CN103149172B - 一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，属于气体检测领域。包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路、微处理器。其特征在于利用数字电位器作为放大电路的增益电阻，通过微处理器采集到的最终波形的变化经过软件处理后，反馈调节数字电位器的阻值来改变传输光路电信号的放大倍数，达到自动补偿由于环境因素（除气体吸收以外）带来的通过气室的传输光光功率波动的目的，克服了由此带来的系统测量误差。本发明结构简单，实现容易，具有长期稳定性高，对系统环境变化不敏感的特点，可以广泛的应用于自由光路与光纤气体检测领域。

Description

一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法

技术领域

本发明涉及一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，具体讲是通过数字电位器反馈调节传输光路电信号放大倍数自动补偿由于环境因素（除气体吸收以外）带来的传输光光功率波动的方法。

背景技术

微水含量的检测在电力工业中有着重要的作用。80年代中期以来,随着电力工业的迅速发展，六氟化硫（SF₆）电气设备得到了广泛的应用，具体包括SF₆断路器，GIS封闭组合电器，SF₆绝缘的变压器、电压互感器、电流互感器及各类高压套管等。并且目前在建电压等级110kv及以上的项目中,基本上都使用SF₆开关设备。这些电气设备在电力系统中，起着非常重要的作用，其运行的可靠性不仅关系到SF₆电气设备本身，而且影响其他设备，甚至整个电网的安全。

在运行中，SF₆气体受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF₆气体。但是当气体中含有水分时，氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，从而腐蚀电气设备，降低设备绝缘能力，危及维护人员的生命安全。要完全清除仪器内SF₆气体的水分是不可能的，但是时刻掌握SF₆气体微水含量，采取相应的预防控制措施，减少SF₆气体中的水分，可以保证和提高断路器的安全运行可靠性。除电力系统高压开关柜中微水含量,变压器油中的水气体浓度检测也是不可缺少的。

利用红外光谱吸收技术对SF6断路器中水分含量进行检测，其优点是反应速度快，灵敏度高，并可实现在线检测。但是由于光器件如激光器、耦合器，准直器，光纤容易受到温度，应力环境因素变化的影响而改变光发生功率和光耦合效率，使通过气室后的传输光光强发生变化，从而与气体吸收损耗带来的光强变化混淆，带来测量误差。影响了红外光谱吸收技术的测量精度与长期稳定性。

论文“温度对光纤准直器的角度偏移影响分析”[孙鸣捷 光子学报 第35卷第10期 2006年10月 1509-1512页]中提到温度对光线准直器的影响；论文“熔锥光纤耦合器的温度响应”[李川，张以谟，刘铁根，丁胜 传感技术学报 第14卷第3期 2001年9月 196-198页]中提到温度对光纤耦合器的影响。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提出了一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，数字电位器反馈调节放大电路中的电信号放大倍数来自动补偿由于环境因素（除气体吸收以外）带来的传输光路中光功率的波动，克服了由此带来的系统测量误差。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种红外气体检测系统，包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路和微处理器；其特征在于DFB激光器位于气室之前，气室另一端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与参考电路的输出端分别连接到差分电路的输入端，差分电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接微处理器，温控电路连接到DFB激光器，电流驱动电路一边连接微处理器，另一边连接DFB激光器，电流驱动电路的驱动信号由微处理器发出，利用温控电路与电流驱动电路对DFB激光器进行电流驱动及温度驱动；数字电位器的输入端连接微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，通过微处理器动态控制调节数字电位器的电阻值来改变放大电路的负反馈增益，从而控制放大电路的放大倍数；

所述的温控电路是由设置在DFB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、温控芯片及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控芯片，温控芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在DFB激光器上的半导体制冷器（Tec）相连接；

所述的放大电路为集成双运放芯片OPA2604；

所述的电流驱动电路由微处理器的DA与集成运放LM358芯片连接而成；

所述的参考电路由微处理器的DA与集成双运放芯片OPA2604连接而成。

所述的光电探测器是PIN光电探测器。

所述的差分电路为精密仪表运放8221芯片。

所述的滤波电路为通用有源滤波器芯片UAF42，是低通滤波器结构。

所述的微处理器为LPC1758芯片。

所述的DFB激光器是WSLS-137010C1424-20蝶型封装(Distributed Feedback Laser)分布式反馈激光器，波长为1370±2nm。

