CN106990071A - 一种全数字式气体检测仪 - Google Patents

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赵宁
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Abstract

本发明公开了一种全数字式气体检测仪，其中，核心控制芯片FPGA(8)的输出端、DAC信号发生器(7)、运算放大器(11)、电流驱动模块(3)、DFB激光器(1)顺序连接，温度控制模块(2)的输出端接DFB激光器(1)，由DFB激光器(1)发出激光；光电探测器(4)接收DFB激光器(1)发出激光经过气体吸收池(12)后的透射光强，光电探测器(4)、带通滤波器(5)、AD采样模块(6)、核心控制芯片FPGA(8)的输入端顺序连接，该检测仪数据处理采用全数字方式，便携方便。可实现对现场的实时监测，特别适用于工业现场实现气体浓度检测、减少安装过程中繁琐的标定工作。

Description

一种全数字式气体检测仪
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及对特定气体浓度进行检测的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)数字式气体检测仪。
背景技术
目前，气体浓度是科学研究、环境监测和工程应用中的重要物理参数之一。浓度参数的有效检测对研究某些特定设备的工作过程和性能、测量和控制物质状态与行为、提高能源利用率都有重要意义。目前，气体浓度测量技术主要分为两大类：非光学分析法和光学分析法。非光学浓度检测手段主要有超声波技术、气敏法、热催化法、气相色谱法、干涉法应用技术及被动检气管法；光学分析方法主要包括差分吸收光谱技术、傅里叶变换红外光谱技术、可调谐激光二极管吸收光谱技术、差分吸收激光雷达和拉曼散射激光雷达、激光诱导荧光光谱技术、激光光声光谱技术。其中可调谐半导体激光吸收光谱技术以其高灵敏度、高选择性和快速响应等特点成为非侵入式气体检测新技术的新星，它可以实现待测气体浓度参数的实时在线检测。其原理是：利用DFB二极管激光器的电流调谐和温度调谐特性，使得激光器的输出波长扫过待测气体的某一特定吸收峰，根据待测气体的吸收光谱进行检测从而反演气体浓度。
TDLAS技术主要分为直接吸收法和波长调制法两种，其中直接吸收法以其物理意义明确、计算简便为有点，但其拟合基线易受机械振动、非吸收性光学耗散等因素的影响，故多应用于吸收信号较大、工作环境较为良好的应用场合；波长调制法因采用采用高频调制技术和锁相放大技术，可以提高其检测精度，有效抑制低频噪声、机械振动等干扰，其多用于吸收信号较弱，环境较为恶劣的工业现场。
现有的基于TDLAS技术的波长调制法气体检测仪器实现主要有以下两种方式：一、采用个人计算机或工控机作为数据处理单元，通过数字锁相解调谐波信号，并根据谐波信号反演气体浓度，该方案可以有效的降低模拟锁相放大器的温漂、克服模拟锁相放大器的动态响应较小等缺点，但整个仪器系统复杂，庞大、成本较高，不利于小型化便携化；二、采用嵌入式系统作为数据处理单元，该方式由于嵌入式的计算量等限制需采用模拟锁相放大器，增加电路复杂程度，除锁相放大器的温漂、动态响应较小等缺点外，容易引入其他杂声。
本发明提出了一种全数字式气体检测仪，将TDLAS波长调制技术与频谱搬移、CIC滤波相结合，针对现有气体检测技术受温度影响、动态响应范围小、体积庞大等缺点，结合新的拟合算法，实现气体检测仪器的数字式、小型化，可广泛应用于烟道、汽车尾气、工业现场等的实时气体检测。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了解决现有气体检测技术受温度影响、动态响应范围小、体积庞大等缺点，提出了一种全数字式气体检测仪，根据比尔-朗伯定律，基于TDLAS的全数字法检测甲烷、氨气、氧气、水蒸气浓度。针对已有的TDLAS测量仪器，在采用数字锁相的基础之上，实现整个气体浓度检测的小型化、数字化，克服现有TDLAS仪器的缺点。
技术方案：本发明是一种全数字式气体检测仪，核心控制芯片FPGA的输出端、DAC信号发生器、运算放大器、电流驱动模块、DFB激光器顺序连接，温度控制模块的输出端接DFB激光器，由DFB激光器发出激光；光电探测器接收DFB激光器发出激光，光电探测器、带通滤波器、AD采样模块、核心控制芯片FPGA的输入端顺序连接。
