CN103528959A - 一种气体浓度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体浓度测量方法及装置，通过将第一方波信号与三角波信号进行叠加，再将所得第一叠加信号与正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号后，使用第二叠加信号对光源进行调制，并将得到的预设波长的第一激光信号射入待测气体，获取从待测气体射出的第二激光信号，并将其转换成光强信号输出，接收第二方波信号发生器输出的第二方波信号，将其作为本频信号对光强信号进行处理，得到二次谐波信号，对二次谐波信号进行放大得到待测谐波信号，并对其进行分析确定待测气体的浓度。本发明通过从光强信号中得到二次谐波信号，并对该二次谐波信号进行放大，使得到的待测谐波信号的信噪比和强度得到提高，从而提高了待测气体浓度的测量精度。

Description

一种气体浓度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及气体测量技术领域，更具体的说是涉及一种气体浓度测量方法及装置。

背景技术

随着人类生存环境的恶化，环境污染对人类的健康和安全的影响日益成为人们密切关注的问题，而工业生产作为造成环境污染的主要因素之一，对其环境的检测也已成为当今技术研究的重点，尤其是对其生产过程中产生的气体浓度的检测。如今，随着半导体激光吸收光谱技术的发展，得知被测气体只能够对特定波长的激光进行吸收，又根据朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律得知，半导体激光穿过被测气体的光强衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系，因此，在实际应用中可通过测量待测气体对激光的衰减来测量气体的浓度。

目前，通常都是采用激光气体分析仪来实现对待测气体浓度的检测，其中，该激光气体分析仪包括发射单元、测量气室、接收单元和分析仪单元，通过发射单元发出特定波长的激光束，穿过测量气室（其内部是待测气体）之后，由所述接收单元接收穿过待测气体的信号，并将其转换成光强信号，并通过所述分析单元对光强信号以及发射单元发出的激光信号进行分析，从而确定待测气体的浓度。

其中，所述发射单元包括可调谐激光二极管和光源驱动器，该可调谐发光二极管是由光源驱动器提供其工作所需的温度和电流，并通过所述温度和电流来控制发出的激光的波长，所以，对于上述特定波长的激光束可通过温度或电流两种调节方式来获得，而由于对可调谐激光二极管的电流信号进行调节的方式能够获取较快的频率调谐速度，所以，在实际应用中，通常都是采用电流调节方式，即通过一锯齿波信号对所述光源驱动器输出的驱动信号进行调制，从而实现对可调谐激光二极管的电流信号的调制，进而得到具有特定波长的激光束。但是，由于激光气体分析仪光源（即所述可调谐激光二极管）发出的激光束的光强本身就很微弱，接收单元接收到的穿过待测气体的激光信号的光强必然会更加微弱，这样很难根据光强的衰减信息精确地分析出待测气体的浓度，大大影响了待测气体浓度的测量精度；另外，由于受检测环境的影响，上述激光气体分析仪光源调制与解调方法得到的光强信号中干扰信号很多，使得所述光强信号的信噪比较低，大大影响了待测气体浓度的测量精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种气体浓度测量方法与装置，解决了现有技术中因接收单元接收到的光强信号微弱以及信噪比低，而影响待测气体浓度的测量精度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气体浓度测量方法，包括：

对第一方波信号与三角波信号进行叠加，得到第一叠加信号；

对所述第一叠加信号与正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号；

使用所述第二叠加信号对光源进行调制，得到预设波长的第一激光信号，并将所述第一激光信号射入待测气体；

获取从所述待测气体射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出；

接收第二方波发生器发送的第二方波信号，并将所述第二方波信号作为本频信号，对所述光强信号进行处理，得到二次谐波信号；

对所述二次谐波信号进行放大，得到待测谐波信号；

对所述待测谐波信号进行分析，确定待测气体的浓度。

优选的，所述第一方波信号的频率为第一预设频率，所述三角波信号的频率为第二预设频率，所述正弦波信号的频率为第三预设频率；所述第二方波信号的频率为第四预设频率，其中，所述第一预设频率等于所述第二预设频率，所述第一预设频率、所述第二预设频率均小于所述第三预设频率，所述第四预设频率是所述第三预设频率的2倍。

