CN104535530B - 一种高精度气体浓度检测方法及检测装置 - Google Patents

一种高精度气体浓度检测方法及检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度气体浓度检测方法及检测装置,所述检测方法包括以下步骤:为激光器驱动电路输入电流;激光驱动电路驱动激光器发射激光信号,穿过气室内的被测气体;光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检测,转换为电压信号并输入至检测滤波单元;检测滤波单元进行带通滤波处理后输出的信号其中一路经过锁相放大电路得到二次谐波信号,另外一路经有效值转换电路得到有效值信号;采样计算其波峰值V ppmax、波谷值V ppmin、以及有效值V RMS;据处理单元计算待测气体浓度X。本气体浓度检测方法可以精确测量气体的浓度,并消除电路和透光率变化对气体浓度测量产生的影响,使得检测精度得到提高。

Description

一种高精度气体浓度检测方法及检测装置
技术领域
[0001] 本发明属于气体浓度检测技术领域,具体地说,是涉及一种提高调谐激光气体浓 度检测精度的方法及检测装置。
背景技术
[0002] 光谱气体分析技术通过测量气体透光率来反演分析气体浓度,因此要准确测量被 测气体浓度,必须精确测量气体的透光率。粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减变化等因素 都会使测量气体透光率发生变化,消除透光率的影响需找到一个在透光率发生变化时,与 吸收二次谐波峰峰值同步、同比例变化的影响因子,以吸收谐波峰峰值与该因子相除来消 除透光率变化对仪器线性度的影响。如何找到与吸收谐波峰峰值同步、同比例变化的影响 因子,成为本发明的关键。理论上讲,有多个因子可以选择,但是由于器件、电路等因素对所 选因子的影响结果有很大的不确定性。
[0003] 目前较多采用的检测方法是通过控制激光器的输入电流和工作温度使激光频率 扫描被测气体的吸收谱线,在频率扫描范围内,可以测量得到二次谐波信号幅值和直流分 量信号,由于气体的浓度是由透射光强的二次谐波信号与直流分量信号的比值来决定,二 者比值为:
[0004]
Figure CN104535530BD00031
[0005] 式中:k表示光路中的粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减变化等对两路信号的影 响系数;V DC1和VDC2*别为二次谐波的两个谷值所对应的直流分量信号。上述公式默认为当 激光传输光路中的粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减产生光强衰减时,两信号会等比例 下降,也即影响系数k值相同,无论何种情况下激光传输光路中的粉尘、视窗污染以及激光 器功率衰减造成的光强衰减,二次谐波信号与直流分量信号的比值保持不变。如果测量出 两个信号,并利用该比值来分析气体浓度,则粉尘、视窗污染和激光器功率变化等因素对于 仪器的测量结果的影响可以消除。但是,当环境温度、气压发生变化时,吸收谱线的宽度会 发生变化,吸收信号的二次谐波线型也会相应发生变化,表现为二次谐波的两个谷值所对 应的直流分量值变化,也即,
Figure CN104535530BD00032
此时利用二次谐波信号与 直流分量信号的比值测量气体的浓度会产生测量偏差,也即,当环境温度、气压发生变化 时,吸收谱线的宽度会发生变化,对1^和1«的影响是不同的,若采用目前的认为两者等比例 变化的计算方法的话,计算结果将会产生较大偏差。
发明内容
[0006] 本发明为了解决现有气体浓度检测方法受到影响的因素多、检测结果不精确的技 术问题,提供了一种提高调谐激光气体浓度检测精度的方法,可以解决上述问题。
[0007] 为了解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案予以实现:
[0008] 一种高精度气体浓度检测方法,包括以下步骤:
[0009] (1)、运放加法器将低频三角波扫描信号、高频正弦波调制信号以及直流信号相加 后作用到激光器驱动电路,作为激光器驱动电路的电流输入;
[0010] (2)、激光驱动电路驱动激光器发射激光信号,穿过气室内的被测气体;
[0011] (3)、光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检 测,转换为电压信号并输入至检测滤波单元;
[0012] (4)、检测滤波单元将转换后的电压信号进行带通滤波处理后输出的信号其中一 路依次经前置放大、锁相放大、以及低通滤波处理后,得到二次谐波信号,另外一路经有效 值转换电路得到有效值信号,以及将该有效值信号进行低通滤波处理并输出;
[0013] (5)、数据处理单元接收二次谐波信号以及有效值信号,并进行A/D转换,采样计算 其波峰值V pt»ax、波谷值Vppmin、以及有效值VRMS,所述有效值V RMS为有效值信号在二次谐波信 号的波峰采样时刻处的有效值;
[0014] ⑶、数据处理单元计算待测气体浓度X,其中,
[0015]
Figure CN104535530BD00041
[0016] 进一步的,所述步骤⑶中,查找到两个波谷值,V_indPV_in2,所述步骤⑶中,
[0017]
Figure CN104535530BD00042
