CN106769976B - 用于气体分析的激光控制模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体分析的激光控制模块，包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生电路、驱动电路，驱动电路、温度控制电路、过流保护电路的输出端均与激光器相连，信号发生电路的输出端与驱动电路相连；温度控制电路用于调节激光器的工作温度恒定，过流保护电路用于将激光器的输入电流控制在合适的范围内；信号发生电路产生三角波、方波、正弦波，采用正弦波作为调制信号，包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路；驱动电路为激光器提供调制信号与扫描信号。本发明采用模块化及模拟电路设计，可根据需要改变监测参数和变更系统功能，实时性强，监测精确度和自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量监测领域，特别是涉及一种用于气体分析的激光控制模块。
背景技术
随着城市和社会经济高速发展，工业化程度的不断提高以及道路车辆的不断增加导致地面道路两侧的空气中CO、CO2、SO2、NO、NO2、O3等气体的浓度也大大升高，城市环境污染严重，空气质量堪忧，特别是北方城市，常常有全天候雾霾出现，因而空气污染问题已经成为城市建设及发展过程中不可回避的重要民生问题之一。
目前非分散性红外气体滤波相关法广泛应用于二氧化碳浓度测量中，该方法是一种基于气体吸收理论的方法，红外光源发出的红外辐射经过一定浓度待测的气体吸收后，与气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，因为求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。其技术原理是红外光源发出红外辐射，经过气体滤波相关信号调制后，进入多次反射吸收池，红外辐射被吸收池里的待测气体充分吸收后，经过一个窄带滤波片的滤波，目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除，只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量，再被红外探测器接收，最后通过相关算法及数据处理，最后得出实时所测的待测气体浓度值。
空气中各种气体浓度都是实时变化的，现有的空气质量监测系统对碳氧化物的浓度测量通常实时监测性不强，监测数据量小且精度不高，采用高精度仪器设备庞大复杂，成本高，抗干扰能力差，监测结果差。因此亟需提供一种新型的用于监测空气中碳氧化物气体浓度的在线监测系统来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于气体分析的激光控制模块，能够测量与分析空气中CO、CO2等气体的浓度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于气体分析的激光控制模块，包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生电路、驱动电路，驱动电路、温度控制电路、过流保护电路的输出端均与激光器相连，信号发生电路的输出端与驱动电路相连；
温度控制电路用于调节激光器的工作温度恒定，包括监测当前实际温度值电路、设定温度值电路、当前实际温度与可设定温度的差值比较电路、灵敏度调节电路；
过流保护电路用于将激光器的输入电流控制在合适的范围内；
信号发生电路产生三角波、方波、正弦波，采用正弦波作为调制信号，包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路；
驱动电路为激光器提供调制信号与扫描信号。
