CN105241836A - 一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可编程放大器的气体浓度检测系统及其方法，该系统包括微处理器，微处理器与电流驱动电路相连，电流驱动电路与DFB激光器相连，DFB激光器与光纤耦合器相连；光纤耦合器用于将DFB激光器发射的光束分成第一束光信号和第二束光信号分别传送至第一光电探测器和气室；第一光电探测器将接收的第一束光信号转化为参考电压后传至第一可编程放大电路；气室与第二光电探测器相连，第二光电探测器用于接收从气室输出的光信号并转化为电压信号传送至第二可编程放大器；第一可编程放大器和第二可编程放大器的输出端分别与差分电路的第一输入端和第二输入端相连，差分电路的输出端与信号调节电路的输入端相连，信号调节电路的输出端与微处理器相连。

Description

一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统及其方法

技术领域

本发明属于检测领域，尤其涉及一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统及其方法。

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，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。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统及其方法。其中，该系统结构简单，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。

一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，包括：

微处理器，所述微处理器与电流驱动电路相连，电流驱动电路与DFB激光器相连，DFB激光器与光纤耦合器相连；

所述光纤耦合器用于将DFB激光器发射的光束分成第一束光信号和第二束光信号分别传送至第一光电探测器和气室；第一光电探测器将接收的第一束光信号转化为参考电压后传送至第一可编程放大电路；所述气室用于存储待测气体，气室与第二光电探测器相连，所述第二光电探测器用于接收从气室输出的光信号并转化为电压信号传送至第二可编程放大器；

第一可编程放大器和第二可编程放大器的输出端分别与差分电路的第一输入端和第二输入端相连，所述差分电路的输出端与信号调节电路的输入端相连，信号调节电路的输出端与微处理器相连；所述微处理器根据获取的信号调节电路的输出信号计算待测气体吸收波长电压差，并再利用待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系，最终计算得出待测气体的浓度。

所述DFB激光器还与温控电路相连，所述温控电路与微处理器相连。

所述第一可编程放大电路包括第一可编程放大芯片、第一缓冲电路和第一增益控制电路，所述第一缓冲电路和第一增益控制电路均与所述第一可编程放大芯片相连。

所述第二可编程放大电路包括第二可编程放大芯片、第二缓冲电路和第二增益控制电路，所述第二缓冲电路和第二增益控制电路均与所述第二可编程放大芯片相连。

所述信号调节电路包括滤波电路，所述滤波电路的输入端与差分电路的输出端相连，滤波电路的输出端与微处理器相连。

所述第一光电探测器和第二光电探测器均为PIN光电探测器。

所述滤波电路为低通滤波器。

一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统的检测方法，包括：

步骤(1)：调试DFB激光器发射的光路，对DFB激光器进行恒温控制，并将待测气体冲入气室；

步骤(2)：微处理器分别调节第一可编程放大电路、第二可编程放大电路和差分电路的放大倍数，并获取信号调节电路输出的电压信号，计算气体吸收峰波长与气体无吸收波长处分别相对应的电压值之间的差值，获得待测气体吸收波长电压差；

步骤(3)：重复步骤(2)，获取一组待测气体吸收波长电压差，求取平均值，再根据待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系以及待测气体吸收波长电压差平均值，计算得出待测气体的浓度。

本发明具有以下的优点：

(1)本发明方便安装，结构简单，通过可编程放大器的程控功能，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，能及时监控气体浓度；

(2)本发明的微处理器根据获取的信号调节电路的输出信号计算待测气体吸收波长电压差，并再利用待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系，最终计算得出待测气体的浓度，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是本发明系统的结构示意图；

图2为VCA810程控放大电路电路图；

图3为OPA690缓冲电路电路图；

图4为OPO7增益控制电路电路图；

图5为差分电路与滤波电路电路图；

图6为水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号差值的关系线性曲线。

其中：1、DFB激光器，2、光纤耦合器，3、气室，4、第一光电探测器，5、第一可编程放大电路，6、第二光电探测器，7、第二可编程放大电路，8、差分电路，9、滤波电路，10、微处理器，11、温控电路，12、电流驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明的基于可编程放大器的气体浓度检测系统，包括：

