CN103472003A - 一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法 - Google Patents

Abstract

一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法，属于光纤传感探测技术领域。对激光器进行波长调制，经过气体吸收峰后利用锁相技术进行探测并进行信号处理。实现系统包括激光器的温控和驱动电路，激光器，1:1光纤耦合器，气室，光电探测器，电流电压转换模块，自动增益控制放大器，减法器，锁相模块，信号处理与探测模块。本方法使用锁相模块并在锁相之前进行探测信号相减，可大幅提高信噪比，有效提取气体浓度信号；自增系放大可解决由于光纤颤动、激光器功率波动等因素带来的光强信号变化，可提高系统稳定性。且这个系统还有体积小，结构简单，成本低廉等优点。

Description

一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法

技术领域

本发明涉及一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法，是一种同时使用电压相减、锁相、自增益控制技术进行微量水蒸气检测的新方法。属于光纤传感探测技术领域

背景技术

检测水蒸气浓度在很多领域都有很重要的意义。天然气中水的存在会引起管线水堵，造成管线冰堵，腐蚀管线、设备和仪表，影响天然气计量的准确度，给天然气的安全生产和使用造成极大危害。变压器油中含水量愈多，油质本身的老化、设备绝缘老化及金属部件的腐蚀速度愈快，监测油中水分的含量十分必要。在高压开关等电气设备中，SF6会与水发生化学反应，造成设备绝缘性能下降，而且还会对环境造成污染。因此，对SF6中水蒸气含量进行准确及时的在线监测非常重要。现如今使用的微量气体检测方法有露点法、电解法、阻容法等。利用这些方法设计的检测系统普遍存在着反应慢，使用寿命短，精度差而且成本非常高。因此，迫切需要一种简单易行的检测方法来决解上述问题。

中北大学徐振峰所写论文《瓦斯浓度二次谐波检测相关技术研究》中提到的二次谐波检测方法利用一次谐波对激光器进行调制，经过气体吸收峰后激光信号了携带大量频率的信号，利用锁相模块在二次参考信号辅助下进行二次频率谐波探测可以得到包含气体浓度信息的二次信号而滤掉其他频率成分的信号。这种方法可大幅提高信噪比，但因光电探测器和激光器生产过程中本身还有水且易受外界大气水蒸气浓度影响，加上光纤的颤动和激光器功率的波动对光强产生影响都会对水蒸气探测带来影响，因此探测精度受到了限制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法。

本发明方法的技术方案如下：

一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法，由以下系统来实现，该系统包括激光器的温控和驱动模块、DFB激光器、1:1光纤耦合器、气室、光电探测器A、B、电流电压转换模块A、B、自动增益控制放大器A、B、减法器、锁相模块和单片机，其中激光器的温控和驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器沿光路位于1:1光纤耦合器之前，1:1光纤耦合器输出端将光路分为信号检测光路和参考光路，信号检测光路中放置气室，气室后面放置光电探测器A，光电探测器A输出端连接到电流电压转换模块A的输入端，电流电压转换模块A的输出端和自动增益控制放大器A的输入端相连接，自动增益控制放大器A的输出端连接到减法器的输入端；参考光路中放置光电探测器B，光电探测器B输出端连接到电流电压转换模块B的输入端，电流电压转换模块B的输出端和自动增益控制放大器B的输入端相连接，自动增益控制放大器B的输出端连接到减法器的另一个输入端；减法器的输出端和锁相模块相连接，锁相模块和单片机相连接；锁相模块和激光器的温控和驱动模块相连接，温控和驱动模块负责DFB激光器的温度控制，提供DFB激光器的调制信号并给锁相模块提供参考信号，该方法步骤如下：

1)控制驱动和温控模块产生一次调制信号用于DFB激光器驱动，并产生频率二倍于一次调制波的二次参考信号用于锁相模块选频；

2)连接光路，DFB激光器输出端连接1：1耦合器，分成信号检测光路和参考光路，信号检测光路连接待测气体的气室后由光电探测器A接收，参考光路则直接连接光电探测器B；

3)两光路经光电探测器A、B接收后分别连接电压电流转换模块A、B转换为与驱动信号相应的含有水蒸汽吸收的电压信号，经过自动增益控制放大器A、B后两路用于扫描的正弦包络信号幅值完全相同；

