CN101915737A - 一种用于检测co气体浓度的检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种用于检测CO气体浓度的检测仪。其技术方案是：第一单片机[4]分别与显示与操作单元[1]、工控机[2]、基准电压源[3]、电流传输模块[5]、温度控制单元[6]、激光器驱动电路[7]、数据采集单元[8]、气体压力传感器[9]、气体温度传感器[11]、光路和气室系统[12]和前置信号处理单元[13]连接，光路和气室系统[12]分别与气体压力传感器[9]、气体温度传感器[11]、DFB LD光源[10]和光电传感器[14]连接，DFB LD光源[10]分别与温度控制单元[6]和激光器驱动电路[7]连接，前置信号处理单元[13]分别与光电传感器[14]、激光器驱动电路[7]和数据采集单元[8]连接。本发明具有成本低、灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好的特点。

Description

一种用于检测CO气体浓度的检测仪

技术领域

本发明属于气体检测仪领域。具体涉及一种用于检测CO气体浓度的检测仪。

背景技术

随着环境的日益恶化，人们已经认识到保护环境的重要性，各种环境污染都严重影响着人类生活，如温室效应、臭氧层破坏和大气环境污染等。为了对这些污染的程度、成因和后果进行分析，需要测量不同气体的浓度，以便及时采取消除污染的有效措施。因此，提高气体测量技术对于环境监测和保护具有重要的意义。

CO是大气污染气体之一，在化工生产及钢铁冶炼过程中都会产生大量CO气体。通常对CO采取的处理办法是：当CO的浓度超过一定的浓度范围则对其进行回收，当CO的浓度低于一定的浓度时则已没有应用价值对其进行排放燃烧。因此，对CO是进行排放还是回收，涉及到环保和经济效益。若将CO气体在线监测装置与排放控制进行结合，实现快速检测与快速决定排放或回收，不仅有利于环境保护还会给企业带来明显的经济效益。

目前，国内气体检测方法有电化学方法、光学方法、电气方法、气相色谱法等，各有优缺点，其主要缺点分别是：电化学法的气体检测仪稳定性差，灵敏度低，抗干扰性能低；光学法的气体传感器测量范围小，不易测量多种气体，操作复杂；电气法的气体传感器响应速度慢，灵敏度低，测量精度低；气相色谱法气体传感器测量精度低，连续性不好，受环境影响大。

发达国家使用的CO气体检测都是自主开发的检测仪，例如：挪威、德国、日本等国家的产品，价格昂贵，技术保密。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种成本低、灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好的用于检测CO气体浓度的检测仪。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该检测仪包括显示与操作单元、工控机、基准电压源、第一单片机、电流传输模块、温度控制单元、激光器驱动电路、数据采集单元、气体压力传感器、DFB LD光源、气体温度传感器、光路和气室系统、前置信号处理单元、光电传感器。

第一单片机的串口COM0、串口COM1分别与工控机的串口、显示与操作单元的串口对应连接，第一单片机的输入端AD07与基准电压源的输出端连接。

第一单片机的输入端AD00、AD01分别与气体压力传感器的输出端、气体温度传感器的输出端对应连接，第一单片机的输出端PM6与光路和气室系统的开关控制输入端连接；光路和气室系统的气体输出接口分别与气体压力传感器的输入接口、气体温度传感器的输入接口连接，光路和气室系统的激光输出接口与光电传感器的激光输入接口连接。

DFB LD光源的激光输出接口与光路和气室系统的激光输入接口连接，DFB LD光源的温度信号检测和控制端与温度控制单元的温度信号检测和控制端连接，DFB LD光源的驱动电流输入端与激光器驱动电路的驱动电流输出端连接。

第一单片机的温度设定端与温度控制单元的温度设定端连接，第一单片机的波形控制输出端、波形调整端分别与激光器驱动电路的波形控制输入端、波形调整端对应连接，第一单片机的电流传输控制端与电流传输模块的电流传输控制端连接，第一单片机的信号放大控制端与前置信号处理单元的信号放大控制端连接，第一单片机的数据采集控制端、数据输入端分别与数据采集单元的数据采集控制端、数据输出端对应连接。

前置信号处理单元的光电转换信号输入端与光电传感器的输出端连接，前置信号处理单元的数据输出端与数据采集单元的信号输入端连接，前置信号处理单元的载波信号输入端与激光器驱动电路的正弦波信号输出端连接。

