CN102706832B - 一种基于tdlas-wms的激光红外气体分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体检测技术领域，涉及一种对氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等气体进行检测的基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪。包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、主探测器和参考探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路；激光器驱动电路和温度控制电路用于控制激光器发光，光学系统的两端分别连接激光器和探测器，强度调制消除电路用于消除系统中强度调制的影响，锁相放大电路用于提取谐波信号，数据采集与显示电路用于显示待测气体的浓度。本发明与其他的检测仪相比，优点是在强度调制消除电路中，引入除法运算，结合空间双光路差分检测法，能够从根本上消除强度调制的影响。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种对氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气等气体进行检测的基于TDLAS-WMS（Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy，TDLAS，Wavelength modulation spectroscopy，WMS）的激光红外气体分析仪。
背景技术
氯化氢是无色而有刺激性气味的气体。易挥发，扩散性强，易溶于水。氯化氢也是一种重要的化工原料，因此，在化工生产过程中，不可避免地会产生氯化氢的废气，由于氯化氢对人的眼睛和呼吸系统有强烈的刺激作用，会引起一系列的人体疾病甚至死亡。氯化氢对环境也有一定的危害，为了尽可能的减少氯化氢气体对人类的生产和生活造成影响，对它的监测至关重要。
甲烷在自然界中分布很广，它是温室效应中的重要气体，温室效应对生物及其所处环境有着很大的影响，甲烷也是煤矿生产中瓦斯气体的主要成分，近年来，我国煤矿爆炸事故时有发生，造成了很多无法挽回的巨大损失。故对甲烷的检测也是义不容辞的。
一氧化碳是大气中分布最广和数量最多的污染物，也是燃烧过程中生成的重要污染物之一。一氧化碳具有毒性，一氧化碳进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，从而使血红蛋白不能与氧气结合，引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息甚至死亡。因为一氧化碳是无色、无味的气体，很容易被人们忽略而致中毒。所以要重视对一氧化碳检测。
而水蒸气即湿度与人们的日常生活密切相关，同时湿度也对各个领域有着重要的影响，因此，对水蒸气的检测也具有重大的意义。
红外气体分析仪的实质是利用特定的气体分子对特定的红外光谱产生吸收这一特点，把光通过气体后的衰减量和气体浓度联系起来，进而把浓度信号转变为光信号，最终转变为电信号。采用可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy，TDLAS）结合波长调制光谱（Wavelength modulationspectroscopy，WMS）技术对气体浓度进行测量，具有灵敏度高、选择性好、长期稳定性等优点。其基本原理是：利用激光器的电流调谐和温度调谐的特性，使激光器的输出波长扫描待测气体的某一吸收峰，同时对激光器进行调制，根据谐波信号与气体浓度的相关性进行检测。但是此技术也存在缺点：调节激光器的注入电流实现波长扫描和调制的同时将引起激光功率的变化，即产生强度调制现象，从而影响测量的精度。
为了消除强度调制现象，一般采用谐波比值法。由于谐波峰值随阶次的升高而变小，因而通常利用一次谐波信号对二次谐波信号进行归一化处理。这种办法虽然可以消除光强、光电增益等公共项，但无法从根本上消除强度调制现象。而且还需测量强度调制与波长调制的相位差、调制一次项与二次项系数等，增加了系统的复杂度。此外，一次谐波的波形不稳定，用二次谐波和一次谐波比值的检测方法会使得测得的浓度值更加的不稳定，从而增大测量的误差。