[0018] 进一步的,所述步骤⑷中的锁相放大步骤中,输入高频正弦波调制信号的二倍频 信号作为参考信号。
[0019] 进一步的,在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括自动增益控制步骤,将转换后的 电压信号的直流值放大至恒定值。
[0020] 基于上述的一种高精度气体浓度检测方法,本发明同时提供了一种高精度气体浓 度检测装置,包括激光发射装置和光电检测器,所述激光发射装置包括激光器驱动电路和 激光器,所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接,所述光电检测器与检测滤波单元和 数据处理单元连接,所述检测滤波单元包括顺次相连接的电流-电压转换电路、带通滤波电 路和前置放大电路,所述带通滤波电路的输出端其中一路顺次与前置放大电路、锁相放大 电路和第一低通滤波电路连接,另外一路顺次与有效值转换电路以及第二低通滤波电路连 接,所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与数据处理单元连接。
[0021] 进一步的,在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控 制电路。
[0022] 进一步的,所述锁相放大器的另外一输入端连接有移相倍频电路,用于接收高频 正弦波调制信号。
[0023] 又进一步的,所述数据处理单元包括A/D转换电路,所述第一低通滤波电路和第二 低通滤波电路的输出端分别与所述A/D转换电路的输入端连接。
[0024] 进一步的,在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控 制电路。
[0025] 与现有技术相比,本发明的优点和积极效果是:本发明的高精度气体浓度检测方 法,利用了二次谐波信号和正弦波有效值的比值作为系统输出,用于计算气体浓度,由于吸 收谐波峰峰值与穿过被测气体的正弦波有效值均来源于高频正弦波调制信号,所受影响完 全同步同比,在透光率衰减过大的时候,光衰对吸收谐波峰峰值与正弦波有效值的影响一 致,因此本方法可以消除透光率变化对气体浓度测量产生的影响,使得检测精度得到提高。
[0026] 结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后,本发明的其他特点和优点将变得更 加清楚。
附图说明
[0027] 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 发明的一些实施例,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 根据这些附图获得其他的附图。
[0028] 图1是本发明所提出的提高调谐激光气体浓度检测精度的方法的一种实施例方框 图;
[0029] 图2是本发明所提出的提高调谐激光气体浓度检测精度的方法所采用的系统光路 基本构成图。
具体实施方式
[0030] 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。
[0031] 实施例一,参见图1所示,一种高精度气体浓度检测方法,包括以下步骤:
[0032] S1、运放加法器将低频三角波扫描信号、高频正弦波调制信号以及直流信号相加 后作用到激光器驱动电路,作为激光器驱动电路的电流输入;
[0033] S2、激光驱动电路驱动激光器发射激光信号,穿过气室内的被测气体;
[0034] S3、光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检 测,转换为电压信号并输入至检测滤波单元;
[0035] S4、检测滤波单元将转换后的电压信号进行带通滤波处理后输出的信号其中一路 依次经前置放大、锁相放大、以及低通滤波处理后,得到二次谐波信号,另外一路经有效值 转换电路得到有效值信号,以及将该有效值信号进行低通滤波处理并输出;
[0036] S5、数据处理单元接收二次谐波信号以及有效值信号,并进行A/D转换,采样计算 其波峰值VPt» ax、波谷值VPt»in、以及有效值Vrms,所述有效值Vrms为有效值信号在二次谐波信 号的波峰采样时刻处的有效值;
[0037] S6、数据处理单元计算待测气体浓度X,其中,
[0038]
Figure CN104535530BD00051
[0039] 本实施例的提高调谐激光气体浓度检测精度的方法,根据比尔-朗伯定律以及调 制吸收光谱技术,在特定温度、压强下谐波信号的幅度与待测气体的浓度成正比,通过检测 谐波信号的幅度,可以测量待测气体的浓度。利用激光器的温度调谐和电流调谐特性,将低 频三角波扫描信号和高频正弦波调制信号同时附加在激光器的直流驱动电流上,利用频率 扫描技术使激光频率在待测气体某一吸收峰附近扫描,同时对激光频率进行高频调制,对 经过气室吸收的输出信号进行光电检测,利用带通滤波、锁相放大、有效值转换电路和低通 滤波提取二次谐波幅值信号和正弦波有效值信号,由于吸收谐波峰峰值与穿过被测气体的 正弦波有效值均来源于高频调制正弦波,所受无论是光照强度变化、暗电流、电路等因素的 影响完全同步同比,两者的比值与光照强度、透光率衰减大小均没有关系,因此,可以解决 现有技术中气体浓度检测受光照强度、暗电流、电路等的影响的技术问题,消除透光率变化 对气体浓度测量产生的影响,使得检测精度得到提高。