所述的显示与操作单元包括EEPROM存储芯片、第二单片机、2*2矩阵键盘、复位芯片、LCD液晶、实时时钟芯片。其中，EEPROM存储芯片的输入端SCL、数据端SDA分别与第二单片机的输出端P16、数据端P17对应连接，2*2矩阵键盘的两条行线和两条列线分别与第二单片机的输入端P10～P13对应连接，复位芯片的输出端RST与第二单片机的输入端RST连接，第二单片机的输出端P14、P15、P26、P27、P20、P21、P22、P23分别与LCD液晶的输入端SI、SO、SCLK、CE、R/W、E/RD、CS、和C/D对应连接，第二单片机的输出端P00～P07分别与LCD液晶的输入端DB0～DB7和实时时钟芯片的输入端DB0～DB7对应连接，第二单片机的输出端RD、WR、P24、P25分别与实时时钟芯片的输入端RD、WR、AS、DS对应连接，第二单片机的输入端IRQ与实时时钟芯片的输出端IRQ连接。

第二单片机的输入端RXD、输出端TXD分别与第一单片机的输出端TXD1、输入端RXD1对应连接，第二单片机与第一单片机通过RS485协议通信。

所述的激光器驱动电路包括正弦波发生器、三角波发生器、第一D/A转换模块、第一有源滤波电路、第二有源滤波电路、第二反相比例放大电路、第一加法电路、同相比例放大电路、差分电路、第二加法电路、第一反相比例放大电路、功率放大电路。其中，正弦波发生器的输出端Vout与第一有源滤波电路的输入端连接，三角波发生器的输出端Vout与第二有源滤波电路的输入端连接，第一有源滤波电路的输出端、第二有源滤波电路的输出端分别与第一加法电路的输入端a、输入端b对应连接，第一加法电路的输出端与同相比例放大电路的输入端连接，同相比例放大电路的输出端a、输出端b分别与差分电路的输入端a、输入端b对应连接，差分电路的输出端与第二加法电路的输入端a连接，第一反相比例放大电路的输入端、输出端分别与第二加法电路的输出端、功率放大电路的输入端对应连接；第一D/A转换模块的输出端Vout与第二反相比例放大电路的输入端连接，第二反相比例放大电路的输出端与第二加法电路的输入端b连接。

功率放大电路的输出端a、输出端b分别与DFB LD光源的输入端DB+、输入端DB-对应连接，功率放大电路的输出端c与第一单片机的输入端AD12连接；正弦波发生器的输出端Vout与前置信号处理单元的输入端连接，正弦波发生器的输入端FSYNC、SCLK、SDATA分别与第一单片机的输出端PH0、PE2、PE3对应连接，三角波发生器的输入端D0～D7分别与第一单片机的输出端PA0～PA7对应连接，第一D/A转换模块的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机的输出端PS4、PS5、PS6、PS7对应连接。

所述的温度控制单元包括第二D/A转换模块、PID调节电路、基准电压源、温度控制芯片。其中，第二D/A转换模块的输出端Vout与PID调节电路的输入端a连接，PID调节电路的输出端c、输入端b分别与温度控制芯片的输入端CTL、输出端ITEC对应连接，温度控制芯片的输入端Vref与基准电压源的输出端连接。

温度控制芯片的输出端TEC+、输出端TEC-分别与DFB LD光源的输入端TEC+、输入端TEC-对应连接，温度控制芯片的输入端NTC+与DFB LD光源的输出端NTC+连接，温度控制芯片的输入端TEC_CS、输出端TEC_I、输出端NTC-分别与第一单片机的输出端PM6、输入端AD06、输入端AD14对应连接；第二D/A转换模块的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机的输出端PM4、PM5、PJ6、PJ7对应连接。

所述的光路和气室系统的结构是：光耦合器的输出接口a、输出接口b分别通过光纤与参考气室输入接口a、待测气室的输入接口a对应连接，参考气室的输出接口b、待测气室的输出接口d分别通过光纤与光开关的输入接口a、输入接口c连接，光开关的输出接口通过光纤与光衰减器的输入接口连接。

光衰减器的输出接口通过光纤与光电传感器的输入接口连接，待测气室的输出接口b、输出接口c分别与气体压力传感器的输入接口、气体温度传感器的输入接口对应连接，光开关的输入端b与第一单片机的输出端PM6连接，光耦合器的输入接口通过光纤与DFB LD光源的输出接口连接。

所述的前置信号处理单元的结构是：第三有源滤波电路的输出端、第四有源滤波电路的输出端分别与差分输入电路的输入端a、输入端b对应连接，差分输入电路的输出端与程控放大电路的输入端Vin连接，低通滤波电路的输入端、输出端分别与程控放大电路的输出端、第一反相比例放大电路的输入端对应连接。

程控放大电路的输出端与N阶高通滤波电路的输入端连接，第一反相比例电路的输入端、输出端分别与N阶高通滤波电路的输出端、锁相电路的输入端a对应连接。

移相电路的输出端与电压比较电路的输入端连接，倍频电路的输入端、输出端分别与电压比较电路的输出端、锁相电路的输入端b对应连接。

锁相电路的输出端与有源带通滤波电路的输入端连接，第二反相比例电路的输入端、输出端分别与有源带通滤波电路的输出端、加法电路的输入端b对应连接，反相电压偏置电路的输出端与加法电路的输入端a连接，加法电路的输出端与第二反相比例放大电路的输入端连接。