在本发明一个较佳实施例中，温度控制电路包括双路恒流源U8、跟随器U7A、U7B、跟随器U3A、反向比例放大器U6A、U6B、U6C，可调电阻VR2、VR3及外围电阻R10、R12、R16—R19、R25、R26、R30—R31、电容C6、C13、C15、C21、C24，其中监测当前实际温度值电路包括激光器的光敏电阻、跟随器U7A、U3A，电阻R10，电阻R10的一端与U8的1脚相连、另一端与U7A的正向输入端相连；设定温度值电路包括U7B、与U7B的正向输入端相连的可调电阻VR3、与U7B的4脚相连的电容C21、与U7B8脚相连的电容C24，VR3、C21、C24的另一端均接地；差值比较电路包括反向比例放大器U6C、与U6C正向输入端相连的电阻R17、R25、与U6C反向输入端相连的电阻R31、R32，R32的另一端连接U6C的输出端，电阻R17的另一端接地；灵敏度调节电路包括反向比例放大器U6B、与U6B的反向输入端相连的电阻R26、VR2、与VR2另一端相连的电阻R30，R30的另一端与U6B的输出端相连。
在本发明一个较佳实施例中，过流保护电路包括内部集成开关的DC-DC开关电源转换芯片U12、运算放大器U15A、可调电阻VR5、VR7，电感L3、二极管D5—D7、电阻R30—R41、R51、电容C17、C33—C38，电容C35与C36并联后一端连接U12的7脚、另一端接地，电阻R40、二极管D6的负极、D6的正极、电阻R41、二极管D7的正极依次相连，D7的负极与U12的4脚相连，D6的负极还与运算放大器U15A的正向输入端相连，U15A的反向输入端与可调电阻VR7的可调电阻端相连，VR7的一端连接9V电压、另一端接地，U15A的输出端与D7的正极、电阻R51相连，电容C37、C17、C38并联后一端与电感L3、C33串联、另一端接地，C33的另一端与U12的1脚相连，C33与L3之间还连接有二极管D5，D5的另一端接地，L3与C37之间连接有可调电阻V15，V15的另一端连接电阻R39，V15的可调电阻端连接U12的4脚，R39的另一端接地。
本发明的有益效果是：本发明主要对空气中CO、CO2等气体的浓度进行实时在线监测，采用模块化及模拟电路设计，可根据需要改变监测参数和变更系统功能，实时性强，监测精确度和自动化程度高，具备良好的抗干扰和环境适应能力，运营成本低，监测结果准确可靠。
附图说明
图1是本发明用于气体分析的激光控制模块一较佳实施例的结构框图；
图2是所述温度控制电路的电路原理图；
图3是所述过流保护电路的电路原理图；
图4是所述信号发生倍频电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种用于气体分析的激光控制模块，包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生电路、驱动电路，驱动电路、温度控制电路、过流保护电路的输出端均与激光器相连，信号发生电路的输出端与驱动电路相连。激光器发射红外光，用于监测空气中CO、CO2等气体的浓度。
下面分别具体描述所述激光模块中各电路的结构及原理：
由于激光器的波长受到温度影响，温度的变化会改变波长，因而其工作环境需要恒定的温度，所述温度控制电路即实现了激光器工作温度的恒定调节。其采用纯模拟电路，电路精准、可靠，精度高，包括监测当前实际温度值电路、设定温度值电路、当前实际温度与可设定温度的差值比较电路、灵敏度调节电路。请参阅图2，所述温度控制电路包括双路恒流源U8、跟随器U7A、U7B、跟随器U3A、反向比例放大器U6A、U6B、U6C，可调电阻VR2、VR3及外围电阻R10、R12、R16—R19、R25、R26、R30—R31、电容C6、C13、C15、C21、C24，其中监测当前实际温度值电路包括激光器的光敏电阻、跟随器U7A、U3A，电阻R10，电阻R10的一端与U8的1脚相连、另一端与U7A的正向输入端相连；设定温度值电路包括U7B、与U7B的正向输入端相连的可调电阻VR3、与U7B的4脚相连的电容C21、与U7B8脚相连的电容C24，VR3、C21、C24的另一端均接地；差值比较电路包括反向比例放大器U6C、与U6C正向输入端相连的电阻R17、R25、与U6C反向输入端相连的电阻R31、R32，R32的另一端连接U6C的输出端，电阻R17的另一端接地；灵敏度调节电路包括反向比例放大器U6B、与U6B的反向输入端相连的电阻R26、VR2、与VR2另一端相连的电阻R30，R30的另一端与U6B的输出端相连。
