CN107796786A - 能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 - Google Patents
能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107796786A CN107796786A CN201711001163.1A CN201711001163A CN107796786A CN 107796786 A CN107796786 A CN 107796786A CN 201711001163 A CN201711001163 A CN 201711001163A CN 107796786 A CN107796786 A CN 107796786A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- gas
- fork
- signal
- output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- 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
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法，属于气体检测技术，系统包括驱动模块、DFB半导体激光器、石英音叉气体传感器等。锯齿波驱动的DFB半导体激光器输出的激光在石英音叉气体传感器被气体吸收，吸收后的信号与激光器的锯齿波驱动信号相除，选取吸收强度最大处的驱动电流作为吸收峰处的驱动电流。随后将驱动模块设置成吸收峰处的驱动电流，进行气体浓度检测。为消除外界对激光波长的影响，再次通过上述方法实现激光锁频和气体检测。本发明系统及其检测方法具有抗辐射、抗腐蚀、抗电磁干扰，在有害环境中能安全运行，不受环境的影响，同时消除波长调制中剩余幅度调制影响，提高了系统精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英音叉光声光谱光纤气体检测波长锁定方法及其气体检测系统，具体讲是一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法，属光纤气体检测技术领域。
背景技术
随着社会经济的发展，气体浓度的快速准确检测在煤炭、石油化工、冶金、电力、农业、医疗、军事等行业以及环保和生物工程等方面有着非常广泛的应用。“中国天宫－2”和“神舟－11”飞船的成功发射，我国“天空”空间站建设和“神舟”系列载人航天得到快速发展，这些领域中飞行器舱内外都需要对微量气体进行检测，用来保证飞行器正常飞行和人员的生命安全。全世界石油和天然气管道的数量正逐渐增加，大量的天然气田开发和管道建设将大大增加天然气传感器的需求。日趋严重的雾霾、工业废气和汽车尾气的排放等，使外界环境和室内有毒气体监测成为了必要。光纤气体传感器凭借着抗辐射、抗电磁干扰、耐高温高压、结构简单、稳定性强和远距离传输等优势得到人们广泛关注和研究。随着经济发展的需要，检测领域气体浓度会比较低，有可能气体组分含量达到百万分之一甚至更低，对检测灵敏度和精度的要求越来越高。如何高灵敏度和高精度实现气体浓度的检测是急需解决的问题。
在提高气体检测灵敏度和精度的方法中，实现气体吸收中心波长激光的稳频是一个非常有效的方法。通过实现气体吸收中心波长激光的稳频，把激光器输出波长锁定在气体吸收峰的中心位置，减少测量周期时间，也可以减小锁相放大器带宽，提高系统洗澡比。同时，可以提高石英音叉传感器的响应效率，提高信号的强度。除此之外，可以通过累加平均等一系列信号处理办法进一步提高系统信噪比。
在气体吸收中心波长锁定方法中，通常是通过气体吸收的三次谐波的零点特性进行气体吸收峰的锁定，理论情况下，气体吸收峰中心波长对应的三次谐波的幅值为零，通过检测三次谐波的零点对应的波长即为气体吸收峰。但是，在实际情况下，DFB半导体激光器的发光特性是输出功率和波长同时受注入电流和温度的影响，温度和注入电流的改变都会影响激光器输出波长和强度。由于激光器强度的变化使最终测量的各次谐波信号都不是理想的，都受到剩余幅度调制的影响，三次谐波的气体吸收峰处的幅值不再是零。因此，采用三次谐波的零点直接进行锁定气体吸收峰会造成很大的误差。故气体吸收峰的激光锁定过程中消除剩余幅度调制是急需解决的问题。
《物理学报》2012年第61卷第12期作者为王贵师、易红明、蔡廷栋、汪磊、谈图、张为俊、高晓明名称为“基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究”利用石英音叉增强型光谱技术结合基于Lab-VIEW设计的数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统，通过采用参考气室，使用三次谐波信号的零点特性实现气体吸收峰的锁定，将三次谐波信号作为误差反馈信号，将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置。但这种检测技术需要耦合器分成两路，影响传感器中的激光功率，影响系统的精度，同时，系统结构比较复杂，稳定性不是很好。
发明内容
为了消除气体吸收中心波长激光锁定过程中剩余幅度调制影响，本发明提出了一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法。
本发明的技术方案是按以下方式实现的：
一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统，主要包括驱动模块、DFB半导体激光器、石英音叉气体传感器、光电探测器、放大器、除法器、采集卡、计算机、锁相放大器，其特征在于驱动模块包括激光器驱动模块和温控模块，激光器驱动模块的频率f的正弦波与锯齿波叠加输出端口连接DFB半导体激光器的调制端口，激光器驱动模块的锯齿波端口连接放大器的输入端口，放大器的输出端口连接除法器的一个输入端口，激光器驱动模块的2f正弦波输出端口连接锁相放大器参考信号端口，温控模块连接DFB半导体激光器的温控端口；