微处理器10，所述微处理器10与电流驱动电路12相连，所述电流驱动电路12与DFB激光器1相连，所述DFB激光器1与光纤耦合器2相连；

所述光纤耦合器2用于将DFB激光器1发射的光束分成第一束光信号和第二束光信号分别传送至第一光电探测器4和气室3；

所述第一光电探测器4将接收的第一束光信号转化为参考电压传后送至第一可编程放大电路5；

所述气室3用于存储待测气体，所述气室3与第二光电探测器6相连，所述第二光电探测器6用于接收从气室输出的光信号并转化为电压信号传送至第二可编程放大器7；

第一可编程放大器5和第二可编程放大器7的输出端分别与差分电路8的第一输入端和第二输入端相连，所述差分电路8的输出端与信号调节电路的输入端相连，信号调节电路的输出端与微处理器10相连；所述微处理器10根据获取的信号调节电路的输出信号计算待测气体吸收波长电压差，并再利用待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系，最终计算得出待测气体的浓度。

DFB激光器1还与温控电路11相连，所述温控电路11与微处理器10相连。

温控电路11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相连接。

第一可编程放大电路5包括第一可编程放大芯片、第一缓冲电路和第一增益控制电路，所述第一缓冲电路和第一增益控制电路均与所述第一可编程放大芯片相连。

第二可编程放大电路7包括第二可编程放大芯片、第二缓冲电路和第二增益控制电路，所述第二缓冲电路和第二增益控制电路均与所述第二可编程放大芯片相连。

本实施例中，所述信号调节电路包括滤波电路9，所述滤波电路9的输入端与差分电路8的输出端相连，滤波电路9的输出端与微处理器10相连。所述第一光电探测器和第二光电探测器均为PIN光电探测器。

其中，微处理器为C8051F020芯片。

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

第一可编程放大芯片和第二可编程放大芯片均采用VCA810可编程放大芯片，其电路结构如图2所示，在VCA810可编程放大芯片的正输入端通过接地电阻R1与输入信号相连，VCA810可编程放大芯片的负输入端通过与参考电压相连，VCA810可编程放大芯片的输出端通过电阻R4和电阻R5串接后接地。

如图3所示，本实施例中的缓冲电路采用OPA690高速缓冲电路。在该电路中，OPA690高速缓冲电路的正输入端连接VCA810可编程放大芯片的输出端，OPA690高速缓冲电路的负输入端通过电阻RG接地，VCA810可编程放大芯片的输出端与负输入端并联电阻R1。

如图4所示，本实施例中的增益控制电路采用OPO7增益控制电路。该增益控制电路的主芯片为OPO7型放大器，OPO7型放大器的正输入端通过电阻R12接地，负输入端通过电阻R9连接至变阻器R10，OPO7型放大器的输出端通过R13与VCA810可编程放大芯片相连。OPO7增益控制电路中还包括分别与OPO7型放大器的负输入端和输出端相连的电阻R8。

如图5所示，差分电路采用精密仪表运放AD8221芯片。AD8221芯片的正输入端和负输入端分别通过电阻Rg和电阻Rh与输入信号相连，AD8221芯片的输出端通过电阻Rm连接至滤波电路9。

由图5可看出，滤波电路9为低通滤波器，采用通用有源滤波器芯片UAF42。

本发明的基于可编程放大器的气体浓度检测系统的工作原理为：

两处放大电路输入端分别接到两处光电探测器输出端，放大电路输出端各接到差分电路的两条输入端；

两路正弦波电信号，包括一路为一束光未经过气室直接由光电探测器接收产生并经一处放大电路放大的正弦波电信号，另一路为传输光光电转换后经另一处放大电路放大的正弦波信号，经过差分电路差分后得到的吸收峰波形，差分之后信号的峰峰值会有一定的变化，如果这个变化范围较大，将超出模数转换模块的数据采集范围，无法再继续测量水分含量；