[0040] 如图2所示,为系统光路基本构成图,激光器101根据被测气体分子吸收谱线,选择 中心波长在被测气体分子吸收谱线附近的激光器,把激光器101发光区域近似当作点光源, 置于透镜102的焦点位置,激光通过透镜102后以一束平行光出射,经被测气体吸收后由另 一透镜聚焦并被光电检测器104接收。光阑103主要用于消除杂散光和防止反射、多次折射 光线进入光电探测器造成光学噪音,根据被测气体的吸收线波段选择合适的光电检测器 104。当光照强度、电路、暗电流等因素变化时,均会对二次谐波信号造成影响,导致气体浓 度检测不准确,本实施例的气体浓度检测方法即是利用了吸收谐波峰峰值与穿过被测气体 的正弦波有效值Vrms均来源于高频调制正弦波,所受无论是光照强度变化、暗电流、电路等 因素的影响完全同步同比的特性,用于消除光照强度变化、暗电流、电路等因素对气体浓度 检测精度的影响,提尚了检测精度。
[0041] 作为一个优选实施例,在所述步骤S5中,二次谐波信号有两个波谷值,为了进一步 的提高精度,使检测结果与实际结果更加接近,查找到两个波谷值,v PPminjpvP_n2,所述步 骤S7中,
[0042]
Figure CN104535530BD00061
[0043] 其中,所述的有效值VRMS为带通滤波输出信号在二次谐波信号的波峰采样时刻处 的有效值。
[0044] 在所述步骤S3和步骤S4之间还包括自动增益控制步骤,将转换后的电压信号的直 流值放大至恒定值。由于当激光器功率发生变化、粉尘、视窗污染等因素导致接收到的光功 率发生变化时,自动增益控制会自动调整放大倍数,使得接收到的信号幅值基本稳定,本步 骤是用于消除粉尘、视窗污染等因素引起的透光率变化的一种粗调。
[0045] 在步骤S4中,锁相放大步骤可以有效地检测微弱信号,它可在强噪声环境中测量 微弱慢变的光学信号。锁相放大步骤可以采用锁相放大器实现,由于步骤S1中,输入至激光 器驱动电路的电流信号中包含有高频正弦波调制信号,通过对激光器的调制可以将测量信 号搬移到远离低频噪声的频率上,信号的放大在该频率段完成,锁相放大步骤即是通过锁 相放大器来解调恢复信号,降低低频噪声的影响。因此,为了确保信号的正确恢复,锁相放 大步骤中输入的参考信号为高频正弦波调制信号的二倍频信号。
[0046]由于器件、电路等因素对所选同步、同比变化因子的影响有很大的不确定性,这是 目前造成仪器在透光率较大变化时非线性误差过大的原因。本发明采用透射光信号转换的 二次谐波信号峰峰值与正弦波有效值Vrms的比值来消除透光率的影响,在光电传感器、电路 结构和粉尘颗粒物对频率的影响等因素下,二次谐波信号峰峰值与正弦波有效值的比值误 差较小,精度相应提高,步骤S1中,还可以用等幅值的50%占空比的三角波代替正弦波,同 样可以得到本专利所能达到的目的。
[0047] 实施例二,基于实施例一中的一种高精度气体浓度检测方法,本实施例提供了一 种高精度气体浓度检测装置,如图1所示,包括激光发射装置和光电检测器,所述激光发射 装置包括激光器驱动电路和激光器,所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接,所述光 电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接,所述检测滤波单元包括顺次相连接的电 流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路,所述带通滤波电路的输出端其中一路顺 次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接,另外一路顺次与有效值转换 电路以及第二低通滤波电路连接,所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分 别与数据处理单元连接。
[0048] 其中,如图1、图2所示,采用本实施例的提高调谐激光气体浓度检测精度的检测装 置进行气体浓度检测的方法是:
[0049] S1、运放加法器将低频三角波扫描信号、高频正弦波调制信号以及直流信号相加 后作用到激光器驱动电路,作为激光器驱动电路的电流输入;
[0050] S2、激光驱动电路驱动激光器发射激光信号,穿过气室内的被测气体;
[0051] S3、光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检 测,转换为电压信号并输入至检测滤波单元;
[0052] S4、检测滤波单元将转换后的电压信号进行带通滤波处理后输出的信号其中一路 依次经前置放大、锁相放大、以及低通滤波处理后,得到二次谐波信号,另外一路经有效值 转换电路得到有效值信号,以及将该有效值信号进行低通滤波处理并输出;
[0053] S5、数据处理单元接收二次谐波信号以及有效值信号,并进行A/D转换,采样计算 其波峰值Vpt»ax、波谷值Vppmin、以及有效值VRMS,所述有效值V RMS为有效值信号在二次谐波信 号的波峰采样时刻处的有效值;
[0054] S6、数据处理单元计算待测气体浓度X,其中,
[0055]
Figure CN104535530BD00071
[0056] 本实施例的提高调谐激光气体浓度检测精度的检测装置,根据比尔-朗伯定律以 及调制吸收光谱技术,在特定温度、压强下谐波信号的幅度与待测气体的浓度成正比,通过 一系列的硬件电路,对检测信号进行处理,最终计算出测量待测气体的浓度。通过采用有效 值转换电路计算正弦波有效值修正气体浓度结果,由于吸收谐波峰峰值与穿过被测气体的 正弦波有效值V RMS均来源于高频调制正弦波,所受无论是激光强度变化、电路暗电流等因素 的影响完全同步同比,两者的比值与激光强度、透光率衰减大小均没有关系,因此,可以解 决现有技术中气体浓度检测受激光强度、电路、暗电流等的影响的技术问题。
