CN105699326A - 一种氧气浓度监测装置和方法 - Google Patents

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赵小强
朱辉
高强
许曰强
何亚风
彭红梅
娄鹏飞
左金鑫
刘茹
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
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Abstract

本发明公开了一种氧气浓度监测装置和方法，其中，该装置包括：激光发生装置，用于发出第一激光信号；气体吸收容器，与激光发生装置连接，其中，气体吸收容器中储存待测气体，气体吸收容器用于使第一激光信号穿过待测气体后形成第二激光信号；信号采集装置，与气体吸收容器连接，用于接收第二激光信号；处理器，与信号采集装置连接，用于根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据谐波分量得到待测气体中氧气的浓度；应用本发明技术方案的氧气浓度监测装置，解决了现有技术中的氧气浓度监测仪器监测的氧气浓度误差较大的技术问题，达到了监测精确、监测方便的技术效果。

Description

一种氧气浓度监测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体监测领域，具体而言，涉及一种氧气浓度监测装置和方法。
背景技术
在某些特殊工作场所，如医院的供养设备，工业场所，如燃烧炉等需要检测氧气的浓度，现有氧气浓度监测仪器监测的氧气浓度误差较大。
针对现有技术中的氧气浓度监测仪器监测的氧气浓度误差较大技术问题，目前尚未提出的有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种氧气浓度监测装置和方法，以至少解决现有技术中的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种氧气浓度监测装置，包括：激光发生装置，用于发出第一激光信号；气体吸收容器，与激光发生装置连接，其中，气体吸收容器中储存待测气体，气体吸收容器用于使第一激光信号穿过待测气体后形成第二激光信号；信号采集装置，与气体吸收容器连接，用于接收第二激光信号；处理器，与信号采集装置连接，用于根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。
进一步地，氧气浓度监测装置还包括：激光信号调节装置，与激光发生装置连接，用于对激光发生装置发出的第一激光信号进行调节。
进一步地，激光信号调节装置包括：温度控制器，用于调节第一激光信号的中心波长，使第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的预设范围内；激光控制器，用于采用预设低频波信号调谐第一激光信号的输出波长；以及采用预设高频波信号对第一激光信号进行调制。
进一步地，预设低频波信号为三角波信号，预设高频波信号为正弦波信号。
进一步地，信号采集装置包括：光电转换器，与气体吸收容器连接，用于将第二激光信号转换为电信号；数据采集卡，与光电转换器连接，用于对电信号进行数据采样形成相应的数字信号发送至处理器。
进一步地，处理器包括：解调单元，用于对第二激光信号进行解调。
根据本发明的另一个方面，提供了一种氧气浓度监测方法，包括：将第一激光信号穿过待测气体形成第二激光信号；根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。
进一步地，谐波分量为二次谐波分量。
进一步地，将第一激光信号穿过待测气体之前还包括：调节第一激光信号的中心波长，使第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的预设范围内；采用预设低频波信号调谐第一激光信号的输出波长；以及采用预设高频波信号对第一激光信号进行调制。
进一步地，预设低频波信号为三角波信号，预设高频波信号为正弦波信号。
应用本发明技术方案的氧气浓度监测装置，通过将激光发生装置发出第一激光信号穿过储存在气体吸收容器中的待测气体形成第二激光信号；由处理器根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据该谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。解决了现有技术中的氧气浓度监测仪器监测的氧气浓度误差较大的技术问题，达到了监测精确、监测方便的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例可选的一种氧气浓度监测装置的结构框图；