所述的数字电位器为maxin生产的max5388，256位，50K欧量程数字电位器。

利用上述检测系统对气室进行水气检测的过程，步骤如下：

1）将检测系统连接好；接通各电路模块与单片机的电源，调试光路与电路使其正常工作；待测气体冲入气室；

2）将温控电路中电桥电阻设定为一固定值后不变以实现对DFB激光器的恒温控制：利用微处理器产生在0.03S内电流变化48mA，变化过程从24mA由低到高升温到72mA，然后再从72mA由高到低到24mA往复进行，设定的电流变化范围是以在微处理器中对应的输出电压为三角波的形式来实现的；由于DFB激光器驱动电流变化会导致DFB激光器的输出波长的变化，在微处理器中设置的电压变化输出使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含即24mA到72mA之间的电流变化使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含了水汽吸收峰1368.597nm的波长；

3）调节传输光电路的放大电路及差分电路的放大倍数，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0mv到100mv范围内，在吸收峰处的电压在3V以下，以满足微处理器采集的信号幅值要求；

4）放大倍数调整好之后，经滤波电路由微处理器采集出经水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号，经过微处理器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1000次，取平均值后用微水仪拟合出的差值与水汽含量的关系即可用微处理器计算出水气浓度；

5）待测气体检测完毕，关闭电源。

本发明的系统检测的最终吸收峰波形是由两路三角波信号通过差分电路相减后获得，一路为光信号通过光电探测器后转换为的电信号，另一路为参考电路产生的模拟电信号，图1上半部分表示正常情况下相减后的最终吸收峰波形，A，B点均为无吸收的波长位置，应在同一水平线上，当环境因素（如温度，应力）变化时，通过气室的信号光强度会发生增强或者衰减，即进入差分电路的一路三角波（光信号转换的一路）会增大或减小，而参考电路产生的模拟三角波电信号始终不变（纯电信号受环境影响很小，变化可以忽略），这就导致了最终吸收峰波形发生畸变，如光强增强时，相当于被减得三角波增大，微处理器采集到的最终波形信号会由图1的上部分波形变化为下部分波形，波形发生畸变会使微处理器计算差值发生变化，从而给测量系统带来测量误差，为了解决该问题，采用基于数字电位器实时补偿环境因素变化对检测系统的影响。

一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，步骤如下：

1），数字电位器的输入端连接到微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，利用微处理器实时改变数字电位器电阻来改变放大电路的放大倍数，通过放大电路放大倍数的反向同比例变化补偿光强的变化，使得放大电路输入差分电路中的一路三角波信号保持不变；

2）两路三角波电信号，包括一路为参考电路产生的模拟三角波电信号，另一路为传输光光电转换后经放大电路放大的三角波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形为微处理器最终采集的波形，系统工作在正常状态时，即无环境因素改变时，最终采集波形中气体吸收峰两侧应在同一水平位置（气体吸收峰两侧对应波长均不在特征吸收区域，无吸收衰减），当环境因素变化时，传输光光强变化，该路进入差分电路的三角波变化，波形畸变，气体吸收峰两侧在水平方向上发生错位；在微处理器芯片中进行判断；

3）当环境因素改变，传输光光强减弱时，通过微处理器增大数字电位器阻值，使放大电路放大倍数增大，用反向同比例增大电路放大倍数的方法补偿光强的衰减，气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

4）当环境因素改变，传输光光强增强时，通过微处理器减小数字电位器阻值，使放大电路放大倍数减小，用反向同比例减小电路放大倍数的方法补偿光强的增强，使气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