所述温度控制电路通过热敏电阻监测当前实际温度值，并通过计算机设定温度，将实际监测的温度和设置的温度通过差值比较电路得到一电压差，即温度差依此调节，并设有灵敏度调节电路来控制温度。U8是双路恒流源，提供恒定的电流输出，RT+是激光器的热敏电阻，产生的电压输出和当前的环境温度成正比例关系，此电压经过运放U7A在1脚输出，运放U7A是一跟随器，再经过运放U3A跟随后得到输出电压TS。所需要设定的温度通过可调电阻VR3来设置，改变VR3的阻值即改变电压得到对应的温度值，此值经过运放U7的另一部分U7B跟随输出。监测的电压和设置的电压通过比例放大器U6C后正好得到二者的差值，也即电压差，对应的温度差依此调节。U6A提供控温电流方向平滑切换的缓冲作用。可调电阻VR2及反相比例放大器U6B的作用是灵敏度调节，防止控温的速度过快或者过慢，最后这个差值电压作为输出T0来控制后续的制冷或加热的电流模式和大小，从而实现激光器的温度调节。
另外激光器在工作中电流不能过大，否则会烧毁激光器，所述过流保护电路将激光器的输入电流控制在合适的范围内。请参阅图3，过流保护电路包括内部集成开关的DC-DC开关电源转换芯片U12、运算放大器U15A、可调电阻VR5、VR7，电感L3、二极管D5—D7、电阻R30—R41、R51、电容C17、C33—C38，电容C35与C36并联后一端连接U12的7脚、另一端接地，电阻R40、二极管D6的负极、D6的正极、电阻R41、二极管D7的正极依次相连，D7的负极与U12的4脚相连，D6的负极还与运算放大器U15A的正向输入端相连，U15A的反向输入端与可调电阻VR7的可调电阻端相连，VR7的一端连接9V电压、另一端接地，U15A的输出端与D7的正极、电阻R51相连，电容C37、C17、C38并联后一端与电感L3、C33串联、另一端接地，C33的另一端与U12的1脚相连，C33与L3之间还连接有二极管D5，D5的另一端接地，L3与C37之间连接有可调电阻V15，V15的另一端连接电阻R39，V15的可调电阻端连接U12的4脚，R39的另一端接地。
U12是内部集成开关的DC-DC开关电源转换芯片，该芯片具有高电流输出，宽的电压输入范围：5.5—36V，所述监测系统的输入电压为24V。U12的4脚VSNS是反馈电压调节器，连接到由VR5及R39串联组成的输出电压分压器。电阻VR5是可调电阻，通过改变VR5和R35的分压改变输出电压。U12的8脚PH脚是输出脚，连接到外部电感器L3和二极管D5。输入电流LD-I是激光器电流经取样转化而来的数值，当该值过大时激光器有可能被损坏，所以输入电流LD-I要限制在一定的范围内。LD-I经过电阻R40接到比较器U15A的同相输入端，可调电阻VR7接到U15A的反相输入端，VR7一端接9V电源，另一端接地，则VR7的电压是个可设值。当LD-I过大时，也即U15A的同相输入电压大于VR7设定值时，则比较器的输出电压增大，则U12的4脚VSNS电压上升，此时U12的PH脚输出电压会减小，则输出到激光器的工作电压V+会减小，则激光器的工作电流会减小，从而达到限流保护激光器的目的。D6和R41是闭锁电路，防止驱动电压振荡。
激光器工作时由驱动电路提供调制信号、扫描信号，扫描信号实际是个锯齿波，其波长在扫描信号的周期范围内移动。信号发生电路可产生三角波、方波、正弦波信号输出，且信号的频率、占空比、幅度均可调，其中采用正弦波作为激光器的调制输入信号，该电路包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路。
请参阅图4，信号发生电路包括单片集成函数信号发生器U11、运算放大器U13A、可调电阻VR4、电阻R35-R38、电容C26、C34、C39；调制信号频率及占空比调节电路包括与U11的2脚相连的电容C26、与U11的4脚相连的R35、与U11的5脚相连的电阻R37、R35、R37并联后与VR6的一端相连，VR6的另一端与U11的6脚相连，VR6的可调电阻端与9V电压相连，调制信号幅度调节电路包括运算放大器U13A、R36、R38、VR4，R36与R38并联后与U13A的反向输入端相连，R36的另一端与U13A的输出端相连，R38的另一端接地，VR4的可调电阻端与U13A的正向输入端相连、另一端与电容C26相连。