优选的，所述获取所述待测气体射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出具体为：

通过光电探测器获取经所述待测气体吸收后射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出。

一种气体浓度测量装置，包括：激光气体分析仪，第一方波发生器、第二方波发生器、三角波发生器、正弦波发生器，第一叠加单元、第二叠加单元、处理单元和放大单元，其中，

所述第一叠加单元的输入端分别与所述第一方波发生器的输出端和所述三角波发生器的输出端相连；

所述第二叠加单元的输入端分别与所述第一叠加单元的输出端和所述正弦波发生器的输出端相连，输出端与所述激光气体分析仪的发射单元相连；

所述处理单元的输入端分别与所述第二方波发生器输出端和所述激光气体分析仪的接收单元的输出端相连，输出端与所述放大单元的输入端相连；

所述放大单元的输入端与所述激光气体分析仪的分析单元相连。

优选的，所述处理单元具体为混频器。

优选的，所述第一叠加单元和所述第二叠加单元均为加法器。

优选的，所述放大单元具体为运算放大器。

优选的，所述接收单元具体为光电探测器。

优选的，所述发射单元包括相连的可调谐激光二极管和光源驱动器，其特征在于，所述第二叠加单元的输出端与所述发射单元相连具体为：

所述第二叠加单元的输出端与所述光源驱动器相连。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种气体浓度测量方法及装置，通过将第一方波信号与三角波信号进行叠加后，再将所得第一叠加信号与较高频率的正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号，并将其发送给所述装置的发射单元，用来完成对该发射单元要发出的激光信号的调制，得到所需的第一激光信号，并将其射入测量气室中，之后，由接收单元对待测气体吸收后发出的激光信号进行检测，并将检测到的第二激光信号转换成光强信号后发送给处理单元，由该处理单元以接收到的第二方波信号为本频信号，对所述光强信号进行处理，得到该光强信号中的基波信号的二次谐波信号，相对于包含有各种干扰信号的光强信号，本发明所得二次谐波信号的信噪比较大，且经过放大单元对所述二次谐波信号的放大处理后，又进一步增强了所述二次谐波信号的幅值，从而使得放大处理得到的待测谐波信号的信噪比和强度，均比接收单元直接输出的光强信号的信噪比和强度大，这大大提高了对所述待测谐波信号进行分析所得待测气体浓度的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种气体浓度测量方法的实施例1的流程图；

图2为本发明一种气体浓度测量装置的实施例1的结构示意图；

图3为本发明一种光源的调制信号的波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种气体浓度测量方法和装置，通过将第一方波信号与三角波信号进行叠加后，再将所得第一叠加信号与较高频率的正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号（即调制信号），并将该第二叠加信号发送给发射单元，完成对发射单元将要发出的激光信号的调制，得到所需的第一激光信号，并将其射入测量气室，通过接收单元检测所述测量气室射出的信号，并将检测到的第二激光信号转换成光强信号，发送给处理单元，之后以该处理单元接收到的第二方波信号为本频信号，对接收到的所述光强信号进行处理，得到所述光强信号中的二次谐波信号，相对于包含有各种干扰信号的光强信号，本发明所得二次谐波信号的信噪比较大，且经过放大单元对所述二次谐波信号的放大处理后，又进一步增强了所述二次谐波信号的幅值，从而大大提高了经所述放大处理得到的待测谐波信号的信噪比和强度，进而提高了对所述待测谐波信号分析所得待测气体浓度的测量精度。