图2是根据本发明实施例可选的另一种氧气浓度监测装置的结构框图；
图3是根据本发明实施例可选的另一种氧气浓度监测装置的结构框图；
图4是根据本发明实施例可选的一种氧气浓度监测方法的流程图；
图5是根据本发明实施例可选的另一种氧气浓度监测方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例的氧气浓度监测装置，如图1所示，包括：激光发生装置1、气体吸收容器2、信号采集装置3和处理器4，激光发生装置1用于发出第一激光信号；气体吸收容器2与激光发生装置1连接，其中，气体吸收容器2中储存待测气体，气体吸收容器2用于使第一激光信号穿过待测气体后形成第二激光信号；信号采集装置3与气体吸收容器2连接，用于接收第二激光信号；处理器4与信号采集装置3连接，用于根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。
应用本发明技术方案的氧气浓度监测装置，通过将激光发生装置1发出第一激光信号穿过储存在气体吸收容器2中的待测气体形成第二激光信号；由处理器4根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据该谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。解决了现有技术中的氧气浓度监测仪器监测的氧气浓度误差较大的技术问题，达到了监测精确、监测方便的技术效果。
根据激光信号的谐波分量与激光的初始光强I0、待测气体浓度C、光程L的关系式可知，激光的谐波分量与激光的初始光强I0、待测气体浓度C、光程L成正比，在激光的初始光强I0和光程L预先确定的情况下，通过检测穿过待测气体后形成的第二激光信号的谐波分量即可计算出待测气体的浓度。由于随着谐波次数的增加，其对应的谐波分量的幅值会逐渐减小，从而检测到得难度逐渐增大，检测的灵敏度也相应降低，因此，在实际应用中，采用二次谐波分量作为待检测信号，同时二次谐波分量的最大值恰好位于激光的中心频率处，很容易检测到其谐波分量的最大值。具体计算公式为其中，α为摩尔吸收系数，v为激光频率，A为调制波的调制幅度。
具体实施时，为了对激光发生装置1发出的第一激光信号的中心波长以及输出波长进行调节，同时在第一激光信号穿过待测气体前对第一激光信号进行调制，如图2所示，还设置有与激光发生装置1连接的激光信号调节装置5，激光信号调节装置5包括：温度控制器51和激光控制器52，温度控制器51通过调节激光发生装置1的温度，使激光发生装置1发出的第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的附近；氧气的吸收线位于760nm，再通过激光控制器52利用预设低频波信号对第一激光信号的输出波长进行调谐，使第一激光信号在穿过待测气体时能够在一个微小的范围内扫描氧气分子在760nm附近的吸收线，即，第一激光信号的输出波长能够覆盖氧气的吸收波长，使氧气对第一激光信号的吸收强度最大，最终得到第二激光信号的二次谐波幅值也最大，便于检测。最后再由激光控制器52利用预设高频波信号对第一激光信号进行调制后送入气体吸收容器2中，可选地，预设低频波信号采用三角波信号，预设高频波信号采用正弦波信号。气体吸收容器2采用直管形的密闭气室收集待测气体，可以在直管形的密闭气室上直接安装半导体激光器，即激光发生装置1，半导体激光器发出的激光信号直接进入密闭气室中，同时，直管形的密闭气室上还带有激光准直系统，提高激光穿过待测气体的直线度。
穿过待测气体的第一激光信号经过能量衰减后形成第二激光信号，通过信号采集装置3对形成的第二激光信号进行采集，如图3所示，信号采集装置3包括：光电转换器31和数据采集卡32，光电转换器31与气体吸收容器2连接，用于感应由气体吸收容器2射出的第二激光信号，并将第二激光信号转换为相应的电信号；数据采集卡32与光电转换器31连接，用于对转换后的电信号进行数据采样形成可以分析处理的数字信号发送至处理器4，可选地，数据采集卡32为USB总线的16位2通道采集卡，最大采样频率为1MHz，满足数据采样的需求。