所述DFB激光器为中红外至近红外波段。
所述DAC信号发生器的输出波形为低频扫描正弦波叠加高频调制正弦波。
所述温度控制模块中PID温度调节模块通过PID闭环控制使得DFB激光器处于固定的工作温度。
所述电流驱动模块将调制电压信号转换成与之成正比的电流驱动信号，并注入至DFB激光器。
所述光电探测器接收来自准直透镜或者光纤传输而来的透射光信号，按线性关系转换成电压信号；信号调理部分为分别以调制信号的基波频率和二次谐波频率为中心的带通滤波器，它将光电探测器输出信号进行滤波且对信号进行放大，以提高信噪比。
所述AD采样模块将滤波后的信号数字化、离散化，其采样频率Fs为调制频率fm的4k倍，k>＝5；将采样信号分别调制频率fm的正弦、余弦参考信号乘法运算进行频谱搬移，并降进行采样，降采样后采样率为F′s；低通滤波后即可得各次谐波信号的正交分量；根据各次谐波信号的正交分量提取到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形；设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形；将仿真归一化二次谐波信号的波形与经AD采样处理后得到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形进行对比，当两者方差小于某一范围即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
所述预存在非易失性存储器中的系数为Lorentz线型函数和Gauss线型函数的傅里叶级数展开系数。
所述带通滤波器的宽度为中心频率的1/4-1/5。
所述带通滤波器单位冲击响应为其中h1(n)为长度为F′s/fm的单位阶跃序列。
有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：
1、本发明提出的一种全数字式气体检测仪，是在FPGA中实现锁相功能，提取出透射光强中的谐波信号，有效规避模拟锁相放大器，从而有效降低电路复杂程度。
2、本发明的一种全数字式气体检测仪，采用设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形，从而大大减少整个系统数据运算，实现在嵌入式系统中全数字方式的气体参数测量。
3、本发明的一种全数字式气体检测仪，在计算仿真归一化二次谐波R2f/1f时可以直接将浓度代入计算即可，无需将浓度值代入比尔朗伯公式得到仿真信号再通过数字锁相获取各次谐波，可大大降低计算量，且利于嵌入式系统实现，促进仪器的小型化，数字化。
附图说明
图1是一种全数字式气体检测仪的系统框图；
图2是Lorentz线型函数的傅里叶级数展开系数波形图；
图3是Gauss线型函数的傅里叶级数展开系数波形图；
图4是根据Lorentz线型函数和Gauss线型函数的傅里叶级数展开系数逼近扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形的拟合过程。
其中有：DFB激光器1、温度控制模块2、电流驱动模块3、光电探测器4、带通滤波器5、AD采样模块6、高速DAC信号发生器7、核心控制芯片FPGA8、通信接口9、显示模块10、运算放大器11、气体吸收池12。
具体实施方式
所述DFB激光器为中红外至近红外波段；DAC信号发生模块的输出波形为低频扫描正弦波叠加高频调制正弦波；温度控制模块中PID温度调节模块通过PID闭环控制使得DFB激光器处于固定的工作温度，电流驱动模块将调制电压信号转换成与之成正比的电流驱动信号，并注入至DFB激光器；光电探测器接收来自准直透镜或者光纤传输而来的透射光信号，按线性关系转换成电压信号；信号调理部分为分别以调制信号的基波频率和二次谐波频率为中心的带通滤波器，它将光电探测器输出信号进行滤波且对信号进行放大，以提高信噪比；AD模块将滤波后的信号数字化、离散化，其采样频率Fs为调制频率fm的4k倍，k>＝5；将采样信号分别调制频率fm的正弦、余弦参考信号乘法运算进行频谱搬移，并降进行采样，降采样后采样率为F′s；低通滤波后即可得各次谐波信号的正交分量；根据各次谐波信号的正交分量提取到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形；设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形；将仿真归一化二次谐波信号的波形与经AD采样处理后得到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形进行对比，当两者方差小于某一范围即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