第三有源滤波电路的输入端、第四有源滤波电路的输入端分别与光电传感器的输出端a、输出端b对应连接；移相电路的输入端与激光器驱动电路的输出端连接；差分输入电路的输出端与第一单片机的输入端AD01连接，程控放大电路的输入端INC、U/D、CS分别与第一单片机的输出端PH5、PH6、PH7对应连接，第一反相比例放大电路的输出端、第二反相比例放大电路的输出端分别与数据采集单元的输入端IN1、输入端IN2对应连接。

所述的数据采集单元包括模拟多路开关、基准电压源、A/D转换模块。其中，模拟多路开关的输出端Vout与A/D转换模块的输入端Vin连接，基准电压源的输出端与A/D转换模块的输入端Vref连接。

A/D转换模块的输出端D0～D7分别与第一单片机的输入端PB0～PB7对应连接，A/D转换模块的输入端BYTE、R/C、CS分别与第一单片机的输出端PK4、PK5、PT7对应连接，A/D转换模块的输出端BUSY与第一单片机的输入端PT6连接，模拟多路开关的输入端CS1、输入端CS2分别与第一单片机的输出端PT4、输出端PT5对应连接，模拟多路开关的输入端IN1、输入端IN2分别与前置信号处理单元的第一输出端、第二输出端对应连接。

所述的电流传输模块包括光耦隔离模块、电压/电流转换模块、负载电阻、稳压隔离电源、电流/电压转换模块、线性光耦。其中，光耦隔离模块的输出端d、e、f分别与电压/电流转换模块的输入端LAT、CLK、DATA对应连接，电压/电流转换模块的输出端与负载电阻的输入端连接，负载电阻的输出端与电流/电压转换模块的输入端Iin连接，电流/电压转换模块的输出端Vout与线性光耦的输入端Vin连接；光耦隔离模块的输入端VCC1、电压/电流转换模块的输入端VCC2、线性光耦的输入端VCC1、电流/电压转换模块的输入端VCC2分别与稳压隔离电源的输出端a、b、c、d对应连接。

线性光耦的输出端a、输出端b分别与第一单片机的输入端AD02、输入端AD03对应连接，光耦隔离模块的输入端a、b、c分别与第一单片机的输出端PH1、PH2、PH3对应连接。

由于采用上述技术方案，本发明第一单片机的串口分别与第二单片机的串口、工控机的串口对应连接，并通过RS485协议互相通信。用户可通过按键设置各种参数发送到第一单片机，第一单片机把计算出的气体浓度值、光透过率等发送到第二单片机，通过LCD液晶显示并实时更新；同时，第一单片机通过串口把检测信号传送到工控机，用户可以远程监控CO气体浓度。

本发明采用运行速度快的模拟多路开关、A/D转换模块和第一单片机实时对现场的数据进行采集，并采用精度高、灵敏度高、响应速度快的工业级气体压力传感器、气体温度传感器和光电传感器。根据比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律，利用测得的气体的压力、气体的温度、二次谐波和光功率综合计算得出CO气体的浓度。

本发明通过对DFB LD光源的温度和电流进行调制，使DFB LD光源发光波长能够精确地锁定在不同气体吸收峰上。采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)和二次谐波检测结合的方法来检测CO气体浓度。这样，测量一个区域的平均污染程度，不需要多点取样，这对于连续监测或是泄漏监测十分有用；并能监测不易接近的危险区域和可同时测量多种气体成分。

因此，本发明具有成本低、灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好的特点，不仅适用于普通环境气体检测，更能适用于工业生产恶劣的检测环境，具有良好的应用前景。

附图表说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1中的显示与操作单元1的一种结构示意图；

图3是图1中的激光器驱动电路7的一种结构示意图；

图4是图1中的温度控制单元6的一种结构示意图；

图5是图1中的光路和气室系统12的一种结构示意图；

图6是图1中的前置信号处理单元13的一种结构示意图；

图7是图1中的数据采集单元8的一种结构示意图；

图8是图1中的电流传输模块5的一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对保护范围的限制：

一种用于检测CO气体浓度的检测仪，如图1所示：该检测仪包括显示与操作单元1、工控机2、基准电压源3、第一单片机4、电流传输模块5、温度控制单元6、激光器驱动电路7、数据采集单元8、气体压力传感器9、DFB LD光源10、气体温度传感器11、光路和气室系统12、前置信号处理单元13、光电传感器14。图1中的连接方式分别表述为：粗箭头表示多根线连接；细箭头表示单根线或单个接口连接；空心箭头表示8位数据线连接。