处理器4还包括：解调单元41，处理器4对接收的数字信号进行处理，首先对数据采集卡32采样的数字信号进行解调转换成相应的电压值，处理器4中具有采用LabVIEW编程设计的虚拟锁相放大器实现对吸收信号二次谐波的解调，锁相解调采用两路相互正交的正弦、余弦信号作为参考信号，将两路参考信号分别与采样的数字信号进行相乘通过低通滤波器，再平方，相加，开方，得到二次谐波信号幅值与采样的数字信号幅值的关系如下y为计算得到的二次谐波分量。得到二次谐波分量后再利用二次谐波分量与初始光强I0、待测气体浓度C、光程L的关系式通过气体定标实验，利用最小二乘法反演出待测气体中氧气的浓度与二次谐波的函数关系，再根据该函数关系由测得的二次谐波进一步计算得到待测气体中氧气的浓度。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种氧气浓度监测方法，包括以下步骤：
S102：将第一激光信号穿过待测气体形成第二激光信号；
S104：根据第二激光信号检测第二激光信号对应的谐波分量，并根据谐波分量得到待测气体中氧气的浓度。
在实际应用中，采用二次谐波分量作为待检测信号，同时二次谐波分量的最大值恰好位于激光的中心频率处，很容易检测到其谐波分量的最大值。
为了对第一激光信号的中心波长以及输出波长进行调节，同时在第一激光信号穿过待测气体前对第一激光信号进行调节，根据本发明的另一个实施例，在将第一激光信号穿过待测气体之前还包括以下步骤：
S101：调节第一激光信号的中心波长，使第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的预设范围内；采用预设低频波信号调谐第一激光信号的输出波长；以及采用预设高频波信号对第一激光信号进行调制。
可选地，预设低频波信号采用三角波信号，预设高频波信号采用正弦波信号。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种氧气浓度监测装置，其特征在于，包括：
激光发生装置，用于发出第一激光信号；
气体吸收容器，与所述激光发生装置连接，其中，所述气体吸收容器中储存待测气体，所述气体吸收容器用于使所述第一激光信号穿过所述待测气体后形成第二激光信号；
信号采集装置，与所述气体吸收容器连接，用于接收所述第二激光信号；
处理器，与所述信号采集装置连接，用于根据所述第二激光信号检测所述第二激光信号对应的谐波分量，并根据所述谐波分量得到所述待测气体中氧气的浓度。
2.根据权利要求1所述的氧气浓度监测装置，其特征在于，所述氧气浓度监测装置还包括：
激光信号调节装置，与所述激光发生装置连接，用于对所述激光发生装置发出的第一激光信号进行调节。
3.根据权利要求2所述的氧气浓度监测装置，其特征在于，所述激光信号调节装置包括：
温度控制器，用于调节所述第一激光信号的中心波长，使所述第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的预设范围内；
激光控制器，用于采用预设低频波信号调谐所述第一激光信号的输出波长；以及采用预设高频波信号对所述第一激光信号进行调制。
4.根据权利要求3所述的氧气浓度监测装置，其特征在于，所述预设低频波信号为三角波信号，所述预设高频波信号为正弦波信号。
5.根据权利要求1所述的氧气浓度监测装置，其特征在于，所述信号采集装置包括：
光电转换器，与所述气体吸收容器连接，用于将所述第二激光信号转换为电信号；
数据采集卡，与所述光电转换器连接，用于对所述电信号进行数据采样形成相应的数字信号发送至所述处理器。
6.根据权利要求5所述的氧气浓度监测装置，其特征在于，所述处理器包括：
解调单元，用于对所述第二激光信号进行解调。
7.一种氧气浓度监测方法，其特征在于，包括：
将第一激光信号穿过待测气体形成第二激光信号；
根据所述第二激光信号检测所述第二激光信号对应的谐波分量，并根据所述谐波分量得到所述待测气体中氧气的浓度。
8.根据权利要求7所述的氧气浓度监测方法，其特征在于，所述谐波分量为二次谐波分量。
9.根据权利要求7所述的氧气浓度监测方法，其特征在于，将所述第一激光信号穿过所述待测气体之前还包括：
调节所述第一激光信号的中心波长，使所述第一激光信号的中心波长处于氧气的吸收线的预设范围内；
采用预设低频波信号调谐所述第一激光信号的输出波长；以及采用预设高频波信号对所述第一激光信号进行调制。
10.根据权利要求9所述的氧气浓度监测方法，其特征在于，所述预设低频波信号为三角波信号，所述预设高频波信号为正弦波信号。
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