本发明将TDLAS波长调制技术与信号处理中的频谱搬移、滤波处理等相结合，在嵌入式系统中实现全数字化的气体浓度测量。其本质是通过调节注入DFB二极管激光器的注入电流使得激光器的发射波长扫过待测气体的吸收谱线，对吸收光谱进行定量分析从而得出气体浓度。在实际使用中，根据DFB激光器的手册，设定其工作温度和偏置电流，使激光器的输出光波长位于待测气体的吸收跃迁中心，然后通过电流驱动器将扫描正弦波和调制正弦波，以实现激光器输出波长在整个吸收跃迁谱线来回扫描。分别采用数字锁相对吸收光强在调制频率(一次谐波)和调制频率二倍频(二次谐波)处进行谐波提取，并用一次谐波对二次谐波进行归一化处理。设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形；将仿真归一化二次谐波信号的波形与经AD采样处理后得到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形进行对比，当两者方差小于某一范围即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
核心控制芯片FPGA8的输出端、DAC信号发生器7、运算放大器11、电流驱动模块3、DFB激光器1顺序连接，温度控制模块2的输出端接DFB激光器1，由DFB激光器1发出激光；光电探测器4接收DFB激光器1发出激光经过气体吸收池12后的透射光强，光电探测器4、带通滤波器5、AD采样模块6、核心控制芯片FPGA8的输入端顺序连接。
DFB激光器内部由一个激光二极管(Laser Diode，LD)、一个光电二极管(PhotoDiode，PD)、一个热敏电阻和一个半导体致冷器，DFB激光器与温度电流控制模块中的温度控制器连接构成一个闭环PID调节，能够为DFB激光器工作设置合适的静态工作点；LD和PD与温度电流控制模块中的电流控制器连接，可以使激光器的输出波长在驱动电流的调制下能够扫过待测气体的吸收跃迁谱线。激光器温度电流控制模块可以通过调整电阻参数设定激光器工作状态，将DAC模块输出电压信号转换成为与之呈线性关系的注入电流并传输给DFB激光器。DAC模块的输入信号由FPGA产生，可以根据测量需要产生任意波形信号，如改变调制深度以获取最强的二次谐波信号。红外探测器将经待测气体吸收后的透射光转换成电信号，便于后续处理。带通滤波器将红外探测器输出的电信号进行预处理并放大，改善信噪比。ADC转换模块将带通滤波器输出信号采集后经频谱搬移、CIC滤波等步骤，分别获取各次谐波信号。为消除光强信号波动、非吸收性光强耗散、机械振动等因素的影响，用一次谐波对二次谐波进行归一化。设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形；将仿真归一化二次谐波信号的波形与经AD采样处理后得到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形进行对比，当两者方差小于某一范围即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
下面通过具体实施例和对比例进一步说明本发明：
图1为全数字式气体检测仪系统框图，其中FPGA中产生由低频正弦扫描波形和高频正弦调制波形叠加而成的信号，该信号经过DAC芯片转换成模拟电压信号。由于DAC芯片的输出电压范围有限，故在其后增加一运算放大器用于放大DAC输出的模拟电压信号。经放大后的模拟电压信号作用于图1中的电流驱动模块，该模块可以将输入模拟电压按照线性关系转换成相应的注入电流。DFB激光器在注入电流的调制作用下，发射的原始光强和频率进行周期变化。温度控制模块主要用于设定DFB激光器的工作温度，温度调节采用PID算法，提高温度的稳定性。DFB激光器发射的原始入射光经过待测气体吸收池后，由于气体分子与激光的相互作用，入射光强中某些频率分量会被吸收从而产生吸收谱。对气池输出的透射光经光电探测器转换成电信号，由于透射光信号中调制频率得基波分量以及二次谐波分量较小，通常会对它们进行带通滤波并放大。将放大后的信号经ADC采样后，分别将输入信号乘以频率为调制频率和调制频率二倍频的正弦参考信号进行频谱搬移。