发明内容
本发明的目的是依据红外吸收原理（朗伯-比尔定律），基于TDLAS-WMS方法检测氯化氢、甲烷、一氧化碳和水蒸气浓度。本发明针对测量中存在的强度调制现象，提出了一种新的解决方法，即利用除法运算结合空间双光路差分检测方法，从根本上消除强度调制现象，克服常规方法的缺点。
本发明所采用的技术方案是将TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱）与WMS（波长调制光谱）相结合。在本质上是通过改变激光器的发射波长，使其光谱扫描待测气体的吸收跃迁谱线。在实验中，首先通过调整激光器的工作温度，使激光器的输出的光波长在吸收跃迁的中心波长位置附近，然后，调节驱动激光器的电流再对波长进一步地精细调节，目的是使激光器发射的中心波长尽可能与吸收谱线中心对准。在确定了工作温度与直流偏置电流后，需要使直流电流周期性地缓慢变化，以实现激光波长对整个跃迁谱线的扫描。为了减小系统中的1/f噪声，采用频率调制技术将待测信号频率调制到高频区域；为了消除强度调制以及光强波动等因素的干扰，采用了除法运算与一般的空间双光路差分检测法相结合的技术；采用锁相放大技术是为了提取二次谐波信号，根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系，实现对气体浓度的检测。
本发明的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，由激光器（内部集成了一个激光二极管，一个热敏电阻和一个热电制冷器）、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、两个红外探测器（一个主探测器和一个参考探测器）、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路组成，其中激光器驱动电路连接激光器，并对激光器进行调制和调谐，使激光器的输出波长能够扫描待测气体的吸收跃迁谱线，同时也减小了系统的1/f噪声；温度控制电路与激光器相连接，并能够在0℃～70℃范围内调节激光器的温度，防止激光器因温度过高或过低而损坏；带有光学腔体的光学系统的一端连接激光器，另一端连接红外探测器，激光器发出的光在光学系统中被等分成两束，一路经过光学腔体被光学腔体内的待测气体吸收后，传送到主探测器，一路直接传送到参考探测器；红外探测器将接收到的光信号转变成电流信号；强度调制消除电路连接红外探测器，将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号，同时利用除法运算与一般的空间双光路差分检测法相结合的技术，消除因波长扫描和调制而引起的激光功率的变化，即强度调制对电压信号的影响；锁相放大电路连接强度调制消除电路，主要是提取二次谐波信号，并将信号放大20倍左右；数据采集与显示电路连接锁相放大电路，根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将二次谐波信号峰值与光学腔体内待测气体的浓度值进行拟合，最终通过显示电路显示测得的气体浓度。
其中，激光器为分布反馈半导体量子级联激光器或者分布反馈半导体量子阱激光器，它还包括一个热敏电阻和一个热电制冷器TEC；热敏电阻作为温度感应元件，感应量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。热电制冷器作为温度调节元件，主要用于改变量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。
其中，激光器驱动电路包括波形产生电路、加法电路和压控恒流源电路。波形产生电路的输出端连接加法电路，加法电路将波形产生电路输出的电压信号叠加，加法电路的输出端与压控恒流源电路相连接，压控恒流源电路的输出端连接激光器，驱动激光器发光。