第一单片机4的串口COM0、串口COM1分别与工控机2的串口、显示与操作单元1的串口对应连接，第一单片机4的输入端AD07与基准电压源3的输出端连接。

第一单片机4的输入端AD00、AD01分别与气体压力传感器9的输出端、气体温度传感器11的输出端对应连接，第一单片机4的输出端PM6与光路和气室系统12的开关控制输入端连接；光路和气室系统12的气体输出接口分别与气体压力传感器9的输入接口、气体温度传感器11的输入接口连接，光路和气室系统12的激光输出接口与光电传感器14的激光输入接口连接。

DFB LD光源10的激光输出接口与光路和气室系统12的激光输入接口连接，DFB LD光源10的温度信号检测和控制端与温度控制单元6的温度信号检测和控制端连接，DFB LD光源10的驱动电流输入端与激光器驱动电路7的驱动电流输出端连接。

第一单片机4的温度设定端与温度控制单元6的温度设定端连接，第一单片机4的波形控制输出端、波形调整端分别与激光器驱动电路7的波形控制输入端、波形调整端对应连接，第一单片机4的电流传输控制端与电流传输模块5的电流传输控制端连接，第一单片机4的信号放大控制端与前置信号处理单元13的信号放大控制端连接，第一单片机4的数据采集控制端、数据输入端分别与数据采集单元8的数据采集控制端、数据输出端对应连接。

前置信号处理单元13的光电转换信号输入端与光电传感器14的输出端连接，前置信号处理单元13的数据输出端与数据采集单元8的信号输入端连接，前置信号处理单元13的载波信号输入端与激光器驱动电路7的正弦波信号输出端连接。

本实施例中的显示与操作单元1如图2所示：包括EEPROM存储芯片1.1、第二单片机1.2、2*2矩阵键盘1.3、复位芯片1.4、LCD液晶1.5、实时时钟芯片1.6。其中，EEPROM存储芯片1.1的输入端SCL、数据端SDA分别与第二单片机1.2的输出端P16、数据端P17对应连接，2*2矩阵键盘1.3的两条行线和两条列线分别与第二单片机1.2的输入端P10～P13对应连接，复位芯片1.4的输出端RST与第二单片机1.2的输入端RST连接，第二单片机1.2的输出端P14、P15、P26、P27、P20、P21、P22、P23分别与LCD液晶1.5的输入端SI、SO、SCLK、CE、R/W、E/RD、CS、和C/D对应连接，第二单片机1.2的输出端P00～P07分别与LCD液晶1.5的输入端DB0～DB7和实时时钟芯片1.6的输入端DB0～DB7对应连接，第二单片机1.2的输出端RD、WR、P24、P25分别与实时时钟芯片1.6的输入端RD、WR、AS、DS对应连接，第二单片机1.2的输入端IRQ与实时时钟芯片1.6的输出端IRQ连接。

第二单片机1.2的输入端RXD、输出端TXD分别与第一单片机4的输出端TXD1、输入端RXD1对应连接，第二单片机1.2与第一单片机4通过RS485协议通信。

本实施例中的激光器驱动电路7如图3所示：包括正弦波发生器7.1、三角波发生器7.2、第一D/A转换模块7.3、第一有源滤波电路7.4、第二有源滤波电路7.5、第二反相比例放大电路7.6、第一加法电路7.7、同相比例放大电路7.8、差分电路7.9、第二加法电路7.10、第一反相比例放大电路7.11、功率放大电路7.12。其中，正弦波发生器7.1的输出端Vout与第一有源滤波电路7.4的输入端连接，三角波发生器7.2的输出端Vout与第二有源滤波电路7.5的输入端连接，第一有源滤波电路7.4的输出端、第二有源滤波电路7.5的输出端分别与第一加法电路7.7的输入端a、输入端b对应连接，第一加法电路7.7的输出端与同相比例放大电路7.8的输入端连接，同相比例放大电路7.8的输出端a、输出端b分别与差分电路7.9的输入端a、输入端b对应连接，差分电路7.9的输出端与第二加法电路7.10的输入端a连接，第一反相比例放大电路7.11的输入端、输出端分别与第二加法电路7.10的输出端、功率放大电路7.12的输入端对应连接；第一D/A转换模块7.3的输出端Vout与第二反相比例放大电路7.6的输入端连接，第二反相比例放大电路7.6的输出端与第二加法电路7.10的输入端b连接。

功率放大电路7.12的输出端a、输出端b分别与DFB LD光源10的输入端DB+、输入端DB-对应连接，功率放大电路7.12的输出端c与第一单片机4的输入端AD12连接；正弦波发生器7.1的输出端Vout与前置信号处理单元13的输入端连接，正弦波发生器7.1的输入端FSYNC、SCLK、SDATA分别与第一单片机4的输出端PH0、PE2、PE3对应连接，三角波发生器7.2的输入端D0～D7分别与第一单片机4的输出端PA0～PA7对应连接，第一D/A转换模块7.3的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机4的输出端PS4、PS5、PS6、PS7对应连接。