5）上述调整1分钟进行一次，能实时消除环境因素变化对系统影响，改善系统稳定性。

本发明具有以下的优点：本发明方便安装，结构简单。通过控制放大器放大倍数的数字电位器实时反馈调节，消除了环境变化以及光源的不稳定的影响，在温差较大的环境也可以运行，精确度与灵敏度高，响应时间短，能及时监控水汽浓度，操作简便，无污染，只要改变波长范围，这种办法同时可以应用到其他种类气体浓度的检测中去，应用十分广泛。

附图说明

图1为环境因素发生改变前后，微处理器采集到波形的变化图，上部分为系统正常工作时的波形，下部分为环境因素发生变化时的畸变波形。

图2是本发明系统的结构示意图。

其中：1、电流驱动电路，2、温控电路，3、DFB激光器，4、气室，5、光电探测器，6、放大电路，7、差分电路，8、参考电路，9、滤波电路，10、微处理器，11、数字电位器。

图3是数字电位器电路。CS为片选端，CLK为SPI总线时钟端，DIN为数值输入端。分别连接在微处理器对应GPIO管脚或者SPI总线管脚，通过微处理器控制数字电位器阻值。W、L为数字电位器电阻输出端连接到图4所示的放大电路W，L两端作为增益电阻。5V电源供电与接地处均加入104电容进行滤波。

图4为放大电路电路图，采用集成双运放2604放大芯片完成两级放大，光电探测器D4的负极与限流电阻R38相连接，D4的正极连接到第一级放大器的负输入端，第一级放大器的输出端连接反馈电阻R39作为增益控制电阻，反馈电阻R39的另一端连接到第一级放大器的负输入端，第一级放大器的正输入端接地，第一级放大器输出端通过电阻R40与第二级放大器的负输入端相接，第二级放大器的正输入端通过1K电阻R42接地，第二级放大器的负输入端和输出端分别和图3所示的数字电位器的电阻输出端W、L端相连接，第二级放大器的输出端连接图5所示的差分电路的负输入端（即Rg电阻上）；放大电路的4、8脚分别连负、正12V电源，负、正12V电源与接地处之间分别连接电容C35、C33进行滤波。

图5为差分电路与滤波电路电路图，差分电路采用运放8221芯片，其负输入端连接电阻Rg，正输入端连接电阻Rh，8221芯片的3脚连接电位器R的中间端和一端，电位器R的另一端连接8221芯片的2脚，电位器R能够对差分电路进行增益控制；8221芯片的5、8脚分别连接负、正12V电源，负、正12V电源与接地处之间分别连接电容C41、C40进行滤波；8221芯片的输出端7脚连接电阻Rm，Rm的另一端连接电阻Rn之后接地，Rm和Rn的公共端连接到滤波电路；滤波电路是有源滤波芯片UAF构成的低通滤波器，其中电阻Ri连接在滤波芯片UAF的8脚和16脚，电阻Rk连接到滤波芯片UAF的9脚和14脚，其1脚连接微处理器的A／D端进行数据采集，2脚、15脚接地，10脚、11脚分别连接负、正12V电源，负、正12V电源与接地处之间分别连接电容C43、C42进行滤波；低通滤波器中由Ri，Rk，Rm，Rn的阻值来决定滤波截止频率。

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2所示：一种红外气体检测系统，包括电流驱动电路1、温控电路2、DFB激光器3、气室4、光电探测器5、放大电路6、差分电路7、参考电路8、滤波电路9、微处理器10、数字电位器11，其特征在于DFB激光器3位于气室4之前，气室4另一端接光电探测器5的输入端，光电探测器5的输出端与放大电路6连接，放大电路6的输出端与参考电路8的输出端分别连接到差分电路7的输入端，差分电路7的输出端连接滤波电路9的输入端，滤波电路9的输出端连接微处理器10，温控电路2连接到DFB激光器3，电流驱动电路1一边连接微处理器10，另一边连接DFB激光器3，电流驱动电路1的驱动信号由微处理器10发出，利用温控电路2与电流驱动电路1对DFB激光器3进行电流驱动及温度驱动；数字电位器11的输入端连接微处理器10，数字电位器11的输出端连接到放大电路6的负反馈增益控制端，通过微处理器10动态控制调节数字电位器11的电阻值来改变放大电路6的负反馈增益，从而控制放大电路6的放大倍数；