频谱搬移后对该信号进行降采样并进行经低通滤波器滤波，低通滤波器单位冲击响应为其中h1(n)为长度为F′s/fm的单位阶跃序列。低通滤波后即可得各次谐波信号的分量，扣除背景信号并用一次谐波对二次谐波进行归一化。最后，通过假设初始温度T0或浓度值C0分别与图2、图3中的Lorentz线型函数和Gauss线型函数的傅里叶级数展开系数运算得到仿真归一化二次谐波信号的波形。拟合过程如图4所示，图4中曲线9为实际测量信号提取出来的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形，曲线10、11分别为改变浓度值C0浓度得到仿真归一化二次谐波信号的波形去贴近曲线9。当扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形与仿真归一化二次谐波信号的波形方差小于某一极小值即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种全数字式气体检测仪，其特征在于核心控制芯片FPGA(8)的输出端、DAC信号发生器(7)、运算放大器(11)、电流驱动模块(3)、DFB激光器(1)顺序连接，温度控制模块(2)的输出端接DFB激光器(1)，由DFB激光器(1)发出激光；光电探测器(4)接收DFB激光器(1)发出激光经过气体吸收池(12)后的透射光强，光电探测器(4)、带通滤波器(5)、AD采样模块(6)、核心控制芯片FPGA(8)的输入端顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述DFB激光器(1)为中红外至近红外波段。
3.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述DAC信号发生器(7)的输出波形为低频扫描正弦波叠加高频调制正弦波。
4.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述温度控制模块(2)中PID温度调节模块通过PID闭环控制使得DFB激光器处于固定的工作温度。
5.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述电流驱动模块(3)将调制电压信号转换成与之成正比的电流驱动信号，并注入至DFB激光器(1)。
6.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述光电探测器(4)接收来自准直透镜或者光纤传输而来的透射光信号，按线性关系转换成电压信号；信号调理部分为分别以调制信号的基波频率和二次谐波频率为中心的带通滤波器，它将光电探测器输出信号进行滤波且对信号进行放大，以提高信噪比。
7.根据权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于所述AD采样模块(6)将滤波后的信号数字化、离散化，其采样频率Fs为调制频率fm的4k倍，k>＝5；将采样信号分别调制频率fm的正弦、余弦参考信号乘法运算进行频谱搬移，并降进行采样，降采样后采样率为Fs′；低通滤波后即可得各次谐波信号的正交分量；根据各次谐波信号的正交分量提取到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形；设定初始温度T0或浓度值C0与预存在非易失性存储器中的系数进行运算从而得到仿真归一化二次谐波信号的波形；将仿真归一化二次谐波信号的波形与经AD采样处理后得到的扣除背景后的归一化二次谐波信号的波形进行对比，当两者方差小于某一范围即可认为设定的初始温度T0或浓度值C0为实际测量值。
8.如权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于：所述预存在非易失性存储器中的系数为Lorentz线型函数和Gauss线型函数的傅里叶级数展开系数。
9.如权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于：所述带通滤波器(5)的宽度为中心频率的1/4-1/5。
10.如权利要求1所述的一种全数字式气体检测仪，其特征在于：所述带通滤波器(5)单位冲击响应为其中h1(n)为长度为Fs′/fm的单位阶跃序列。
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