参照图1，示出了本发明一种气体浓度测量方法的实施例1的流程图，所述方法可以包括：

步骤101：对第一方波信号与三角波信号进行叠加，得到第一叠加信号。

步骤102：对所述第一叠加信号与正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号。

在本发明实施例的实际应用中，第一方波信号、三角波信号和正弦波信号可通过不同的函数发生器来产生，如通过方波发生器产生所述第一方波信号，通过三角波发生器产生所述三角波信号，通过正弦波发生器产生所述正弦波信号；当然，若所选用的函数发生器包括有多个信号输出端，且能够同时产生不同类型的电流信号，为减少函数发生器的使用个数，也可以采用一个或两个函数发生器来产生上述电流信号。其中，需要说明的是，所述第一方波信号和所述三角波信号的频率相等，通常为几十赫兹到几百赫兹，所述第一方波信号和所述三角波信号的频率均小于所述正弦波信号的频率，通常所述正弦波信号的频率为100KHz（单位：千赫兹）以上。

步骤103：使用所述第二叠加信号对光源进行调制，得到预设波长的第一激光信号，并将所述第一激光信号射入待测气体。

其中，需要说明的是，本发明实施例中使用所述第二叠加信号对光源的调制过程，与现有技术中使用锯齿波信号对光源的调制过程是相同的，此处将不再赘述。

另外，根据半导体激光吸收光谱技术的原理得知，待测气体只会对特定波长的激光进行“选频”吸收，至于该特定波长具体为多少可根据所述待测气体的特性而预先设定。

步骤104：获取从所述待测气体射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出。

在本发明实施例中，发射单元发出的第一激光信号射入测量气室后，根据半导体激光吸收光谱技术的原理可知，经测量气室中的待测气体对所述第一激光信号的“选频”吸收后，射出所述测量气室的激光信号必然不同于所述第一激光信号，此时，可通过接收单元对经待测气体吸收后的激光信号进行检测，并将检测到的第二激光信号转换成光强信号，从而完成光信号到电信号的转变，以便后续对所述光强信号的进一步处理。

步骤105：接收第二方波发生器发送的第二方波信号，并将所述第二方波信号作为本频信号，对所述光强信号进行处理，得到二次谐波信号。

在现有技术中，系统得到光强信号后，是直接将其发送给了分析单元，由该分析单元直接分析该光强信号的衰减信息，以便根据该衰减信息，确定待测气体的浓度，但由于所述光强信号中干扰信号较多，使得其信噪比很低，大大影响了所得待测气体浓度的精度。

为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明利用谐波检测技术灵敏度高、抗干扰能力强的优点，对接收单元输出的光强信号进行了进一步处理，即以固定频率的第二方波信号为本频信号，对接收到的所述光强信号进行混频处理，从而在所述光强信号中“提取”出二次谐波信号，相对于接收单元输出的光强信号，本发明所得二次谐波信号的信噪比较高，提高了最后所得待测气体浓度的测量精度。

其中，需要说明的是，在本发明实施例中，所述第二放波信号的频率为上述步骤102中的正弦波信号频率的2倍。

步骤106：对所述二次谐波信号进行放大，得到待测谐波信号。

步骤107：对所述待测谐波信号进行分析，确定待测气体的浓度。

为了解决现有技术中接收单元输出的光强信号的强度较弱的技术问题，本发明实施例通过对步骤105所得二次谐波信号的放大处理，从而增强了放大处理后所得待测谐波信号的强度，进而，再由分析单元根据所述待测信号分析待测气体的浓度，以达到提高气体浓度测量精度的目的。其中，需要说明的是，通过待测谐波信号分析出待测气体的浓度的操作过程与现有技术相同，本发明将不再赘述。

另外，需要说明的是，本发明实施例中的所述处理单元可以为混频器，至于根据上述本频信号对所述光强信号进行处理，得到所述光强信号的二次谐波信号的具体操作与现有技术相同，本发明将不再赘述。