本实施例中的温度控制单元6如图4所示：包括第二D/A转换模块6.1、PID调节电路6.2、基准电压源6.3、温度控制芯片6.4。其中，第二D/A转换模块6.1的输出端Vout与PID调节电路6.2的输入端a连接，PID调节电路6.2的输出端c、输入端b分别与温度控制芯片6.4的输入端CTL、输出端ITEC对应连接，温度控制芯片6.4的输入端Vref与基准电压源6.3的输出端连接。

温度控制芯片6.4的输出端TEC+、输出端TEC-分别与DFB LD光源10的输入端TEC+、输入端TEC-对应连接，温度控制芯片6.4的输入端NTC+与DFB LD光源10的输出端NTC+连接，温度控制芯片6.4的输入端TEC_CS、输出端TEC_I、输出端NTC-分别与第一单片机4的输出端PM6、输入端AD06、输入端AD14对应连接；第二D/A转换模块6.1的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机4的输出端PM4、PM5、PJ6、PJ7对应连接。

本实施例中的光路和气室系统12的结构如图5所示：光耦合器12.1的输出接口a、输出接口b分别通过光纤与参考气室12.2输入接口a、待测气室12.3的输入接口a对应连接，参考气室12.2的输出接口b、待测气室12.3的输出接口d分别通过光纤与光开关12.4的输入接口a、输入接口c连接，光开关12.4的输出接口通过光纤与光衰减器12.5的输入接口连接。

光衰减器12.5的输出接口通过光纤与光电传感器14的输入接口连接，待测气室12.3的输出接口b、输出接口c分别与气体压力传感器9的输入接口、气体温度传感器11的输入接口对应连接，光开关12.4的输入端b与第一单片机4的输出端PM6连接，光耦合器12.1的输入接口通过光纤与DFB LD光源10的输出接口连接。

本实施例中的前置信号处理单元13的结构如图6所示：第三有源滤波电路13.1的输出端、第四有源滤波电路13.3的输出端分别与差分输入电路13.2的输入端a、输入端b对应连接，差分输入电路13.2的输出端与程控放大电路13.8的输入端Vin连接，低通滤波电路13.9的输入端、输出端分别与程控放大电路13.8的输出端、第一反相比例放大电路13.11的输入端对应连接。

程控放大电路13.8的输出端与N阶高通滤波电路13.10的输入端连接，第一反相比例电路13.7的输入端、输出端分别与N阶高通滤波电路13.10的输出端、锁相电路13.13的输入端a对应连接。

移相电路13.4的输出端与电压比较电路13.5的输入端连接，倍频电路13.6的输入端、输出端分别与电压比较电路13.5的输出端、锁相电路13.13的输入端b对应连接。

锁相电路13.13的输出端与有源带通滤波电路13.14的输入端连接，第二反相比例电路13.15的输入端、输出端分别与有源带通滤波电路13.14的输出端、加法电路13.16的输入端b对应连接，反相电压偏置电路13.12的输出端与加法电路13.16的输入端a连接，加法电路13.16的输出端与第二反相比例放大电路13.17的输入端连接。

第三有源滤波电路13.1的输入端、第四有源滤波电路13.3的输入端分别与光电传感器14的输出端a、输出端b对应连接；移相电路13.4的输入端与激光器驱动电路7的输出端连接；差分输入电路13.2的输出端与第一单片机4的输入端AD01连接，程控放大电路13.8的输入端INC、U/D、CS分别与第一单片机4的输出端PH5、PH6、PH7对应连接，第一反相比例放大电路13.11的输出端、第二反相比例放大电路13.17的输出端分别与数据采集单元8的输入端IN1、输入端IN2对应连接。

本实施例中的数据采集单元8如图7所示：包括模拟多路开关8.1、基准电压源8.2、A/D转换模块8.3；其中，模拟多路开关8.1的输出端Vout与A/D转换模块8.3的输入端Vin连接，基准电压源8.2的输出端与A/D转换模块8.3的输入端Vref连接。

A/D转换模块8.3的输出端D0～D7分别与第一单片机4的输入端PB0～PB7对应连接，A/D转换模块8.3的输入端BYTE、R/C、CS分别与第一单片机4的输出端PK4、PK5、PT7对应连接，A/D转换模块8.3的输出端BUSY与第一单片机4的输入端PT6连接，模拟多路开关8.1的输入端CS1、输入端CS2分别与第一单片机4的输出端PT4、输出端PT5对应连接，模拟多路开关8.1的输入端IN1、输入端IN2分别与前置信号处理单元13的第一输出端、第二输出端对应连接。

