CN102495021B

CN102495021B - 一种基于双吸收峰的微量水气检测系统和方法

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Publication number: CN102495021B
Application number: CN 201110411952
Authority: CN
Inventors: 常军; 宋海永; 田均强; 宋复俊; 王强; 朱存光; 高婷; 李晨
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN102495021A

Abstract

一种基于双吸收峰的微量水气检测系统和方法，属水气检测技术领域，系统包括激光器、单片机等，激光器位于耦合器之前，耦合器将激光束分为两路；一路经光纤和气室相连接，气室中放置准直器，气室另一端经光纤和一光电探测器相连；另一路由光纤接到第二光电探测器，两光电探测器输出端分别和两放大滤波电路相连，两放大滤波电路输出端分别接到差分滤波电路，差分滤波电路输出端接示波器和单片机；激光驱动模块和温度控制电路分别接到激光器，温度控制电路和单片机相连。本发明可消除各种因素导致的无吸收部分的光强波动，测量精度高；利用温度调节波长扫描范围可有效的把波长控制在所需的范围内；传感器不带电，可实现探测点的无电探测。

Description

一种基于双吸收峰的微量水气检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布反馈半导体激光器波长扫描的气体检测方法，具体讲是一种利用水气在其两个本征吸收谱线处的吸收峰相对值来计算水气浓度的方法。

背景技术

当光通过介质时，即使不发生反射、折射和衍射现象，其传播情况也会发生变化。这是因为光子与组成介质的分子和原子将发生作用，主要是发生吸收和散射，造成光波衰减。在我们这种传感器中，衰减的产生主要是因为吸收这一过程。可用朗伯—比尔定律进行分析。光波为单色光，在传播距离L后，其光强为：I(λ)=I₀(λ)exp(-α₀CL)(1)式中C—吸收气体的浓度,α₀—单位长度、单位浓度的吸收系数。进一步转化公式(1)，得：

C=1/(αL)ln(I/I₀)(2)。当气室中无待测气体时，透过气室的光经光探测器测得其光强为I₀；当待测气体充入气室并达到一定浓度C后，此气体对光源发出的光有较强的吸收，这时测得通过气室后的光的光强为I，于是I与I₀相比，必有一定程度的衰减，通过测得I₀与I的比值，便可以检测气体的浓度。在被测气体吸收光的过程中,不同的气体物质有不同的吸收峰,即由于分子结构和能量分布的差异，不同的气体将显示出不同的吸收谱,它决定了气体光吸收测量法的选择性和鉴别性,满足被气体吸收后的光的强度变化即气体含量的唯一确定性.探测器的输出表征了被测气体的特性状态.上述构成了光学式气体浓度测量的理论基础.

水蒸气气体的本征吸收谱在λ1=1367.578nm,λ2=1367.862nm,λ3=1368.597nm,λ4=1369.970m处,然而水蒸气在λ=1368.597nm处的吸收系数是其中最大的。

在项目开发过程中，我们发现使用单吸收峰检测方法时，由于高大气压强对信号吸收峰有展宽作用，使得相邻的吸收峰底部重叠，除此之外，不理想归一化等其他原因也会造成吸收峰底部的上移，从而会将底部抬高，而激光器的扫描范围有限从而无法得到吸收峰与未吸收部分的相对值计算，这严重影响到测量精度，甚至检测设备的功能会丧失。《一种新的基于光谱扫描法的水气浓度检测方法实验和理论探索》就是使用了单吸收峰的水气检测方法，它发表于2011年7月的ICEOE2011第四卷第315-319页，该文章的检索号为12221650，ISBN为978-1-61284-275-2。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于双吸收峰的微量水气检测系统和方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，包括激光驱动模块、温度控制电路、激光器、耦合器、准直器、气室、第一光电探测器、第二光电探测器、第一放大滤波电路、第二放大滤波电路、差分滤波电路、示波器及单片机，其特征在于激光器位于耦合器之前，耦合器将输入的一路激光束分为两路激光束；第一路激光束的光路通过光纤和气室相连接，气室中放置准直器，气室另一端由光纤连接到第一光电探测器的输入端；另一路激光束的光路直接由光纤连接到第二光电探测器的输入端，第一、第二光电探测器的输出端分别和第一第二放大滤波电路相连接，第一、第二放大滤波电路的输出端分别连接到差分滤波电路的输入端，差分滤波电路的输出端接示波器和单片机；激光驱动模块和温度控制电路分别连接到激光器以对激光器进行驱动及温度控制，温度控制电路和单片机相连接以实现单片机对激光器的智能化控温。