基于上述，波形产生电路包括三角波产生电路和正弦波产生电路，产生波长扫描的三角波与波长调制的正弦波，同时还产生两个分别与三角波和正弦波同频的方波，作为数据采集的触发源以及锁相放大电路的参考频率，利用单片集成函数发生器ICL8038实现三角波和正弦波产生电路。
其中，温度控制电路包括温度采集与控制单元、温度显示单元、键盘单元、温度存储单元，温度采集与控制单元作为温度控制电路的核心，分别连接温度显示单元、键盘单元以及温度存储单元。
其中，光学系统由光纤适配器、光隔离器、光分束器、光衰减器、准直器、光学腔体、光纤连接而成。激光器发出的光经过光纤适配器进入光学系统，光纤适配器的一端连接光隔离器，光隔离器的另一端连接光分束器；光分束器的一个输出端通过准直器连接光学腔体，光学腔体的输出通过准直器连接光纤适配器，该光纤适配器连接测量光路的红外探测器（主探测器）；光分束器的另一个输出端连接光衰减器，光衰减器连接另一个光纤适配器，该光纤适配器连接参考光路的红外探测器（参考探测器），其中光学系统各部分之间通过光纤连接。
基于上述，光学腔体是一个长方体，高度和宽度相同，内部设计为圆柱形，顶端有一个进气口（外螺纹）、一个出气口（外螺纹）以及一个气压计接口（内螺纹），为了防止腐蚀与生锈，整个气室采用不锈钢材料制成。
其中，强度调制消除电路包括光电转换电路、减法电路、除法电路、同步信号累积电路，光电转换电路连接红外探测器，光电转换电路的输出连接减法电路，减法电路的输出连接除法电路，除法电路的输出连接同步信号累积电路。光电转换电路将电流信号转换成电压信号，减法电路的主要作用是提取待测电压信号（主探测器）和参考电压信号（参考探测器）的差值即变化量，进而消除背景噪声，而除法电路对电压信号差值和参考信号值进行除法运算，进一步消除光源自身波动以及驱动电路的波动引入的干扰。
本发明引入同步信号累积电路，则是利用待测信号的周期性和噪声的随机性，用采样时间极短的采样积分器周期地采样。这样，对于待测信号，由于间隔固定时间，每次采到的数值相同，它的积分平均值仍然为该信号此刻的瞬时值；而对于噪声信号，由于其具有随机性，随着采样次数的增加，其平均值将变小。从而弱化了随机噪声，大大地提高了信噪比。而周期性噪声干扰则在相关检测过程中被抑制，这样周期与非周期性噪声都得到了削弱。
其中，锁相放大电路主要包括相敏检波电路和低通滤波电路。相敏检波电路的输出连接低通滤波电路，低通滤波电路的输出连接数据采集与显示电路的输入端。锁相放大电路利用待测信号与参考信号相关，而噪声与参考信号不相关的特性，很好地抑制了噪声。
其中，数据采集与显示电路包括模数（Analog to Digital，A/D）转换电路、按键控制电路、微控制器(Micro Control Unit，MCU，单片机)和显示电路，其中微控制器分别连接A/D转换电路、按键控制电路和显示电路。
本发明的有益效果是，在检测气体浓度时，采用简单的方法消除了强度调制的影响，很大程度地提高了测量的精度。
本发明采用锁相放大技术，锁相放大是基于相关检测技术的信号处理方法，能有效地提取微弱信号。
本发明具有温度控制电路，可以有效的控制激光器的温度，避免因温度过高或过低而损坏红外光源。
本发明分别对激光器和探测器进行供电，避免因电源电压的不稳定而对红外光强带来影响。
本发明在测量待测气体浓度时，是取一定范围内的已知浓度的气体，然后根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将测得的二次谐波信号峰值与气体浓度值进行拟合，得到二次谐波信号峰值与气体浓度值的关系曲线。在进行具体的测量时，根据测得的二次谐波信号峰值和关系曲线，线性插值，最终得到待测气体的浓度。
附图说明
图1：红外气体分析仪的整体结构图；
图2：激光器的驱动电路图；
图3：激光器温度控制电路结构图；
图4：光学系统结构图；
图5：光学腔体结构图；
图6：强度调制消除电路图；
图7：锁相放大电路图；
图8：数据采集与显示电路图；
图9：甲烷2v3泛频带的R(3)支带的精细结构图；