在本发明实施例中，通过先将预设频率的第一方波信号与三角波信号进行叠加，再将得到的第一叠加信号与较高频率的正弦波信号进行叠加，从而得到第二叠加信号（即调制信号）之后，再使用该第二叠加信号对发射单元将要发出的激光信号进行调制，得到所需波长的第一激光信号，并将其射入待测气体中，由接收单元对所述待测气体射出的激光信号进行检测，并将检测到的第二激光信号转换成光强信号，发送给处理单元，由该处理单元以接收到的第二方波信号为本频信号，对所述光强信号进行处理，得到所述光强信号中的二次谐波信号，再对所述二次谐波信号进行放大处理，使得到的待测谐波信号的信噪比和强度都得到了大幅度提高，从而提高了分析单元根据该待测谐波信号分析出待测气体浓度的测量精度。

参照图2，示出了本发明一种气体浓度测量装置的实施例1的结构示意图，所述装置可以包括激光气体分析仪，该激光气体分析仪包括：发射单元201、测量气室202、接收单元203和分析单元204，此外，所述装置还包括，第一方波发生器205、三角波发生器206、第一叠加单元207、正弦波发生器208、第二叠加单元209、处理单元210、第二方波发生器211和放大单元212，其中，

所述第一叠加单元207的输入端分别与所述第一方波发生器205的输出端和所述三角波发生器206的输出端相连。

在本发明实施例中，所述第一方波发生器205用于输出具有第一预设频率的第一方波信号，所述三角波发生器206用于输出具有第二预设频率的三角波信号，所述第一叠加单元207用于对接收到的所述第一方波信号和所述三角波信号进行叠加，输出第一叠加信号，如图3所示的本发明一种光源调制信号的波形示意图，图a为所述第一方波信号，图b为所述三角波信号，图c为所述第一叠加信号，其中，需要说明的是，所述第一预设频率等于所述第二预设频率，通常为几十赫兹到几百赫兹。

所述第二叠加单元209的输入端分别与所述第一叠加单元207的输出端和所述正弦波发生器208的输出端相连，输出端与所述发射单元201相连。

其中，所述正弦波发生器208用于输出具有第三预设频率的正弦波信号，由所述第二叠加单元209接收所述第一叠加单元207输出的所述第一叠加信号，以及所述正弦波发生器208输出的正弦波信号，并对接收到的所述第一叠加信号和所述正弦波信号进行叠加，输出用于对系统光源进行调制的调制信号即第二叠加信号。仍以图3所示的波形示意图为例，通过波形图说明所述第二叠加单元获得的第二叠加信号的过程，该图3中图d为所述正弦波信号，图e为所述第二叠加信号，即用于对光源进行调制的调制信号。其中，需要说明的是，为了方便得到用于分析待测气体浓度的二次谐波，所述第三预设频率大于所述第一预设频率和所述第二预设频率，且所述第三预设频率通常为100KHz以上。

在本发明实施例中，所述第一叠加单元208和所述第二叠加单元210可以为加法器，或其他能够将接收到的两信号进行叠加的器件，且在实际应用中，所述发射单元201通常包括相连的可调谐激光二极管和光源驱动器，则所述第二叠加单元210的输出端具体是与所述光源驱动器相连，用于将得到的调制信号（即第二叠加信号）叠加到该光源驱动器的驱动信号上，通过对该驱动信号的调制实现对所述可调谐激光二极管的电流信号的调制，进而完成对光源的调制，该调制过程与现有技术中锯齿波信号对光源的调制过程相同，此处将不再详述。

另外，在本发明实施例中，当所述调制操作完成后，所述发射单元201将会把发出的具有预设波长的第一激光信号射入测量气室202，经过该测量气室202内待测气体对所述第一激光信号的“选频”吸收后，由所述接收单元203对射出该测量气室的激光信号进行检测，并将检测到的第二激光信号转换为光强信号。其中，所述第一激光信号可以是以激光束的形式被发射单元201发出。