所述的激光器是WSLS-137010C1424-20型激光器，波长为1370±2nm。

所述的光电探测器是PIN光电探测器。

所述的放大滤波电路包括两个前后相连的集成运放，后级集成运放输入端连接成阻容组合的压控电压源2阶低通滤波器。

所述的差分滤波电路是由差分集成运放和集成滤波芯片连接而成。

所述的温度控制电路是由设置在激光器内部的集成的热敏电阻和外接电阻组成的电桥、电压比较器、温度控制芯片及MOS管电路组成.其中电桥连接到电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接到温度控制芯片，温度控制芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在激光器上的Tec相连接。

上述Tec是英文Thermoelectric Cooler的缩写，即半导体致冷器。

一种利用上述检测系统进行水气检测的方法，步骤如下：

1)将检测系统连接好；接通示波器的电源及各电路模块和单片机的电源，调试光路及电路使其正常工作；待测气体充入气室；

2)设定单片机对激光器温度的控制：温度控制的范围设定为在15s内温度变化14°C，温度变化过程为从28°C开始由低到高升温至35°C，再从35°C由高到低降温至21°C，然后从21°C由低到高升温至35°C往复进行，在单片机中设定的温控范围是以对应的输出电压为三角波形式来实现的；由于激光器温度变化会导致激光器输出波长的变化，在单片机中设置的电压变化输出使得其对激光器的控制温度发生变化，该温度变化即21°C至35°C之间的温度变化使得激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含了水气吸收峰λ2=1367.862nm及λ3=1368.597nm的波长；

3)分别调节信号光电路与参考光电路中的两个放大滤波电路及差分滤波电路的放大倍数，调整时用示波器观察其输出信号，使输出电压在吸收峰之外的幅度为20mV到50mV范围内，以满足单片机采集的信号幅值的要求；

4)放大倍数调整好之后，用示波器观察光经过水气吸收后产生的信号，由单片机采集出经水气吸收后在波长λ2、λ3处产生的两个信号，通过单片机计算出这两个信号的差值并存储该差值，上述采集、计算及存储过程重复3-6次，将计算出的两信号的差值取平均值后用微水仪拟合出双峰差值与水气含量的关系即可用单片机计算出水气浓度；

5)待测气体检测完毕，关闭电源。

上述检测方法步骤2)中的设定单片机对激光器温度的控制，步骤如下：

a.激光器室温（使用说明书上表为25°C）对应着激光器的中心波长（激光器不同，中心波长不同，本方案使用1370±2nm）；

b.根据激光器使用说明书给定的参数，可知每变化1°C，激光器波长变化100pm；

c.由激光器内部热敏电阻的温度系数（每变化1°C其阻值变化量）；

d.有上述3点即可确定中心波长对应的电压值V1和所需扫描范围对应的电压范围ΔV；

上述单片机对激光器进行温度控制的方法，步骤如下：

①开始；

②单片机上电复位，初始化DA控制器；

③设置DA输出的三角波中心电压；

④设置DA电压变化范围ΔV；

⑤设置三角波输出向量表；

⑥定时器中断编写；

⑦中断时间到达，输出三角波向量表；

⑧判断是否输出完成，完成则转到⑦，否则继续输出。

上述DA是指单片机LPC1956内部集成的10位数模转换器。

本发明的原理是利用水气在λ2=1367.862nm、λ3=1368.597nm处对光强有较大吸收的两个吸收峰作为计算水气浓度的依据。具体的方案如下：固定激光器驱动电流，通过温度扫描法来控制激光器发出的激光波长。在温度控制电路中，由预先设定的单片机内DA（数模转换器）输出的波形为三角波的电压信号输入到温度控制电路中的电压比较器的输入端作为温度控制电路的输入信号，外接电阻和封装在激光器内的热敏电阻组成的电桥接入电压比较器的另一输入端,经温度控制电路的温度控制芯片驱动MOS管电路，为封装在激光器内的Tec提供正负电压，相应的Tec也就对激光器进行升温和降温，三角波电压扫描可以使温度在一个确定的范围近似线性的做升降变化，从而使激光器发出的波长在一定范围内变化，调节三角波扫描范围就能够使激光器所发光的波长范围包含λ2,λ3；将激光器发出的激光用耦合器分作两路，一路用光纤传入放在气室内的单纤全反准直器中，光在气体中传输，产生吸收，由准直器汇聚到光纤中，进入光电探测器进行光电转换，光电探测器的输出端连接放大滤波电路，对信号进行处理；另一路光直接用光纤接入光电探测器，将光信号转变为电信号，光电探测器输出端连接放大滤波电路，为了消除共模噪声，将两路处理后的信号接入差分及滤波电路进行处理，最后将处理好的信号分两路，一路连接示波器，用示波器观察吸收光谱，另一路连接单片机，使用单片机采集出吸收峰的峰值，多次测量取平均值后用微水仪拟合出峰值与水蒸气含量的关系即可推算出水气浓度。