图10：二次谐波信号与气体浓度的关系图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为红外气体分析仪的整体结构示意图；其中三角波产生电路1，正弦波产生电路2，加法电路3，压控恒流电路4是激光器6的驱动电路，控制激光器发光；温度控制电路5通过激光器6中的热敏电阻和热电制冷器调节激光器的温度，避免激光器因温度过高或过低而损坏；从激光器6中发出的光经过光学系统7传送到主探测器8和参考探测器9中，通过强度调制消除电路10将接收到的光信号转换为电压信号；电压信号依次通过锁相放大电路11，A/D电路12，单片机（MCU）电路13的处理，最终将测得的浓度值在液晶14上显示。
上述红外气体分析仪的激光器驱动电路的具体电路图如图2所示。
扫描三角波通过改变激光器的发射波长使其光谱扫描待测气体的吸收跃迁谱线；调制正弦波利用频率调制技术将待测信号频率调制到高频区域，根据1/f噪声的特性，频率越高，噪声越小，从而达到减小1/f噪声的效果。扫描三角波和调制正弦波的产生使用的是集成函数发生器ICL8038芯片（U1和U2），只需要很少的外围器件就可以在0.001Hz～300KHz的频率范围内产生三角波（3脚输出）、正弦波（2脚输出）、方波（9脚输出）。它的输出信号频率由4脚和5脚连接的电阻以及10脚连接的电容共同确定。
其中图a是正弦波产生电路，正弦波的输出幅值为2.63V，频率为5KHz，芯片外围电路包括电阻R1，R2，R3，R4，R5，R11，R12，R13，R14和电容C1，C2，电阻R1，R2，R5和电容C1主要负责正弦波的输出频率。芯片U1的(1)脚和(12)脚分别连接电位器R11和R14的调节端，通过调整图c中R11和R14的阻值，可以减小正弦波的失真度。芯片U1的(2)脚连接C2的一端，C2的另一端与R4相连，C2的另一端输出的是正弦波信号；R16的一端与C2的输出端连接，用于调节正弦波信号的电压值；(4)脚、(5)脚分别连接电阻R1、R2的一端，R1、R2的另一端分别连接R5的两端，(6)脚连接R5的调节端，(7)脚和(8)脚相连，(9)脚与R3相连，(9)脚处输出的Uref1是与正弦波同频的方波信号，Uref1作为相敏检波的参考信号，(10)脚通过电容C1和(11)脚相连。
其中图b是三角波产生电路，三角波的输出幅值为3.95V，频率为10Hz，芯片外围电路包括电阻R6，R7，R8，R9，R10和电容C3，C4，电阻R6，R7和电容C3主要负责三角波的输出频率。芯片U2的(3)脚连接C4的一端，C4的另一端与R10相连，C4的另一端输出的是三角波信号，R15的一端与C4的输出端连接，用于调节三角波信号的电压值，(4)脚、(5)脚分别连接电阻R6，R7的一端，R6，R7的另一端与(6)脚相连，(7)脚和(8)脚相连，(9)脚与R8相连，(9)脚处输出的Uref2是与三角波同频的方波信号，Uref2作为信号采样开始与结束的标志信号。(10)脚连接电容C3的一端，(11)脚连接电容C3的另一端，(12)脚通过电阻R9和(11)脚相连。
其中图c是正弦波失真度调节电路，R11与R12串联，R13与R14串联，通过调整R11和R14的电阻值，可以进一步减小正弦波的失真度。
其中图d是一个分压电路，R16和R17串联，R15，R18和R17相连，函数发生器U1和U2产生的信号以及基准电压源所产生的3.3V基准电压首先要经过电位器R15，R16，R18进行分压，图中tri，sine分别代表信号产生电路所输出的三角波信号和正弦波信号。而tun、mod与dc分别是三角波、正弦波与3.3V直流电压经过分压之后产生的扫描、调制与直流偏置电压。
其中图e是一个加法电路，将tun、mod与dc进行叠加，qout是三者叠加后用于驱动激光器发光的电压信号。电路采用芯片OP07（U3）和电阻R19，R20，R21，R22实现，U3的(2)脚连接R19，R20的一端，(2)脚通过R22和(6)脚相连，(6)脚为输出端口，(3)脚连接R21的一端，R19，R20，R21的另一端连接电位器R15，R16，R18的调节端。