通过微处理器对可编程放大电路的放大倍数进行调整，使信号的大小始终在模数转换模块的测量范围内，当信号过大时调整减小放大倍数，当信号过小时调整提高放大倍数最终使气体吸收峰两侧回到同一水平位置。

以所测气体为水蒸气为例，其检测方法为：

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正弦波的形式来实现的；

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为所要检测的相关气体的吸收峰波长，其中，水汽吸收峰输出波长的变化范围是1368.597nm；

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，如图6所示，水汽吸收后在波长1368.597nm处与无吸收处产生的信号差值的关系线性曲线，经过微处理器计算出这两个信号的差值并存储该差值；

在图6中，可看出，原始探测信号与原始参考信号基本上一致，由此可说明本发明的该系统的误差较小，而且从差分信号电压与水汽吸收波长的对应关系，可以得到水汽吸收后在波长1368.597nm处，也就是A点处对应的电压，以及无吸收处B点两者所对应电压的差值；

上述采集、计算及存储过程重复1000次，取平均值后，利用在不同水汽含量下系统储存差值与微水仪显示含量的对应关系，计算出水汽浓度；

其中，实验前通过对照不同水汽含量下，由微水仪读数与同一时刻系统对应储存差值的对应关系得到的差值与水汽含量的线性曲线

5)待测水汽检测完毕，关闭电源。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，包括：

微处理器，所述微处理器与电流驱动电路相连，电流驱动电路与DFB激光器相连，DFB激光器与光纤耦合器相连；

所述光纤耦合器用于将DFB激光器发射的光束分成第一束光信号和第二束光信号分别传送至第一光电探测器和气室；第一光电探测器将接收的第一束光信号转化为参考电压后传送至第一可编程放大电路；所述气室用于存储待测气体，气室与第二光电探测器相连，所述第二光电探测器用于接收从气室输出的光信号并转化为电压信号传送至第二可编程放大器；

第一可编程放大器和第二可编程放大器的输出端分别与差分电路的第一输入端和第二输入端相连，所述差分电路的输出端与信号调节电路的输入端相连，信号调节电路的输出端与微处理器相连；所述微处理器根据获取的信号调节电路的输出信号计算待测气体吸收波长电压差，并再利用待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系，最终计算得出待测气体的浓度。

2.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述DFB激光器还与温控电路相连，所述温控电路与微处理器相连。

3.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述第一可编程放大电路包括第一可编程放大芯片、第一缓冲电路和第一增益控制电路，所述第一缓冲电路和第一增益控制电路均与所述第一可编程放大芯片相连。

4.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述第二可编程放大电路包括第二可编程放大芯片、第二缓冲电路和第二增益控制电路，所述第二缓冲电路和第二增益控制电路均与所述第二可编程放大芯片相连。

5.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述信号调节电路包括滤波电路，所述滤波电路的输入端与差分电路的输出端相连，滤波电路的输出端与微处理器相连。

6.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述第一光电探测器和第二光电探测器均为PIN光电探测器。

7.如权利要求1所述的一种基于可编程放大器的气体浓度检测系统，其特征在于，所述滤波电路为低通滤波器。

8.一种如权利要求1所述的基于可编程放大器的气体浓度检测系统的检测方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：调试DFB激光器发射的光路，对DFB激光器进行恒温控制，并将待测气体冲入气室；

步骤(2)：微处理器分别调节第一可编程放大电路、第二可编程放大电路和差分电路的放大倍数，并获取信号调节电路输出的电压信号，计算气体吸收峰波长与气体无吸收波长处分别相对应的电压值之间的差值，获得待测气体吸收波长电压差；

步骤(3)：重复步骤(2)，获取一组待测气体吸收波长电压差，求取平均值，再根据待测气体吸收波长电压差与待测气体浓度的已知对应关系以及待测气体吸收波长电压差平均值，计算得出待测气体的浓度。