所述的温控电路2是由设置在DFB激光器3内部的集成的热敏电阻和外接电阻组成的电桥、电压比较、温控芯片及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控芯片，温控芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在激光器上的半导体制冷器（Tec）相连接；

所述的放大电路6为集成双运放芯片OPA2604；

所述的电流驱动电路1由微处理器的DA与集成运放LM358芯片连接而成；

所述的参考电路8由微处理器的DA与集成双运放芯片OPA2604连接而成。

所述的光电探测器5是PIN光电探测器。

所述的差分电路7为精密仪表运放8221芯片。

所述的滤波电路9为通用有源滤波器芯片UAF42，是低通滤波器结构。

所述的微处理器10为LPC1758芯片。

所述的DFB激光器3是WSLS-137010C1424-20蝶型封装(Distributed Feedback Laser)分布式反馈激光器，波长为1370±2nm。

所述的数字电位器11为maxin生产的max5388，256位，50K欧量程数字电位器。

实施例2：

利用上述检测系统对气室进行水气检测的过程，步骤如下：

1）将检测系统连接好；接通各电路模块与单片机的电源，调试光路与电路使其正常工作；待测气体冲入气室；

2）将温控电路中电桥电阻设定为一固定值后不变以实现对DFB激光器的恒温控制：利用微处理器产生在0.03S内电流变化48mA，变化过程从24mA由低到高升温到72mA，然后再从72mA由高到低到24mA往复进行，设定的电流变化范围是以在微处理器中对应的输出电压为三角波的形式来实现的；由于DFB激光器驱动电流变化会导致DFB激光器的输出波长的变化，在微处理器中设置的电压变化输出使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含即24mA到72mA之间的电流变化使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含了水汽吸收峰1368.597nm的波长；

3）调节传输光电路的放大电路及差分电路的放大倍数，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0mv到100mv范围内，在吸收峰处的电压在3V以下，以满足微处理器采集的信号幅值要求；

4）放大倍数调整好之后，经滤波电路由微处理器采集出经水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号，经过微处理器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1000次，取平均值后用微水仪拟合出的差值与水汽含量的关系即可用微处理器计算出水气浓度；

5）待测气体检测完毕，关闭电源。

一种基于数字电位器改善红外气体检测系统稳定性的方法，步骤如下：

1）数字电位器的输入端连接到微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，利用微处理器实时改变数字电位器电阻来改变放大电路的放大倍数，通过放大电路放大倍数的反向同比例变化补偿光强的变化，使得放大电路输入差分电路中的一路三角波信号保持不变；

2）两路三角波电信号，包括一路为参考电路产生的模拟三角波电信号，另一路为传输光光电转换后经放大电路放大的三角波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形为微处理器最终采集的波形，系统工作在正常状态时，即无环境因素改变时，最终采集波形中气体吸收峰两侧应在同一水平位置（气体吸收峰两侧对应波长均不在特征吸收区域，无吸收衰减），当环境因素变化时，传输光光强变化，该路进入差分电路的三角波变化，波形畸变，气体吸收峰两侧在水平方向上发生错位；在微处理器芯片中进行判断；

3）当环境因素改变，传输光光强减弱时，通过微处理器增大数字电位器阻值，使放大电路放大倍数增大，用反向同比例增大电路放大倍数的方法补偿光强的衰减，气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

4）当环境因素改变，传输光光强增强时，通过微处理器减小数字电位器阻值，使放大电路放大倍数减小，用反向同比例减小电路放大倍数的方法补偿光强的增强，使气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

5）上述调整1分钟进行一次，能实时消除环境因素变化对系统影响，改善系统稳定性。

Claims (4)