其中图f是压控恒流源电路，由AD820芯片（U4和U5），金属－氧化物－半导体(metal-oxid-semiconductor,MOS)场效应晶体管，R23，R24，R25，C5，C6组成，利用MOS晶体管源极输出电流受栅极电位影响的特性驱动激光器。输入信号通过U4的同向端进入压控恒流电路，图中R23负责采集注入激光器的电流并将其变成电压值，R23的一端连接R25的一端，R23的另一端与U5的同向输入端相连，U5的反向输入端分别连接R24，R25的一端，U5与R24，R25一起形成了同相输入比例放大电路，放大R23上的电压值，放大后的电压会从反向端输入U4并和代表目标电流的预设电压进行比较，比较后的电压值进入MOS晶体管的栅极，控制导通程度，从而达到了调整源极输出电流的目的，MOS晶体管的漏极与激光器相连接。MOS晶体管栅极和源极之间的电容C6是为了避免自激现象的产生。
图3所示为上述红外气体分析仪激光器的温度控制电路结构图。
本发明的激光器温度控制电路，利用美国德州仪器(TI)公司生产的TMS320F28335型数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)芯片24作为核心，控制各个单元的工作。其中，激光器6，T/V变换15，A/D 16，TEC驱动电路17，D/A 18是温度采集与控制单元，热敏电阻作为温度感应原件，阻值随温度的变化而变化，恒定电流流过热敏电阻产生电压变化，从而实现激光器（LD）的温度-电压转换，然后将此电压信号经过模数转换（A/D）送入DSP等待处理，DSP将热敏电阻采集到的表征当前温度的数字量与表征预置温度的数字量进行比对，调用内部的算法输出控制量，通过数模转换（D/A）输出模拟量使TEC加热或者制冷，改变激光器温度；液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）19是温度显示单元，DSP控制LCD1602完成两行显示，一行为预置温度，一行为当前温度；BC7281键盘接口专用控制芯片20与矩阵键盘21构成键盘单元，设置LD的温度、传送加热、制冷、启动与停止命令给DSP，矩阵键盘通过BC7281键盘接口专用控制芯片与DSP相连；AT24C08 22和温度码表23组成温度数据存储单元，把有限多个整数温度点以数据表的形式，存入8Kb的电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)AT24C08中，AT24C08与DSP以I2C总线连接。
图4所示为上述红外气体分析仪的光学系统。
其中，从激光器发出的光经过光纤适配器25进入光学系统。然后，经过光隔离器26进入按照1：1分束的光纤分束器27中一分为二，一路为主光路，另一路为参考光路，主光路的光束经准直器28耦合进入光学腔体29中，再从另一侧准直器输出由光纤适配器进入光电探测器中，转为待处理的电流信号。参考光路的光束进入光衰减器30中，从光衰减器30输出的光经过光纤适配器接头进入参考光电探测器中，转为电流信号。图中，光纤适配器25的主要作用是负责对光纤的两个端口进行精确对准，从而保证发射端光纤输出的光波能以最低的衰减耦合到接收端的光纤中，使整个系统的链路损耗达到最小化。光隔离器26的作用是只允许光单向传输，也是为了减小反射损耗。参考光路的引入是为了进行信号参比以消除光强波动以及系统其他共性噪声对检测所造成的影响。准直器28可以将光纤断面入射的发散光转变成平行光，或对外部的平行光束进行聚焦，最终达到减少光传输过程中衰减的目的。加可变光衰减器30的目的有两个：一是为了调整参考光强对系统进行调零校准，使无气体时输出信号为零；二是为了对光强进行必要衰减避免它对参考探测器的光敏面造成损伤。
图5所示为上述红外气体分析仪的光学腔体。
其中，的光学腔体是一个长方体，高度和宽度相同，内部设计为圆柱形，顶端有一个进气口31（外螺纹）、一个出气口33（外螺纹）以及一个气压计接口32（内螺纹），待测气体通过进气口进入光学腔体，为了防腐蚀与生锈，整个气室采用不锈钢材料制成。
图6所示为上述红外气体分析仪的强度调制消除电路。利用空间双光路差分检测法与除法运算相结合的技术，消除强度调制以及光强波动等因素的干扰。包括探测器偏置电路、减法电路、除法电路和同步信号累积电路。
其中图g为探测器的偏置电路，采用的是LF353（U6）芯片，U6的(1)脚连接R26的一端，R26的另一端连接U6的(2)脚，U6的(2)脚和(3)脚之间连接探测器1，U6的(5)脚和(6)脚之间连接探测器2，U6的(7)脚连接R27的一端，R27的另一端连接U6的(6)脚，U6的(1)脚和(7)脚为输出端。此电路的工作过程如下：当两个探测器接收光时，分别产生暗电流，暗电流分别流过取样电阻R26、R27，形成电压值，完成光电信号的转换。两路探测器的偏置电路集成在一个双运放上，这样最大程度地降低运放温度系数不同所带来的影响。