芯片U11的2脚输出正弦波作为激光器的调制信号，该信号的频率及占空比由参数R35、R37、VR6、C39的值配置决定，调节VR6的值可以改变信号的频率及占空比，所以调制信号的频率及占空比的调节比较灵活。U13A是一比例放大器，从2脚出来的正弦波经过可调电阻VR4输入到比较器U13A的同相端，放大器的放大倍数由电阻VR4、R38、R36决定，改变VR4的阻值即改变放大倍数，则改变了正弦波的信号幅度，所以调制信号的幅度调节也比较灵活。
所述激光模块监测空气中CO、CO2等气体的浓度采用美国EPA认可的非分散红外气体滤波相关法(GB9801-88)，该方法是基于CO、CO2气体在中红外波段的吸收的原理。本发明的工作原理是激光器发出的光经过光学系统准直后进入反射端，光路经多次反射后，红外辐射被待测气体吸收，经过一个窄带滤光片滤波，目的是把待测气体特征吸收峰之外的红外能量滤除，只留下可以反映光谱光强变化的那部分能量，再被红外探测器接收，通过相关算法及数据处理，最后得出实时所测的待测气体浓度值。
本发明主要对空气中CO、CO2等气体的浓度进行实时在线监测，采用模块化及模拟电路设计，可根据需要改变监测参数和变更系统功能，实时性强，监测精确度和自动化程度高，具备良好的抗干扰和环境适应能力，运营成本低，监测结果准确可靠。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种用于气体分析的激光控制模块，其特征在于，包括激光器、温度控制电路、过流保护电路、信号发生电路、驱动电路，驱动电路、温度控制电路、过流保护电路的输出端均与激光器相连，信号发生电路的输出端与驱动电路相连；
温度控制电路用于调节激光器的工作温度恒定，包括监测当前实际温度值电路、设定温度值电路、当前实际温度与可设定温度的差值比较电路、灵敏度调节电路；
温度控制电路包括双路恒流源U8、跟随器U7A、U7B、跟随器U3A、反向比例放大器U6A、U6B、U6C，可调电阻VR2、VR3及外围电阻R10、R12、R16—R19、R25、R26、R30—R31、电容C6、C13、C15、C21、C24，其中监测当前实际温度值电路包括激光器的光敏电阻、跟随器U7A、U3A，电阻R10，电阻R10的一端与U8的1脚相连、另一端与U7A的正向输入端相连；设定温度值电路包括U7B、与U7B的正向输入端相连的可调电阻VR3、与U7B的4脚相连的电容C21、与U7B8脚相连的电容C24，VR3、C21、C24的另一端均接地；差值比较电路包括反向比例放大器U6C、与U6C正向输入端相连的电阻R17、R25、与U6C反向输入端相连的电阻R31、R32，R32的另一端连接U6C的输出端，电阻R17的另一端接地；灵敏度调节电路包括反向比例放大器U6B、与U6B的反向输入端相连的电阻R26、VR2、与VR2另一端相连的电阻R30，R30的另一端与U6B的输出端相连；
过流保护电路用于将激光器的输入电流控制在合适的范围内；
信号发生电路产生三角波、方波、正弦波，采用正弦波作为调制信号，包括调制信号频率及占空比调节电路、调制信号幅度调节电路；
驱动电路为激光器提供调制信号与扫描信号。
2.根据权利要求1所述的用于气体分析的激光控制模块，其特征在于，过流保护电路包括内部集成开关的DC-DC开关电源转换芯片U12、运算放大器U15A、可调电阻VR5、VR7，电感L3、二极管D5—D7、电阻R30—R41、R51、电容C17、C33—C38，电容C35与C36并联后一端连接U12的7脚、另一端接地，电阻R40、二极管D6的负极、D6的正极、电阻R41、二极管D7的正极依次相连，D7的负极与U12的4脚相连，D6的负极还与运算放大器U15A的正向输入端相连，U15A的反向输入端与可调电阻VR7的可调电阻端相连，VR7的一端连接9V电压、另一端接地，U15A的输出端与D7的正极、电阻R51相连，电容C37、C17、C38并联后一端与电感L3、C33串联、另一端接地，C33的另一端与U12的1脚相连，C33与L3之间还连接有二极管D5，D5的另一端接地，L3与C37之间连接有可调电阻V15，V15的另一端连接电阻R39，V15的可调电阻端连接U12的4脚，R39的另一端接地。
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