4)对调整后电压幅值相同的两路电压信号输入到减法器的输入端由其相减后，减掉相同的信号部分保留不同浓度吸收差异的信号部分；

5)将减法器的输出端连接锁相模块，对相减后的结果进行锁相，得到与二次参考信号相同频率的谐波信号，经过单片机处理后得到水蒸气浓度信息。

本发明采用的锁相原理如中北大学徐振峰所写论文《瓦斯浓度二次谐波检测相关技术研究》所述，通常在一个大气压下，水蒸气的吸收线性可由洛伦兹线型表示：

$\mathrm{\α}\left(v\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{v-{\mathrm{\υ}}_0}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中α(ν)为气体在光频率为υ处的吸收系数，α0为水蒸气在吸收峰中心处的吸收系数，γ为吸收线板宽度。调节激光器的温度和直流驱动电流，使激光波长为定在水蒸气的某一吸收峰处。然后，在激光器的驱动电流信号上叠加一适当频率和幅度的正弦信号，对激光器的波长进行调制，使其在吸收峰处按正弦规律变化，则有：

v＝υ_C+Δυ·sinωt    (2)

其中νc为激光器中心频率，Δν为频率调制幅度，吸收系数表达式可表示为：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+{\left(\frac{{\mathrm{\υ}}_C-{\mathrm{\υ}}_0+\mathrm{\Δ\υ}\·\sin \mathrm{\ωt}}{\mathrm{\γ}}\right)}^2}---\left(3\right)$

由于激光器光强也相应受到调制，所以光强公式为：

I(υ)＝I₀(υ)(1+η·sinωt)[1-α(υ)CL]    (4)

式中L为光通过待测气体的光程，C为待测气体的体积浓度。将激光器波长稳定在吸收中心处，即有νc=ν0，定义调制度（3）式可化为：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\υ}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0}{1+x^2\·{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)}---\left(5\right)$

对（5）式展开傅里叶级数，可知除了直流分量外，只有偶次谐波并且二次谐波信号是各次谐波中最强的：

α(υ)＝α_O[k_O-k₂·sin(2ωt)+k₄·sin(4ωt)-…]    (6)

光强公式也可变形为：

I(υ)＝I₀(υ)(1+ηsinωt)[1-α₀CL(k₀-k₂·sin(2ωt)+k₄·sin(4ωt)-…)]    (7)

通过公式可看到偶次谐波分量的幅值含有待测气体的浓度信息。利用锁相技术锁定二次谐波频率的信号滤除其他频率的信号，检测二次谐波频率信号的幅值即可得出水蒸气浓度。

本发明在原先仅适用锁相电路锁定光电探测器接收信号特定频率谐波获取幅值信息的基础上，增加了参考光路用于消除探测器本身含有的水蒸气对探测精度影响和外界环境变化带来的波动；本发明还增加了自增益控制放大模块，用来消除光强变化带来的测量误差，增强系统稳定性；另外，两路相减可消除信号光路和参考光路中的共同信号，仅保留两路因不同浓度产生不同吸收的部分信号，这样可以避免对之后锁相模块的带宽和滤波苛刻的要求，大幅提高信噪比，提高探测精度。

附图说明

图1是本发明方法的实现系统结构图。

其中：1、激光器的温控和驱动模块，2、DFB激光器，3、1:1光纤耦合器，4、气室，5、光电探测器A，6、光电探测器B，7、电流电压转换模块A，8、电流电压转换模块B，9、自增益控制（AGC）放大器A，10、自增益控制放大器B，11、减法器，12、锁相模块，13、单片机，14、一次调制波驱动信号，15、二次谐波参考信号。