其中图h是减法电路，采用AD620（U7）芯片，主要作用是将待测电压信号和参考电压信号进行减法运算，提取参考通道和待测通道信号间的差值，消除系统中的背景噪声。U7的输入引脚(2)脚、(3)脚连接U6的(1)脚和(7)脚，R28的一端连接U7的(1)脚，另一端连接U7的(8)脚，U7的(6)脚为输出端，与U4的(1)脚相连接。
其中图i，j分别为参考信号缓存电路和除法电路，分别采用的是AD708（U8）和AD734（U9）芯片，主要作用是对参考信号进行缓存，并对信号差值和参考信号值进行除法运算，除法电路输入的信号是去除背景噪声的电压信号，输出的信号是进一步消除光源自身波动以及驱动电路的波动引入干扰的电压信号。U8的外围电路包括电阻R29，R30，R31，U8的(1)脚和(2)脚之间通过R29相连，(6)脚和(7)脚通过R31相连，U8的(2)脚通过R30和U9的(7)脚相连，U8的(1)脚，(3)脚，(6)脚，(7)脚分别连接U9的(6)脚，(9)脚，(4)脚和(3)脚，U9的(7)脚和(8)脚相连，U9的(11)脚和(12)脚相连，作为输出脚。
其中图k，l，m，n分别为锁相与倍频电路，放大电路，计数器电路，多路开关电路。此电路中，U10采用的是OP07芯片，将消除噪声的电压信号放大两倍，U10的(2)脚通过R32和U9的输出端相连，通过R33与(6)脚相连，信号由U10的(6)脚输出，接入U13的(3)脚。U11，U12，U13对信号进行同步累积，U11是锁相与倍频模块，对输入信号进行锁相与8倍频处理。采用的是HEF4046芯片，它外接电阻R34，R35，R36和C15，C16。输入U11(14)脚的是与正弦波同频的方波信号，由U11(4)脚输出倍频信号，倍频信号输入计数器芯片CD4520（U12）的(1)脚作为时钟信号，产生1、2、3……8点的顺序门控脉冲来控制多路开关CD4051（U13），使其8个通道以ref1周期的1/8为时间间隔轮流导通，获得8个点，再将这8个点的瞬间波形分别存储于C7～C14中，进行求和与平均，由于扫描信号与有用信号频率与相位相同，因此得到的波形稳定、清晰。图中U11的(3)脚和U12的(5)脚、U13的(9)脚相连，U11的(4)脚和U12的(1)脚相连，U11的(6)脚和(7)脚之间通过C15相连，U11的(11)脚和(12)脚之间通过R35，R36相连，U11的(9)脚和(13)脚之间通过R34相连，U11的(9)脚同时与电容C16连接。U12的(3)脚、(4)脚、(5)脚与U13的(11)脚、(10)脚、(9)脚相连，U13的(1)脚，(2)脚，(4)脚，(5)脚，(12)脚，(13)脚，(14)脚，(15)脚分别和电容C7～C14的一端相连，电容的另一端连接到一起，并与U10的(2)脚相连。
图7所示为上述红外气体分析仪锁相放大电路的核心部分，包括相敏检波电路P和低通滤波电路Q，利用锁相放大技术提取二次谐波信号，根据二次谐波信号与气体浓度的线性关系，实现对气体浓度的检测。
其中U14采用平衡调制/解调器AD630来实现相敏检波。将待测信号和参考信号输入到相敏检波器内部，在内部进行相关运算，具体作用是提取二次谐波信号。待测电压从(1)脚和(16)脚输入，(9)脚参考信号f2取自图6中同步累积电路U11的(4)脚，(10)脚与R37，R38相连，(13)脚输出相关运算后的信号，(14)脚和(17)脚相连，(15)脚，(19)脚，(20)脚相连在一起。
U15采用普通的CA3140E运放设计了一个二阶压控电压源，低通滤波电路的截止频率为6.4KHz，R39、R40、C17、C18构成了两阶RC低通滤波环节，R41、R42构成的比例放大环节将输入电压信号放大两倍，此放大倍数等于整个低通滤波电路的通带增益。图中输入信号连接R39的一端，R39的另一端连接R40的一端，R40的另一端连接U15的(3)脚，R40的另一端同时连接C18，R39的另一端同时连接C17的一端，C17的另一端连接U15的(6)脚，U15的(6)脚连接R42的一端，R42的另一端连接U15的(2)脚和R41，U15的(6)脚为输出端，连接控制器的模数转换输入端，进行后期的处理和显示。