所述处理单元210的输入端分别与所述第二方波发生器211输出端和所述接收单元203的输出端相连，输出端与所述放大单元212相连。

其中，所述第二方波发生器211用于输出具有第四预设频率的第二方波信号，并将该第二方波信号发送给所述处理单元210，作为本频信号，以便所述处理单元从所述光强信号中得到二次谐波信号，显然，与所述光强信号的信噪比相比，本发明所得二次谐波信号的信噪比要大很多，这大大提高了最终所得分析待测气体浓度的测量精度。其中，需要说明的是，所述第四预设频率是所述第三预设频率的2倍

其中，所述处理单元210具体可以为混频器。且，本发明实施例中的所述第一方波发生器、第二方波发生器、三角波发生器和正弦波发生器可以是具有多个输出端的同一函数发生器，也可以是不同的函数发生器。

所述放大单元212的输入端与所述分析单元204相连，通过对所述处理单元输出的二次谐波信号进行放大处理，提高了所述二次谐波信号的强度，从而使得所述放大单元212向分析单元204发送的待测谐波信号的强度，与现有技术中接收单元203向分析单元204发送的光强信号的强度相比，得到的大幅度的提高，进而大大提高了经分析单元204对所述待测谐波信号分析所得待测气体浓度的精度。

其中，在本发明实施例中，所述放大单元212可以为运算放大器。

另外，对于本发明所述的一种气体浓度测量装置，除了上述实施1中的各器件，还包括用于连接上述各器件的连接设备，如连接管、线或阀门等，其均属于本发明的保护范围，此处将不再一一列举。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种气体浓度测量方法，其特征在于，包括：

对第一方波信号与三角波信号进行叠加，得到第一叠加信号；

对所述第一叠加信号与正弦波信号进行叠加，得到第二叠加信号；

使用所述第二叠加信号对光源进行调制，得到预设波长的第一激光信号，并将所述第一激光信号射入待测气体；

获取从所述待测气体射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出；

接收第二方波发生器发送的第二方波信号，并将所述第二方波信号作为本频信号，对所述光强信号进行处理，得到二次谐波信号；

对所述二次谐波信号进行放大，得到待测谐波信号；

对所述待测谐波信号进行分析，确定待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一方波信号的频率为第一预设频率，所述三角波信号的频率为第二预设频率，所述正弦波信号的频率为第三预设频率；所述第二方波信号的频率为第四预设频率，其中，所述第一预设频率等于所述第二预设频率，所述第一预设频率、所述第二预设频率均小于所述第三预设频率，所述第四预设频率是所述第三预设频率的2倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取从所述待测气体射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出具体为：

通过光电探测器获取经所述待测气体吸收后射出的第二激光信号，并将所述第二激光信号转换成光强信号输出。

4.一种气体浓度测量装置，包括：激光气体分析仪，其特征在于，所述装置还包括：第一方波发生器、第二方波发生器、三角波发生器、正弦波发生器，第一叠加单元、第二叠加单元、处理单元和放大单元，其中，

所述第一叠加单元的输入端分别与所述第一方波发生器的输出端和所述三角波发生器的输出端相连；

所述第二叠加单元的输入端分别与所述第一叠加单元的输出端和所述正弦波发生器的输出端相连，输出端与所述激光气体分析仪的发射单元相连；

所述处理单元的输入端分别与所述第二方波发生器输出端和所述激光气体分析仪的接收单元的输出端相连，输出端与所述放大单元的输入端相连；

所述放大单元的输入端与所述激光气体分析仪的分析单元相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理单元具体为混频器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一叠加单元和所述第二叠加单元均为加法器。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放大单元具体为运算放大器。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述接收单元具体为光电探测器。

9.根据权利要求4-8任一项所述的装置，所述发射单元包括相连的可调谐激光二极管和光源驱动器，其特征在于，所述第二叠加单元的输出端与所述发射单元相连具体为：

所述第二叠加单元的输出端与所述光源驱动器相连。

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