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：

如图1所示，一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法，由以下系统来实现，该系统包括激光器的温控和驱动模块1、DFB激光器2、1:1光纤耦合器3、气室4、光电探测器A5、B6、电流电压转换模块A7、B8、自动增益控制放大器A9、B10、减法器11、锁相模块12和单片机13，其中激光器的温控和驱动模块1与DFB激光器2相连接，DFB激光器2沿光路位于1:1光纤耦合器3之前，1:1光纤耦合器3输出端将光路分为信号检测光路和参考光路，信号检测光路中放置气室4，气室4后面放置光电探测器A5，光电探测器A5输出端连接到电流电压转换模块A7的输入端，电流电压转换模块A7的输出端和自动增益控制放大器A9的输入端相连接，自动增益控制放大器A9的输出端连接到减法器11的输入端；参考光路中放置光电探测器B6，光电探测器B6输出端连接到电流电压转换模块B8的输入端，电流电压转换模块B8的输出端和自动增益控制放大器B10的输入端相连接，自动增益控制放大器B10的输出端连接到减法器11的另一个输入端；减法器11的输出端和锁相模块12相连接，锁相模块12和单片机13相连接；锁相模块12和激光器的温控和驱动模块1相连接，温控和驱动模块1负责DFB激光器2的温度控制，提供DFB激光器2的调制信号并给锁相模块12提供参考信号，该方法步骤如下：

1)控制驱动和温控模块产生一次调制信号用于激光器驱动，并产生频率二倍于一次调制波的二次参考信号用于锁相模块选频；

2)连接光路，DFB激光器输出端连接1：1耦合器，分成信号检测光路和参考光路，信号检测光路连接待测气体的气室后由光电探测器A接收，参考光路则直接连接光电探测器B；

3)两光路经光电探测器A、B接收后分别连接电压电流转换模块A、B转换为与驱动信号相应的含有水蒸汽吸收的电压信号，经过自动增益控制放大器A、B后两路用于扫描的正弦包络信号幅值完全相同；

4)对调整后电压幅值相同的两路电压信号输入到减法器的输入端由其相减后，减掉相同的信号部分保留不同浓度吸收差异的信号部分；

5)将减法器的输出端连接锁相模块，对相减后的结果进行锁相，得到与二次参考信号相同频率的谐波信号，经过单片机处理后得到水蒸气浓度信息。

Claims (1)

1.一种用于微量水蒸气检测的锁相电压相减的新方法，由以下系统来实现，该系统包括激光器的温控和驱动模块、DFB激光器、1:1光纤耦合器、气室、光电探测器A、B、电流电压转换模块A、B、自动增益控制放大器A、B、减法器、锁相模块和单片机，其中激光器的温控和驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器沿光路位于1:1光纤耦合器之前，1:1光纤耦合器输出端将光路分为信号检测光路和参考光路，信号检测光路中放置气室，气室后面放置光电探测器A，光电探测器A输出端连接到电流电压转换模块A的输入端，电流电压转换模块A的输出端和自动增益控制放大器A的输入端相连接，自动增益控制放大器A的输出端连接到减法器的输入端；参考光路中放置光电探测器B，光电探测器B输出端连接到电流电压转换模块B的输入端，电流电压转换模块B的输出端和自动增益控制放大器B的输入端相连接，自动增益控制放大器B的输出端连接到减法器的另一个输入端；减法器的输出端和锁相模块相连接，锁相模块和单片机相连接；锁相模块和激光器的温控和驱动模块相连接，温控和驱动模块负责DFB激光器的温度控制，提供DFB激光器的调制信号并给锁相模块提供参考信号，该方法步骤如下：

1)控制驱动和温控模块产生一次调制信号用于DFB激光器驱动，并产生频率二倍于一次调制波的二次参考信号用于锁相模块选频；

2)连接光路，DFB激光器输出端连接1：1耦合器，分成信号检测光路和参考光路，信号检测光路连接待测气体的气室后由光电探测器A接收，参考光路则直接连接光电探测器B；

3)两光路经光电探测器A、B接收后分别连接电压电流转换模块A、B转换为与驱动信号相应的含有水蒸汽吸收的电压信号，经过自动增益控制放大器A、B后两路用于扫描的正弦包络信号幅值完全相同；

4)对调整后电压幅值相同的两路电压信号输入到减法器的输入端由其相减后，减掉相同的信号部分保留不同浓度吸收差异的信号部分；

5)将减法器的输出端连接锁相模块，对相减后的结果进行锁相，得到与二次参考信号相同频率的谐波信号，经过单片机处理后得到水蒸气浓度信息。

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