图8所示为上述红外气体分析仪的数据采集与显示电路图，包括控制电路R，显示电路S，A/D电路T。
其中U16为数据采集与显示电路的控制芯片，采用的是STC89C51型号的单片机，U17为A/D转换电路，使用的是ADC0809芯片，U18作为显示电路，使用的是LCD1602液晶显示器。通过在控制芯片U16内部编写程序来驱动A/D转换电路U17和显示电路U18的正常工作，U16的1～8脚分别连接U18的7～14脚，作为LCD显示的输出脚，U16的10～14脚分别连接U17的6，9，7，10，22脚，作为A/D采样的信号控制脚，U16的15～17脚连接U17的23～25脚，作为A/D转换中信号输入通道端口的选择脚，U16的21～23脚连接U18的4～6脚，作为LCD显示的控制引脚，U16的24，26脚分别连接两个按键K2，K1，主要用来控制浓度的显示，U16的28脚与U2的9脚相连，是信号采样开始与结束的控制引脚，U16的32～39脚分别连接U17的21，20，19，18，8，15，14，17脚，作为A/D采样信号的输入脚。U18的1脚和2脚通过可变电阻RV1相连，U18的3脚与可变电阻RV1的可变端相连。
图9所示是甲烷2v3泛频带的R(3)支带的精细结构图
本发明以甲烷气体为例，进一步说明对气体浓度的检测过程。
甲烷气体在1～10μm的光谱范围内共有四个吸收带。吸收最强的两个是甲烷的基频带，中心波长分别为3.31μm和7.65μm。吸收弱的是v3+v4组合带和2v3泛频带，中心波长分别为2.31μm和1.65μm。选择2V3带R(3)支带，它包括3根谱线。
图10所示为上述红外气体分析仪的二次谐波信号峰值与气体浓度的关系图。
本发明在常温常压，温度为296K，压力为1个大气压下，对浓度分别为50ppm～5000ppm范围内的甲烷气体进行了测量。其中50ppm～500ppm浓度范围内，浓度步进量为50ppm，500ppm～5000ppm范围内，浓度步进量为500ppm。
具体测量情况以500ppm的待测气体为例，采用中心波长为1.65um的半导体激光器，激光器的驱动电路驱动激光器发光，为了保证激光器的正常工作，温度控制电路将激光器的温度控制在25℃。待测甲烷气体通过进气口进入气室中，经过吸收的红外光被主探测器接收，未经过甲烷气体吸收的红外光直接被参考探测器吸收，两者都转换成电信号，经过强度调制消除电路，消除背景噪声以及光强波动的影响，然后待测信号进入锁相放大器，提取二次谐波信号，测得的二次谐波信号峰值为863.42mv。在得到全部浓度对应的二次谐波信号峰值后，对二次谐波信号峰值和气体浓度进行线性拟合，拟合方程为y=0.6x-4.5，其中x为二次谐波信号峰值，y为气体浓度值。
在测量未知浓度的气体时，将测得的二次谐波信号峰值代入拟合方程，从而可以得到气体的浓度，最终通过数据采集与显示电路，将气体浓度显示在LCD上。
Claims (7)
1.一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，由激光器、激光器驱动电路、温度控制电路、带有光学腔体的光学系统、红外探测器、强度调制消除电路、锁相放大电路和数据采集与显示电路组成，其特征在于：激光器驱动电路连接激光器，并对激光器进行调制和调谐，使激光器的输出波长能够扫描待测气体的吸收跃迁谱线，同时减小系统的1/f噪声；温度控制电路与激光器相连接，在0℃～70℃范围内调节激光器的温度，防止激光器因温度过高或过低而损坏；带有光学腔体的光学系统的一端连接激光器，另一端连接红外探测器；红外探测器包括主探测器和参考探测器；激光器发出的光在光学系统中被等分成两束，一束经过光学腔体被光学腔体内的待测气体吸收后，传送到主探测器，另一束直接传送到参考探测器，红外探测器将接收到的光信号变成电流信号；强度调制消除电路连接红外探测器，将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号，同时利用除法运算与空间双光路差分检测法相结合的技术，消除因波长扫描和调制而引起的激光功率的变化即强度调制对电压信号的影响；锁相放大电路连接强度调制消除电路，提取二次谐波信号，并将该信号放大；数据采集与显示电路连接锁相放大电路，根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将二次谐波信号峰值与光学腔体内待测气体的浓度值进行拟合，最终通过显示电路显示测得的气体浓度；
