CN105606565B - 一种波长调制吸收光谱测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波长调制吸收光谱测量装置，该装置利用模拟电路，将信号发生模块产生的方波变换成所需的调制波形，并通过低速采样差值运算进行解调制，有效的避免了信号发生的量化电平误差给波长调制吸收光谱测量造成的影响，有效的降低了信号发生与采样速率的要求，实现简单，硬件成本与复杂度低，并且能够实现较高的吸收检测精度。尤其适用于低成本或高速波长调制吸收光谱测量。

Description

一种波长调制吸收光谱测量装置
技术领域
本发明属于可调谐激光气体吸收光谱探测领域，具体涉及一种波长调制吸收光谱测量装置。
背景技术
可调谐激光气体吸收光谱，利用气体分子对某个特定波长激光的吸收，通过波长调谐的方法获得该气体分子在该波长的吸收光谱测量其浓度及其信息。该技术广泛的应用于大气污染物监测、工业控制、安全生产等多个领域。
波长调制吸收光谱是用高频的调制信号控制激光的波长与强度，进而将气体吸收光谱信号的频率移至高频，再通过解调制探测，从而极大的降低低频噪声对吸收光谱信号的影响，提高系统信噪比。
现有技术出版物中，波长调制吸收光谱测量装置通常包括包含信号发生模块、激光器及其温控与电流驱动模块、气体吸收池(包含目标探测气体的装置)、探测器、解调制与采集模块(分为模拟解调采集模块与采集数字解调模块两种)。模拟信号发生模块产生正弦或三角的调制信号，通过温控与电流驱动模块控制激光器产生波长调制的光信号，光通过气体吸收池后被探测器接收，通过解调制与采集模块，获得与目标探测气体浓度相关的吸收光谱信号。
目前信号发生模块通常直接使用数模转换芯片将数字化的调制波形信号(通常为正弦波)转换成模拟信号提供给激光器电流驱动。对于数模转换速率与位数受限的系统，量化电平带来的误差将严重影响系统测量精度。同样，波长调制吸收光谱探测对解调制与采集模块的模数转换速率与位数有更高的要求。
本发明具体涉及的是一种利用CN201510997786.3中公开的解调方法的波长调制吸收光谱测量装置。本发明尤其适用于低成本吸收光谱探测。
发明内容
本发明目的在于提供一种波长调制吸收光谱测量装置，利用模拟电路，将信号发生模块产生的方波变换成所需的调制波形，并通过低速采样差值运算进行解调制。尤其适用于低成本或高速波长调制吸收光谱测量。
本发明采用的技术方案为：一种波长调制吸收光谱测量装置，包括激光器温控，激光器，气体吸收池，探测器，激光器电流驱动，模拟积分电路，信号发生模块，解调制与采集模块，信号发生模块与模拟积分电路为激光器电流驱动提供信号，由激光器温控与激光器电流驱动控制激光器发出激光，通过气体吸收池后照射到探测器上，探测器输出信号被解调制与采集模块采集，信号发生模块同时也为解调制与采集模块提供采样时基，该装置利用模拟积分电路，将信号发生模块产生的方波变换成所需的调制波形，并通过低速采样差值运算进行解调制。
根据本发明，信号发生模块产生频率为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路，将方波信号变换成调制所需的三角波信号，将其加载到激光器电流驱动上，形成波长调制光信号，光通过气体吸收池后被探测器接收，以调制频率的4倍、8倍速率采样，通过简单的差值运算获得解调的光谱信号。
在本发明的又一实施例中，信号发生模块产生为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路，将方波信号变换成三角波信号，再通过低通滤波电路，将三角波信号变换成调制所需的正弦波信号，将其加载到激光器电流驱动上，形成波长调制光信号，光通过气体吸收池后被探测器接收，以调制频率的4倍、8倍速率采样，通过简单的差值运算获得解调的光谱信号。
与现有技术相比，本发明无论是信号发生模块还是解调制与采样模块都无需高速率与高位数精度的数模(模数)转换芯片，有效的避免了信号发生的量化电平误差给波长调制吸收光谱测量造成的影响，有效的降低了信号发生与采样速率的要求，实现简单，硬件成本与复杂度低，并且能够实现较高的吸收检测精度。
附图说明
图1是本发明本发明的一种实施例示意图；
图2是本发明本发明的另一种实施例示意图；
图中附图标记含义为：1为激光器温控，2为激光器，3为气体吸收池，4为探测器，5为激光器电流驱动，6为模拟积分电路，7为信号发生模块，8为解调制与采集模块，9为低通滤波电路。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
在描述本发明装置的测量过程中，只要涉及CN201510997786.3中公开解调制方法，就引入该文献的内容作为参考，而不详细描述。
图1所示的是本发明的装置示意图，信号发生模块7产生频率为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路6，将方波信号变换成调制所需的频率为调制频率(f)的三角波信号，将其加载到激光器电流驱动5上，与激光器温控1一起控制激光器2输出形成波长调制光信号，光通过气体吸收池3后被探测器4接收，在解调制与采集模块8中以CN201510997786.3中公开解调制方法获得解调的光谱信号，信号发生模块7同时也为解调制与采集模块8提供采样时基。
图2所示的是本发明的又一实施例，信号发生模块7产生频率为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路6，将方波信号变换成频率为调制频率f的三角波信号，再通过低通滤波电路9，将三角波信号变换成调制所需的频率为调制频率(f)的正弦波信号，将其加载到激光器电流驱动5上，与激光器温控1一起控制激光器2输出形成波长调制光信号，光通过气体吸收池3后被探测器4接收，在解调制与采集模块8中以CN201510997786.3中公开解调制方法获得解调的光谱信号，信号发生模块7同时也为解调制与采集模块8提供采样时基。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种波长调制吸收光谱测量装置，其特征在于：包括激光器温控(1)，激光器(2)，气体吸收池(3)，探测器(4)，激光器电流驱动(5)，模拟积分电路(6)，信号发生模块(7)，解调制与采集模块(8)，信号发生模块(7)与模拟积分电路(6)为激光器电流驱动(5)提供信号，由激光器温控(1)与激光器电流驱动(5)控制激光器(2)发出激光，通过气体吸收池(3)后照射到探测器(4)上，探测器(4)输出信号被解调制与采集模块(8)采集，信号发生模块(7)同时也为解调制与采集模块(8)提供采样时基，该装置利用模拟积分电路(6)，将信号发生模块(7)产生的方波变换成所需的调制波形，并通过以下方法解调制，该方法通过先采样再运算的方式解调光谱信号，采样率为调制频率的4倍或8倍，
