出光束波长进行调制；调制后的第二激励光源13的输出光束入射至信号探测模块5，通过气室54照射至石英音叉53两振臂之间，使输出光束照射至石英音叉53高度的三分之一(距石英音叉顶部2mm)区域，与待测气体相互作用后产生光声信号，气体分子吸收第二激励光源13输出光束的光能跃迁至高能态，在碰撞退激发弛豫过程产生声波，声波推动石英音叉53的振臂振动，由石英音叉的压电效应将光声信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器6所接收和放大。其中，气室54中的待测气体二为水汽。

(c)第一锁相放大器7接收来自跨阻抗前置放大器6的电信号以及第一函数发生器2提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光热信号转换的电信号进行处理；第二锁相放大器9接收来自跨阻抗前置放大器6的电信号以及第三函数发生器10提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光声信号转换的电信号进行处理；第一锁相放大器7和第二锁相放大器9解调后的二次谐波数据分别传输至计算机8，通过计算机8中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息。具体是通过运行LabView程序进行反演待测气体浓度，得到待测气体浓度。

解调后得到的二次谐波信号的峰值对应于待测气体的浓度信息，由于电信号与气体浓度成正比，利用事先通过已知浓度的气体对检测装置进行浓度标定的结果，即可得到待测气体的浓度信息。如图4、图5所示为利用频分复用技术同时探测两种待测气体时所得到的二次谐波信号。

下面采用时分复用技术进行多气体浓度检测，具体包括以下步骤：

(I)首先，确定第一激励光源1、第二激励光源13输出光束的光路的方法与频分复用技术中的相同。

(II)第二函数发生器3输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第一激励光源1输出光束的波长在气体参考池51中待测气体的选定吸收线附近进行扫描，扫描速率设置为20mHz，并保证输出光束波长缓慢经过待测气体一的目标吸收线；第一函数发生器2输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率为石英音叉一次泛频频率的一半，即8919.75Hz，对第一激励光源1的输出光束波长进行调制；调制后的第一激励光源1的输出光束经过气体参考池51，经汇聚透镜52整形后的照射到石英音叉53振臂根部以产生光热信号，由石英音叉的压电效应将光热信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器6所接收和放大；当第一激励光源1工作时采集到一个完整的二次谐波信号后关闭；其中，气体参考池51中的待测气体为甲烷。

然后开启第二激励光源13，在第三函数发生器10、第四函数发生器11和第二光源温度控制器12的驱动下输出光束，第四函数发生器11输出三角波信号，通过控制三角波信号的电压幅值，对第二激励光源13输出光束的波长在气室54内待测气体的选定吸收线附近进行扫描，扫描速率设置为10mHz，并保证输出光束波长缓慢经过待测气体二的目标吸收线；第三函数发生器10输出正弦信号，通过控制正弦信号的频率为石英音叉一次泛频频率的一半，即8919.75Hz，对第二激励光源(13)的输出光束波长进行调制，调制后的第二激励光源(13)的输出光束入射至信号探测模块5，通过气室54照射至石英音叉53两振臂之间，使输出光束照射至石英音叉53高度的三分之一(距石英音叉顶部2mm)区域，与待测气体相互作用后产生光声信号，由石英音叉的压电效应将光声信号转换为电信号，并被跨阻抗前置放大器6所接收和放大；其中，气室54中的待测气体二为水汽。

第二激励光源(13)工作几秒采集到一个完整的二次谐波信号后关闭，然后再开启第一激励光源1进行波长调制。

将第一激励光源1与第二激励光源13交替开启、关闭，使石英音叉53交替产生光热信号和光声信号，并转换为电信号。

(III)第一锁相放大器7接收来自跨阻抗前置放大器6的电信号以及第一函数发生器2提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光热信号转换的电信号进行处理；第二锁相放大器9接收来自跨阻抗前置放大器6的电信号以及第三函数发生器10提供的同步信号，以二次谐波解调的方法对光声信号转换的电信号进行处理；第一锁相放大器7和第二锁相放大器9解调后的二次谐波数据分别传输至计算机8，通过计算机8中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息。

通过计算机8中配置的检测程序进行反演待测气体浓度信息，具体为：解调后得到的二次谐波信号的峰值对应于待测气体的浓度信息，由于压电信号与气体浓度成正比，利用事先通过已知浓度的气体对检测装置进行浓度标定的结果，即可得到待测气体的浓度信息。如图6所示为利用时分复用技术同时探测两种待测气体(5％甲烷气体和1.6％水汽气体)时所得到的二次谐波信号。

本实施例中对第一函数发生器2和第二函数发生器3的输出信号各项参数的控制，第三函数发生器10和第四函数发生器11的输出信号各项参数的控制，同样由计算机8通过运行LabView程序实现自动化控制。

本实施例中的石英音叉53一般选用共振频率范围在1-40Khz的石英音叉，当石英音叉53确定后，选择第一锁相放大器7、第二锁相放大器9时，应使其解调频率与石英音叉相匹配，以利于对石英音叉产生的电信号进行解调。