[0057] 其中,所述的有效值转换电路可以采用有效值转换芯片实现。
[0058]作为一个优选实施例,在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有 自动增益控制电路。由于当激光器功率发生变化、粉尘、视窗污染等因素导致接收到的光功 率发生变化时,自动增益控制会自动调整放大倍数,使得接收到的信号幅值基本稳定,本步 骤是用于消除粉尘、视窗污染等因素引起的透光率变化的一种粗调。
[0059] 所述锁相放大器的另外一输入端连接有移相倍频电路,用于接收高频正弦波调制 信号。输入至激光器驱动电路的电流信号中包含有高频正弦波调制信号,通过对激光器的 调制可以将测量信号搬移到远离低频噪声的频率上,信号的放大在该频率段完成,锁相放 大步骤即是通过锁相放大器来解调恢复信号,降低噪声和干涉的影响。因此,为了确保信号 的正确恢复,锁相放大步骤中输入的参考信号为高频正弦波调制信号的二倍频信号。
[0060] 所述数据处理单元包括A/D转换电路,所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电 路的输出端分别与所述A/D转换电路的输入端连接。A/D转换电路用于采样计算其波峰值 V_ax、波谷值V_in、以及有效值Vrms。
[0061] 当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领 域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发 明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种高精度气体浓度检测方法,其特征在于,包括以下步骤: (1) 、运放加法器将低频三角波扫描信号、高频正弦波调制信号以及直流信号相加后作 用到激光器驱动电路,作为激光器驱动电路的电流输入; (2) 、激光驱动电路驱动激光器发射激光信号,穿过气室内的被测气体; (3) 、光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检测,转 换为电压信号并输入至检测滤波单元; (4) 、检测滤波单元将转换后的电压信号进行带通滤波处理后输出的信号其中一路依 次经前置放大、锁相放大、以及低通滤波处理后,得到二次谐波信号,另外一路经有效值转 换电路得到有效值信号,以及将该有效值信号进行低通滤波处理并输出; (5) 、数据处理单元接收二次谐波信号以及有效值信号,并进行A/D转换,采样计算其波 峰值Vppmax、波谷值V ppmin、以及有效值Vrms,所述有效值Vrms为有效值信号在二次谐波信号的 波峰采样时刻处的有效值; (6) 、数据处理单元计算待测气体浓度X,其中,
Figure CN104535530BC00021
2. 根据权利要求1所述的气体浓度检测方法,其特征在于,所述步骤(5)中,查找到两个 波谷值,V_indPV_ in2,所述步骤(6)中,
Figure CN104535530BC00022
3. 根据权利要求2所述的气体浓度检测方法,其特征在于,所述步骤(4)中的锁相放大 步骤中,输入高频正弦波调制信号的二倍频信号作为参考信号。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的气体浓度检测方法,其特征在于,在所述步骤(3)和 步骤⑷之间还包括自动增益控制步骤,将转换后的电压信号的直流值放大至恒定值。
5. -种高精度气体浓度检测装置,其特征在于,包括激光发射装置和光电检测器,所述 激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器,所述激光器驱动电路的输入端与加法器连 接,所述光电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接,所述检测滤波单元包括顺次相 连接的电流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路,所述带通滤波电路的输出端其 中一路顺次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接,另外一路顺次与有 效值转换电路以及第二低通滤波电路连接,所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的 输出端分别与数据处理单元连接。
6. 根据权利要求5所述的检测装置,其特征在于,在所述的电流-电压转换电路和带通 滤波电路之间连接有自动增益控制电路。
7. 根据权利要求5所述的检测装置,其特征在于,所述锁相放大器的另外一输入端连接 有移相倍频电路,用于接收高频正弦波调制信号。
8. 根据权利要求5-7任一项所述的检测装置,其特征在于,所述数据处理单元包括A/D 转换电路,所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与所述A/D转换电路 的输入端连接。
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