其中，强度调制消除电路由光电转换电路、减法电路、除法电路和同步信号累积电路组成，光电转换电路的输入连接红外探测器，光电转换电路的输出连接减法电路，减法电路的输出连接除法电路，除法电路的输出连接同步信号累积电路；光电转换电路将红外探测器的电流信号转换成电压信号，减法电路提取主探测器的待测电压信号和参考探测器的参考电压信号的差值即变化量，进而消除背景噪声，而除法电路对电压信号差值和参考信号值进行除法运算，进一步消除光源自身波动以及驱动电路的波动引入的干扰；同步信号累积电路是利用待测电压信号的周期性和噪声信号的随机性，使得随着采样次数的增加，噪声的平均值将变小，从而弱化随机噪声，提高信噪比。
2.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：激光器为分布反馈半导体量子级联激光器或者分布反馈半导体量子阱激光器，它还包括一个热敏电阻和一个热电制冷器TEC；热敏电阻作为温度感应元件，感应量子级联激光器或者量子阱激光器的温度；热电制冷器作为温度调节元件，用于改变量子级联激光器或者量子阱激光器的温度。
3.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：激光器驱动电路包括波形产生电路、加法电路和压控恒流源电路；波形产生电路的输出端连接加法电路，加法电路将波形产生电路输出的电压信号叠加，加法电路的输出端与压控恒流源电路相连接，压控恒流源电路的输出端连接激光器，驱动激光器发光；波形产生电路包括三角波产生电路和正弦波产生电路，产生波长扫描的三角波与波长调制的正弦波，同时还产生两个分别与三角波和正弦波同频的方波，作为数据采集的触发源以及锁相放大电路的参考频率。
4.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：带有光学腔体的光学系统由光纤适配器、光隔离器、光分束器、光衰减器、准直器、光学腔体和光纤连接组成，激光器发出的光经过光纤适配器进入光学系统，光纤适配器的一端连接光隔离器，光隔离器的另一端连接光分束器；光分束器的一个输出端通过准直器连接光学腔体，光学腔体的输出通过准直器连接光纤适配器，该光纤适配器连接红外探测器的主探测器；光分束器的另一个输出端连接光衰减器，光衰减器连接另一个光纤适配器，该光纤适配器连接红外探测器的参考探测器；光学系统各部分之间通过光纤连接。
5.如权利要求1或4所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：光学腔体是一个长方体，高度和宽度相同，内部设计为圆柱形，顶端有一个带有外螺纹的进气口、一个带有外螺纹的出气口和一个带有内螺纹气压计接口，整个气室采用不锈钢材料制成。
6.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：锁相放大电路由相敏检波电路和低通滤波电路组成，相敏检波电路的输出连接低通滤波电路，低通滤波电路的输出连接数据采集与显示电路的输入端；锁相放大电路利用待测电压信号与参考电压信号相关，而噪声与参考电压信号不相关的特性，起到很好地抑制噪声的作用。
7.如权利要求1所述的一种基于TDLAS-WMS的激光红外气体分析仪，其特征在于：在测量待测气体浓度时，是取一定范围内的已知浓度的气体，然后根据二次谐波信号的峰值与气体浓度的线性对应关系，利用最小均方误差准则，将测得的二次谐波信号峰值与气体浓度值进行拟合，得到二次谐波信号峰值与气体浓度值的关系曲线；然后在进行具体的测量时，根据测得的二次谐波信号峰值和上述关系曲线，线性插值，最终得到待测气体的浓度。
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