本实施例中的电流传输模块5如图8所示：包括光耦隔离模块5.1、电压/电流转换模块5.2、负载电阻5.3、稳压隔离电源5.4、电流/电压转换模块5.5、线性光耦5.6。其中，光耦隔离模块5.1的输出端d、e、f分别与电压/电流转换模块5.2的输入端LAT、CLK、DATA对应连接，电压/电流转换模块5.2的输出端与负载电阻5.3的输入端连接，负载电阻5.3的输出端与电流/电压转换模块5.5的输入端Iin连接，电流/电压转换模块5.5的输出端Vout与线性光耦5.6的输入端Vin连接；光耦隔离模块5.1的输入端VCC1、电压/电流转换模块5.2的输入端VCC2、线性光耦5.6的输入端VCC1、电流/电压转换模块5.5的输入端VCC2分别与稳压隔离电源5.4的输出端a、b、c、d对应连接。

线性光耦5.6的输出端a、输出端b分别与第一单片机4的输入端AD02、输入端AD03对应连接，光耦隔离模块5.1的输入端a、b、c分别与第一单片机4的输出端PH1、PH2、PH3对应连接。

本具体实施方式的第一单片机4的串口分别与第二单片机1.2的串口、工控机2的串口对应连接，并通过RS485协议互相通信。用户可通过按键设置各种参数发送到第一单片机4，第一单片机4把计算出的气体浓度值、光透过率等发送到第二单片机1.2，通过LCD液晶1.5显示并实时更新；同时，第一单片机4通过串口把检测信号传送到工控机2，用户可以远程监控CO气体浓度。

本具体实施方式采用运行速度快的模拟多路开关8.1、A/D转换模块8.3和第一单片机4实时对现场的数据进行采集，并采用精度高、灵敏度高、响应速度快的工业级气体压力传感器9、气体温度传感器11和光电传感器14。根据比尔-朗伯特(Beer-Lambert)定律，利用测得的气体的压力、气体的温度、二次谐波和光功率综合计算得出CO气体的浓度。

本仪器通过对DFB LD光源10的温度和电流进行调制，使DFB LD光源10发光波长能够精确地锁定在不同气体吸收峰上。采用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)和二次谐波检测结合的方法来检测CO气体浓度。这样，测量一个区域的平均污染程度，不需要多点取样，这对于连续监测或是泄漏监测十分有用；并能监测不易接近的危险区域和可同时测量多种气体成分。

因此，本具体实施方式具有成本低、灵敏度高、选择性强、响应速度快、能连续分析和抗干扰性能好的特点，不仅适用于普通环境气体检测，更能适用于工业生产恶劣的检测环境，具有良好的应用前景。

Claims (8)

1.一种用于检测CO气体浓度的检测仪，该检测仪包括显示与操作单元[1]、工控机[2]、基准电压源[3]、第一单片机[4]、电流传输模块[5]、温度控制单元[6]、激光器驱动电路[7]、数据采集单元[8]、气体压力传感器[9]、DFB LD光源[10]、气体温度传感器[11]、光路和气室系统[12]、前置信号处理单元[13]、光电传感器[14]；

第一单片机[4]的串口COM0、串口COM1分别与工控机[2]的串口、显示与操作单元[1]的串口对应连接，第一单片机[4]的输入端AD07与基准电压源[3]的输出端连接；

第一单片机[4]的输入端AD00、AD01分别与气体压力传感器[9]的输出端、气体温度传感器[11]的输出端对应连接，第一单片机[4]的输出端PM6与光路和气室系统[12]的开关控制输入端连接；光路和气室系统[12]的气体输出接口分别与气体压力传感器[9]的输入接口、气体温度传感器[11]的输入接口连接，光路和气室系统[12]的激光输出接口与光电传感器[14]的激光输入接口连接；

DFB LD光源[10]的激光输出接口与光路和气室系统[12]的激光输入接口连接，DFB LD光源[10]的温度信号检测和控制端与温度控制单元[6]的温度信号检测和控制端连接，DFB LD光源[10]的驱动电流输入端与激光器驱动电路[7]的驱动电流输出端连接；

第一单片机[4]的温度设定端与温度控制单元[6]的温度设定端连接，第一单片机[4]的波形控制输出端、波形调整端分别与激光器驱动电路[7]的波形控制输入端、波形调整端对应连接，第一单片机[4]的电流传输控制端与电流传输模块[5]的电流传输控制端连接，第一单片机[4]的信号放大控制端与前置信号处理单元[13]的信号放大控制端连接，第一单片机[4]的数据采集控制端、数据输入端分别与数据采集单元[8]的数据采集控制端、数据输出端对应连接；