针对于调制频率为f的波长调制信号，正弦调制与三角调制均可，通过相应的装置以4f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S2f信号，它是与气体浓度成正比的目标气体吸收光谱解调结果；将每一个周期内相位角90°点、相位角180°点、相位角270°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以另一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S1f信号，将S2f除以S1f信号，就是与气体浓度成正比的与光强无关的目标气体吸收光谱解调结果；
或者针对于调制频率为f的波长调制信号，正弦调制与三角调制均可，通过相应的装置以8f的采样率进行数字采样，数字采样的时钟与调制时钟保持同相位，数字采样每个调制周期内相位角0°点、相位角45°点、相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点；将每一个周期内相位角90°点、相位角135°点、相位角180°点、相位角225°点、相位角270°点、相位角315°点、下一个调制周期相位角0°点、下一个调制周期相位角45°点、下一个调制周期相位角90°点，乘以一组-10～10之间的整数再相加就可以获得S4f信号，它是与气体浓度成正比的高准确度的目标气体吸收光谱解调结果。
2.根据权利要求1所述的一种波长调制吸收光谱测量装置，其特征在于：信号发生模块(7)产生频率为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路(6)，将方波信号变换成调制所需的三角波信号，将其加载到激光器电流驱动(5)上，形成波长调制光信号，光通过气体吸收池后被探测器(4)接收，以调制频率的4倍、8倍速率采样。
3.根据权利要求1所述的一种波长调制吸收光谱测量装置，其特征在于：该装置还包括低通滤波电路(9)，信号发生模块(7)产生频率为调制频率两倍(2f)，占空比为50％的方波，通过模拟积分电路(6)，将方波信号变换成三角波信号，再通过低通滤波电路(9)，将三角波信号变换成调制所需的正弦波信号，将其加载到激光器电流驱动(5)上，形成波长调制光信号，光通过气体吸收池后被探测器(4)接收，以调制频率的4倍或8倍速率采样。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107302508A (zh) * 2017-06-14 2017-10-27 上海电机学院 一种2fsk信号产生和检测电路
CN113447454B (zh) * 2021-08-31 2021-11-19 湖南省计量检测研究院 微型流化床的气体信号检测方法及装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5774213A (en) * 1995-04-21 1998-06-30 Trebino; Rick P. Techniques for measuring difference of an optical property at two wavelengths by modulating two sources to have opposite-phase components at a common frequency
US6356350B1 (en) * 1998-07-30 2002-03-12 Southwest Sciences Incorporated Wavelength modulation spectroscopy with multiple harmonic detection
CN102830088A (zh) * 2012-08-30 2012-12-19 昆山昱翌辉华电子科技有限公司 利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法
CN203534963U (zh) * 2013-09-23 2014-04-09 南京农业大学 基于调频光谱原理的spr光纤传感器
CN103852444A (zh) * 2014-03-19 2014-06-11 中国人民解放军装备学院 免标定调制光谱测量系统
CN103986053A (zh) * 2014-06-03 2014-08-13 山西大学 连续可调谐激光的频率锁定系统及方法
CN104020627A (zh) * 2014-05-20 2014-09-03 武汉理工大学 一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置与方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5774213A (en) * 1995-04-21 1998-06-30 Trebino; Rick P. Techniques for measuring difference of an optical property at two wavelengths by modulating two sources to have opposite-phase components at a common frequency
US6356350B1 (en) * 1998-07-30 2002-03-12 Southwest Sciences Incorporated Wavelength modulation spectroscopy with multiple harmonic detection
CN102830088A (zh) * 2012-08-30 2012-12-19 昆山昱翌辉华电子科技有限公司 利用积分球结合二极管激光吸收光谱技术的气体浓度监测装置及基于该监测装置的监测方法
CN203534963U (zh) * 2013-09-23 2014-04-09 南京农业大学 基于调频光谱原理的spr光纤传感器
CN103852444A (zh) * 2014-03-19 2014-06-11 中国人民解放军装备学院 免标定调制光谱测量系统
CN104020627A (zh) * 2014-05-20 2014-09-03 武汉理工大学 一种光纤布喇格光栅传感网络的波长解调装置与方法
CN103986053A (zh) * 2014-06-03 2014-08-13 山西大学 连续可调谐激光的频率锁定系统及方法

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