1.一种红外气体检测系统，包括温控电路、电流驱动电路、DFB激光器、气室、光电探测器、参考电路、放大电路、数字电位器、差分电路、滤波电路和微处理器；其特征在于DFB激光器位于气室之前，气室另一端接光电探测器的输入端，光电探测器的输出端与放大电路连接，放大电路的输出端与参考电路的输出端分别连接到差分电路的输入端，差分电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接微处理器，温控电路连接到DFB激光器，电流驱动电路一边连接微处理器，另一边连接DFB激光器，电流驱动电路的驱动信号由微处理器发出，利用温控电路与电流驱动电路对DFB激光器进行电流驱动及温度驱动；数字电位器的输入端连接微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，通过微处理器动态控制调节数字电位器的电阻值来改变放大电路的负反馈增益，从而控制放大电路的放大倍数；

所述的温控电路是由设置在DFB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、温控芯片及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控芯片，温控芯片和MOS管电路相连接，MOS管电路的输出端和封装在DFB激光器上的半导体制冷器相连接；

所述的放大电路为集成双运放芯片OPA2604；

所述的电流驱动电路由微处理器的DA与集成运放LM358芯片连接而成；

所述的参考电路由微处理器的DA与集成双运放芯片OPA2604连接而成。

2.如权利要求1所述的一种红外气体检测系统，其特征在于所述的光电探测器是PIN光电探测器。

3.一种利用权利要求1所述系统对气室进行水气检测的过程，步骤如下：

1）将检测系统连接好；接通各电路模块与微处理器的电源，调试光路与电路使其正常工作；待测气体冲入气室；

2）将温控电路中电桥电阻设定为一固定值后不变以实现对DFB激光器的恒温控制：利用微处理器产生在0.03S内电流变化48mA，变化过程从24mA由低到高升温到72mA，然后再从72mA由高到低到24mA往复进行，设定的电流变化范围是以在微处理器中对应的输出电压为三角波的形式来实现的；由于DFB激光器驱动电流变化会导致DFB激光器的输出波长的变化，在微处理器中设置的电压变化输出使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含即24mA到72mA之间的电流变化使得DFB激光器的输出波长变化，输出波长的变化范围包含了水汽吸收峰1368.597nm的波长；

3）调节传输光电路的放大电路及差分电路的放大倍数，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0mv到100mv范围内，在吸收峰处的电压在3V以下，以满足微处理器采集的信号幅值要求；

4）放大倍数调整好之后，经滤波电路由微处理器采集出经水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号，经过微处理器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1000次，取平均值后用微水仪拟合出的差值与水汽含量的关系即可用微处理器计算出水气浓度；

5）待测气体检测完毕，关闭电源。

4.一种基于数字电位器对权利要求1所述红外气体检测系统稳定性进行改善的方法，步骤如下：

1），数字电位器的输入端连接到微处理器，数字电位器的输出端连接到放大电路的负反馈增益控制端，利用微处理器实时改变数字电位器电阻来改变放大电路的放大倍数，通过放大电路放大倍数的反向同比例变化补偿光强的变化，使得放大电路输入差分电路中的一路三角波信号保持不变；

2）两路三角波电信号，包括一路为参考电路产生的模拟三角波电信号，另一路为传输光光电转换后经放大电路放大的三角波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形为微处理器最终采集的波形，系统工作在正常状态时，即无环境因素改变时，最终采集波形中气体吸收峰两侧应在同一水平位置，当环境因素变化时，传输光光强变化，该路进入差分电路的三角波变化，波形畸变，气体吸收峰两侧在水平方向上发生错位；在微处理器芯片中进行判断；

3）当环境因素改变，传输光光强减弱时，通过微处理器增大数字电位器阻值，使放大电路放大倍数增大，用反向同比例增大电路放大倍数的方法补偿光强的衰减，气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

4）当环境因素改变，传输光光强增强时，通过微处理器减小数字电位器阻值，使放大电路放大倍数减小，用反向同比例减小电路放大倍数的方法补偿光强的增强，使气体吸收峰两侧回到同一水平位置后，说明差分电路中光信号转换的三角波幅值恢复到环境因素变化前三角波的大小，数字电位器阻值不再发生改变，调整停止；

5）上述调整1分钟进行一次，能实时消除环境因素变化对系统影响，改善系统稳定性。