前置信号处理单元[13]的光电转换信号输入端与光电传感器[14]的输出端连接，前置信号处理单元[13]的数据输出端与数据采集单元[8]的信号输入端连接，前置信号处理单元[13]的载波信号输入端与激光器驱动电路[7]的正弦波信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的显示与操作单元[1]包括EEPROM存储芯片[1.1]、第二单片机[1.2]、2*2矩阵键盘[1.3]、复位芯片[1.4]、LCD液晶[1.5]、实时时钟芯片[1.6]；其中，EEPROM存储芯片[1.1]的输入端SCL、数据端SDA分别与第二单片机[1.2]的输出端P16、数据端P17对应连接，2*2矩阵键盘[1.3]的两条行线和两条列线分别与第二单片机[1.2]的输入端P10～P13对应连接，复位芯片[1.4]的输出端RST与第二单片机[1.2]的输入端RST连接，第二单片机[1.2]的输出端P14、P15、P26、P27、P20、P21、P22、P23分别与LCD液晶[1.5]的输入端SI、SO、SCLK、CE、R/W、E/RD、CS、和C/D对应连接，第二单片机[1.2]的输出端P00～P07分别与LCD液晶[1.5]的输入端DB0～DB7和实时时钟芯片[1.6]的输入端DB0～DB7对应连接，第二单片机[1.2]的输出端RD、WR、P24、P25分别与实时时钟芯片[1.6]的输入端RD、WR、AS、DS对应连接，第二单片机[1.2]的输入端IRQ与实时时钟芯片[1.6]的输出端IRQ连接；

第二单片机[1.2]的输入端RXD、输出端TXD分别与第一单片机[4]的输出端TXD1、输入端RXD1对应连接，第二单片机[1.2]与第一单片机[4]通过RS485协议通信。

3.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的激光器驱动电路[7]包括正弦波发生器[7.1]、三角波发生器[7.2]、第一D/A转换模块[7.3]、第一有源滤波电路[7.4]、第二有源滤波电路[7.5]、第二反相比例放大电路[7.6]、第一加法电路[7.7]、同相比例放大电路[7.8]、差分电路[7.9]、第二加法电路[7.10]、第一反相比例放大电路[7.11]、功率放大电路[7.12]；其中，正弦波发生器[7.1]的输出端Vout与第一有源滤波电路[7.4]的输入端连接，三角波发生器[7.2]的输出端Vout与第二有源滤波电路[7.5]的输入端连接，第一有源滤波电路[7.4]的输出端、第二有源滤波电路[7.5]的输出端分别与第一加法电路[7.7]的输入端a、输入端b对应连接，第一加法电路[7.7]的输出端与同相比例放大电路[7.8]的输入端连接，同相比例放大电路[7.8]的输出端a、输出端b分别与差分电路[7.9]的输入端a、输入端b对应连接，差分电路[7.9]的输出端与第二加法电路[7.10]的输入端a连接，第一反相比例放大电路[7.11]的输入端、输出端分别与第二加法电路[7.10]的输出端、功率放大电路[7.12]的输入端对应连接；第一D/A转换模块[7.3]的输出端Vout与第二反相比例放大电路[7.6]的输入端连接，第二反相比例放大电路[7.6]的输出端与第二加法电路[7.10]的输入端b连接；

功率放大电路[7.12]的输出端a、输出端b分别与DFB LD光源[10]的输入端DB+、输入端DB-对应连接，功率放大电路[7.12]的输出端c与第一单片机[4]的输入端AD12连接；正弦波发生器[7.1]的输出端Vout与前置信号处理单元[13]的输入端连接，正弦波发生器[7.1]的输入端FSYNC、SCLK、SDATA分别与第一单片机[4]的输出端PH0、PE2、PE3对应连接，三角波发生器[7.2]的输入端D0～D7分别与第一单片机[4]的输出端PA0～PA7对应连接，第一D/A转换模块[7.3]的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机[4]的输出端PS4、PS5、PS6、PS7对应连接。

4.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的温度控制单元[6]包括第二D/A转换模块[6.1]、PID调节电路[6.2]、基准电压源[6.3]、温度控制芯片[6.4]；其中，第二D/A转换模块[6.1]的输出端Vout与PID调节电路[6.2]的输入端a连接，PID调节电路[6.2]的输出端c、输入端b分别与温度控制芯片[6.4]的输入端CTL、输出端ITEC对应连接，温度控制芯片[6.4]的输入端Vref与基准电压源[6.3]的输出端连接；

温度控制芯片[6.4]的输出端TEC+、输出端TEC-分别与DFB LD光源[10]的输入端TEC+、输入端TEC-对应连接，温度控制芯片[6.4]的输入端NTC+与DFB LD光源[10]的输出端NTC+连接，温度控制芯片[6.4]的输入端TEC_CS、输出端TEC_I、输出端NTC-分别与第一单片机[4]的输出端PM6、输入端AD06、输入端AD14对应连接；第二D/A转换模块[6.1]的输入端DIN、SCLK、CS、CLR分别与第一单片机[4]的输出端PM4、PM5、PJ6、PJ7对应连接。

5.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的光路和气室系统[12]的结构是：光耦合器[12.1]的输出接口a、输出接口b分别通过光纤与参考气室[12.2]输入接口a、待测气室[12.3]的输入接口a对应连接，参考气室[12.2]的输出接口b、待测气室[12.3]的输出接口d分别通过光纤与光开关[12.4]的输入接口a、输入接口c连接，光开关[12.4]的输出接口通过光纤与光衰减器[12.5]的输入接口连接；