本发明的基于双吸收峰的微量水气检测方法有以下优点：

可以有效的消除各种因素导致的无吸收部分的光强波动，测量精度高；利用温度调节波长扫描范围的方法，可以有效的把波长控制在所需的范围内；传感器不带电，可放置在需要探测的环境中，利用光纤传输信号，实现探测点的无电探测。

附图说明

图1是本发明气体检测系统的结构示意图。

其中：1、激光驱动模块，2、温度控制电路，3、激光器，4、耦合器，5、光纤，6、光纤，7、准直器，8、气室，9、光电探测器，10、光电探测器，11、放大滤波电路，12、放大滤波电路，13、差分滤波电路，14、示波器，15、单片机。

图2是本发明中放大滤波电路的电路图。其中U2是集成运放AD8221，U3是集成运放OP07，U2和U3前后相连，后级U3集成运放输入及输出端连接由电阻R4、R5、C13、C9组合成的压控电压源2阶低通滤波器。由于原始信号很弱，为了便于后续电路对信号进行处理，本发明中使用AD8221进行放大。集成运放AD8221通过接在它2、3引脚上的滑动变阻器R=1来调节放大倍数，放大倍数G与滑动变阻器阻值之间具体关系为

为了消除信号中掺杂的高频噪声，采用U3组成的滤波电路将噪声滤除。U3与接在它引脚2，引脚3，引脚6上的电容电阻组成了压控电压源2阶低通滤波器。

图3是本发明中差分滤波电路的电路图。其中U7是集成运放,型号为AD8221,U6是集成滤波芯片，型号为UAF42-SOL-16，U7的输出端通过电阻连接到U6输入端构成差分滤波电路。集成运放AD8221有较高的共模抑制比，此处用它进行差分运算，以进一步消除共模噪声，同时把信号放大到适合值；用滤波芯片UAF42-SOL-16对系统进行噪声滤除，使噪声降到最小。

图4是本发明中温度控制电路的电路图。包括设置在激光器内部的集成的热敏电阻和外接电阻R27组成的电桥、电压比较器U9（型号为LTC2053）、温度控制芯片U8（型号为LTC1923）电路组成.其中设置在激光器内部的热敏电阻通过引线接在插针引脚JP2上，封装在激光器内部的Tec引脚接在插针引脚JP1上，电桥中热敏电阻温度与单片机设定的温度进行比较，以电压的形式输入到电压比较器U9中进行差分运算并输出，电压比较器U9的输出会叠加上温度控制芯片U8一个引脚输出的2.5V电压，若U9输出的电压值为2.5V，则说明热敏电阻的温度就是单片机设定的温度，如不是，则说明激光器内部温度还没达到设定值，此时，温度控制芯片U8会通过它的20、21、24、25引脚控制后面的MOS管电路，该MOS管电路由MOS-1、MOS-2两个芯片四个MOS管组成，MOS管电路的输出端和封装在激光器上的Tec相连接以对Tec输出正负电压，从而达到对激光器进行升温和降温控制之目的，该升温和降温之过程由单片机的设定来确定，该过程非常短暂，调节频率可达225KHz。

图5是本发明水气检测的方法的流程框图；其中1）-5）为其各个步骤。

图6是本发明系统中单片机对激光器进行温度控制的方法的流程框图；其中①-⑧为其各个步骤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1-4所示，包括激光驱动模块1、温度控制电路2、激光器3、耦合器4、准直器7、气室8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、第一放大滤波电路11、第二放大滤波电路12、差分滤波电路13、示波器14及单片机15，其特征在于激光器3位于耦合器4之前，耦合器4将输入的一路激光束分为两路激光束；第一路激光束的光路通过光纤6和气室8相连接，气室8中放置准直器7，气室8另一端由光纤连接到第一光电探测器9的输入端；另一路激光束的光路直接由光纤5连接到第二光电探测器10的输入端，第一第二光电探测器9、10的输出端分别和第一、第二放大滤波电路11、12相连接，第一、第二放大滤波电路11、12的输出端分别连接到差分滤波电路13的输入端，差分滤波电路13的输出端接示波器14和单片机15；激光驱动模块1和温度控制电路2分别连接到激光器3以对激光器3进行驱动及温度控制，温度控制电路2和单片机15相连接以实现单片机15对激光器3的智能化控温。