光衰减器[12.5]的输出接口通过光纤与光电传感器[14]的输入接口连接，待测气室[12.3]的输出接口b、输出接口c分别与气体压力传感器[9]的输入接口、气体温度传感器[11]的输入接口对应连接，光开关[12.4]的输入端b与第一单片机[4]的输出端PM6连接，光耦合器[12.1]的输入接口通过光纤与DFB LD光源[10]的输出接口连接。

6.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的前置信号处理单元[13]的结构是：第三有源滤波电路[13.1]的输出端、第四有源滤波电路[13.3]的输出端分别与差分输入电路[13.2]的输入端a、输入端b对应连接，差分输入电路[13.2]的输出端与程控放大电路[13.8]的输入端Vin连接，低通滤波电路[13.9]的输入端、输出端分别与程控放大电路[13.8]的输出端、第一反相比例放大电路[13.11]的输入端对应连接；

程控放大电路[13.8]的输出端与N阶高通滤波电路[13.10]的输入端连接，第一反相比例电路[13.7]的输入端、输出端分别与N阶高通滤波电路[13.10]的输出端、锁相电路[13.13]的输入端a对应连接；

移相电路[13.4]的输出端与电压比较电路[13.5]的输入端连接，倍频电路[13.6]的输入端、输出端分别与电压比较电路[13.5]的输出端、锁相电路[13.13]的输入端b对应连接；

锁相电路[13.13]的输出端与有源带通滤波电路[13.14]的输入端连接，第二反相比例电路[13.15]的输入端、输出端分别与有源带通滤波电路[13.14]的输出端、加法电路[13.16]的输入端b对应连接，反相电压偏置电路[13.12]的输出端与加法电路[13.16]的输入端a连接，加法电路[13.16]的输出端与第二反相比例放大电路[13.17]的输入端连接；

第三有源滤波电路[13.1]的输入端、第四有源滤波电路[13.3]的输入端分别与光电传感器[14]的输出端a、输出端b对应连接；移相电路[13.4]的输入端与激光器驱动电路[7]的输出端连接；差分输入电路[13.2]的输出端与第一单片机[4]的输入端AD01连接，程控放大电路[13.8]的输入端INC、U/D、CS分别与第一单片机[4]的输出端PH5、PH6、PH7对应连接，第一反相比例放大电路[13.11]的输出端、第二反相比例放大电路[13.17]的输出端分别与数据采集单元[8]的输入端IN1、输入端IN2对应连接。

7.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的数据采集单元[8]包括模拟多路开关[8.1]、基准电压源[8.2]、A/D转换模块[8.3]；其中，模拟多路开关[8.1]的输出端Vout与A/D转换模块[8.3]的输入端Vin连接，基准电压源[8.2]的输出端与A/D转换模块[8.3]的输入端Vref连接；

A/D转换模块[8.3]的输出端D0～D7分别与第一单片机[4]的输入端PB0～PB7对应连接，A/D转换模块[8.3]的输入端BYTE、R/C、CS分别与第一单片机[4]的输出端PK4、PK5、PT7对应连接，A/D转换模块[8.3]的输出端BUSY与第一单片机[4]的输入端PT6连接，模拟多路开关[8.1]的输入端CS1、输入端CS2分别与第一单片机[4]的输出端PT4、输出端PT5对应连接，模拟多路开关[8.1]的输入端IN1、输入端IN2分别与前置信号处理单元[13]的第一输出端、第二输出端对应连接。

8.根据权利要求1所述的用于检测CO气体浓度的检测仪，其特征在于所述的电流传输模块[5]包括光耦隔离模块[5.1]、电压/电流转换模块[5.2]、负载电阻[5.3]、稳压隔离电源[5.4]、电流/电压转换模块[5.5]、线性光耦[5.6]；其中，光耦隔离模块[5.1]的输出端d、e、f分别与电压/电流转换模块[5.2]的输入端LAT、CLK、DATA对应连接，电压/电流转换模块[5.2]的输出端与负载电阻[5.3]的输入端连接，负载电阻[5.3]的输出端与电流/电压转换模块[5.5]的输入端Iin连接，电流/电压转换模块[5.5]的输出端Vout与线性光耦[5.6]的输入端Vin连接；光耦隔离模块[5.1]的输入端VCC1、电压/电流转换模块[5.2]的输入端VCC2、线性光耦[5.6]的输入端VCC1、电流/电压转换模块[5.5]的输入端VCC2分别与稳压隔离电源[5.4]的输出端a、b、c、d对应连接；线性光耦[5.6]的输出端a、输出端b分别与第一单片机[4]的输入端AD02、输入端AD03对应连接，光耦隔离模块[5.1]的输入端a、b、c分别与第一单片机[4]的输出端PH1、PH2、PH3对应连接。

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