所述的激光器3是WSLS-137010C1424-20型激光器，波长为1370±2nm。

所述的光电探测器9、10是PIN光电探测器。

所述的放大滤波电路11或12包括两个前后相连的集成运放U2和U3，后级集成运放U3输入端连接成由R4、R5、C9和C13组成的阻容组合的压控电压源2阶低通滤波器。

所述的差分滤波电路13是由差分集成运放U7和集成滤波芯片U8（型号为LTC1923）连接而成。

所述的温度控制电路2是由设置在激光器3内部的集成的热敏电阻和外接电阻R27组成的电桥、电压比较器U9（型号为LTC2053）、温度控制芯片U8（型号为LTC1923）及MOS管电路（MOS-1、MOS-2两个芯片四个MOS管）组成.其中电桥连接到电压比较器U9的输入端，电压比较器U9的输出端连接到温度控制芯片U8，温度控制芯片U8和MOS管电路相连接，MOS管电路输出端连接封装在激光器内的Tec。

实施例2：

一种利用上述检测系统进行水气检测的方法，如图5所示，步骤如下：

5)待测气体检测完毕，关闭电源。

上述单片机对激光器进行温度控制的方法，如图6所示，步骤如下：

①开始；

②单片机上电复位，初始化DA控制器；

③设置DA输出的三角波中心电压；

④设置DA电压变化范围ΔV；

⑤设置三角波输出向量表；

⑥定时器中断编写；

⑦中断时间到达，输出三角波向量表；

⑧判断是否输出完成，完成则转到⑦，否则继续输出。

Claims

1.一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，包括激光驱动模块、温度控制电路、激光器、耦合器、准直器、气室、第一光电探测器、第二光电探测器、第一放大滤波电路、第二放大滤波电路、差分滤波电路、示波器及单片机，其特征在于激光器位于耦合器之前，耦合器将输入的一路激光束分为两路激光束；第一路激光束的光路通过光纤和气室相连接，气室中放置准直器，气室另一端由光纤连接到第一光电探测器的输入端；另一路激光束的光路直接由光纤连接到第二光电探测器的输入端，第一第二光电探测器的输出端分别和第一、第二放大滤波电路相连接，第一第二放大滤波电路的输出端分别连接到差分滤波电路的输入端，差分滤波电路的输出端接示波器和单片机；激光驱动模块和温度控制电路分别连接到激光器以对激光器进行驱动及温度控制，温度控制电路和单片机相连接以实现单片机对激光器的智能化控温。

2.如权利要求1所述的一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，其特征在于所述的光电探测器是PIN光电探测器。

3.如权利要求1所述的一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，其特征在于所述的激光器是WSLS-137010C1424-20型激光器，波长为1370±2nm。

4.如权利要求1所述的一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，其特征在于所述的放大滤波电路包括两个前后相连的集成运放，后级集成运放输入端连接成阻容组合的压控电压源2阶低通滤波器。

5.如权利要求1所述的一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，其特征在于所述的差分滤波电路是由差分集成运放和集成滤波芯片连接而成。

6.如权利要求1所述的一种基于双吸收峰的微量水气检测系统，其特征在于所述的温度控制电路是由设置在激光器内部的集成的热敏电阻和外接电阻组成的电桥、电压比较器、温度控制芯片及MOS管电路组成.其中电桥连接到电压比较器的输入端，电压比较器的输出端连接到温度控制芯片，温度控制芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在激光器上的Tec相连接。

7.一种利用权利要求1所述的检测系统进行水气检测的方法，步骤如下：

5)待测气体检测完毕，关闭电源。

8.一种利用权利要求1所述的检测系统中单片机对激光器进行温度控制的方法，步骤如下：

①开始；

②单片机上电复位，初始化DA控制器；

③设置DA输出的三角波中心电压；

④设置DA电压变化范围ΔV；

⑤设置三角波输出向量表；

⑥定时器中断编写；

⑦中断时间到达，输出三角波向量表；

⑧判断是否输出完成，完成则转到⑦，否则继续输出。