所述的石英音叉气体传感器包括两个准直器A和B、两个共振管A和B和石英音叉，由铝板将其封装制作成封闭的容器，两个准直器A和B分别嵌入在容器的前后端位于同一光轴上，作为石英音叉气体传感器的激光输入和激光输出端口，激光通过准直器A能进入石英音叉气体传感器内；容器的上面和下面分别开有进气口和出气口，容器内在准直器A和B位置之间是石英音叉，石英音叉被置于固定在容器上的石英音叉底座上；石英音叉上带有两个电极，两电极分别连接到前置放大电路的输入端，前置放大电路嵌入在容器的下端，其输出端作为石英音叉气体传感器电信号的输出端口；在准直器A和石英音叉位置之间是共振管A，在石英音叉和准直器B位置之间是共振管B，两共振管A和B被分别置于固定在容器上的共振管底座上，传感器中准直器A和B、共振管A和B以及石英音叉处在同一光轴上；
所述的DFB半导体激光器输出端口连接到石英音叉气体传感器的激光输入端口，石英音叉气体传感器的激光输出端口连接到光电探测器的输入端口；石英音叉气体传感器电信号输出端口连接锁相放大器的输入端口，锁相放大器输出端口连接采集卡的一个输入端口；光电探测器的输出端口连接除法器的另一个输入端口，除法器的输出端口连接采集卡的另外一个输入端口；采集卡的输出端口连接计算机，计算机的控制端口连接到驱动模块；
所述的放大器包括放大器芯片，其输出端经电阻R1串接电位器RW1后接地，其负输入端连接到电阻R1和电位器RW1的公共接点处；
所述的前置放大电路包括放大芯片，其正输入端接地，其负输入端经电阻R2串接电阻R3后接地，其输出端连接电阻R4，电阻R4的另一端连接到电阻R2和电阻R3的公共接点处。
一种利用上述能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：
1)连接好上述气体检测系统，接通系统中的电源；
2)令激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，温控模块控制DFB半导体激光器的温度，使得DFB半导体激光器输出激光，锯齿波驱动信号可以表示为：
y＝bt+c (1)
式中，y为锯齿波扫描信号的输出光强，t为时间，b和c分别为锯齿波形系数，激光器输出的激光强度可以表示为：
P0(v)＝av+P1 (2)
式中v为激光频率，a为激光器输出锯齿波光信号上升段的斜率；P1为v等于0时锯齿波光信号强度，DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，由激光输出端口输出的激光强度可以表示为
P'＝P0(v)β＝(av+P1)β (3)
其中，β为石英音叉气体传感器内的衰减比例系数，经石英音叉气体传感器的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器将其转为电信号进入除法器一个输入端口；光电探测器输出信号可以表示为
P0’＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (4)
其中，A为光电探测器的响应度；
3)激光器驱动模块发出的锯齿波信号进入放大器，调节放大器的放大倍数，光电探测器的输出信号除以放大器的输出信号，采集卡采集除法器的输出信号，观察信号是否为1，当相处值为1时，说明放大器输出信号与光电探测器输出信号相等，如果小于1，则减小放大器放大倍数，如果大于1，则提高放大倍数，保证放大器输出的信号与光电探测器的输出信号一样大，即
xy＝P0’＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (5)
其中，x为放大倍数；
4)将待测气体通过石音叉气体传感器的进气口注入容器内；
5)DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，经容器内待测量气体吸收作用后，转为电信号，由激光输出端口输出的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器输出电信号，表示为
P2＝AP0(v)exp(-α(v)PL)β＝A(av+P1)exp(-α(v)PL)β (6)
其中：P0为入射光强，α(v)为气体吸收系数，P为气体的总压强，L为气体吸收路径的总长度，除法器输出的信号表示为：
在微量气体检测中，由以下近似公式表示为：
exp(-α(v)PL)≈1-α(v)PL (8)
故式(7)可以变换为：
R≈1-α(v)PL (9)
由式(9)可见R与气体吸收的强度有直接的关系，同时，消除了DFB半导体激光器扫描电流带来的强度变化，可以通过R值确定气体吸收的最大值，进而确定气体吸收的中心波长，随后，计算机将DFB半导体激光器的驱动模块的锯齿波信号设置成气体吸收中心波长的驱动电流；实现气体吸收峰的锁定；
6)令DFB半导体激光器的驱动模块发出频率f正弦波调制信号和频率2f正弦波信号，频率f是石英音叉共振频率的二分之一，锯齿波和频率f的正弦波的叠加输出端口连接DFB半导体激光器驱动端，扫描和调制DFB半导体激光器输出波长，DFB半导体激光器输出激光进入石英音叉气体传感器，在石英音叉气体传感器内被气体吸收，产生二次谐波信号，二次谐波信号在石英音叉气体传感器进入前置放大电路转为谐波电压；
7)DFB半导体激光器的驱动模块的2f的调制信号连接锁相放大器参考信号端，石英音叉二次谐波信号经过锁相放大器进行检测，检测完后被采集卡采集，随后传输到计算机上；
8)采集到的二次谐波信号，在计算机上进行信号处理，计算出气体浓度；
9)激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，正弦波调制信号设置为0，按照步骤5)到8)进行气体吸收中心波长锁定和气体浓度检测，以再次即时锁定气体吸收中心波长和获得气体浓度的检测；
10)检测完毕，关闭电源。
本发明的原理如下：
DFB半导体激光器的驱动模块具有激光器的驱动和温控两个功能，负责输出锯齿波和频率为f调制信号的叠加信号、频率为2f的调制信号、锯齿波信号以及温控驱动电流，锯齿波和频率为f调制信号的叠加信号输出端连接DFB半导体激光器，调制DFB半导体激光器的输出波长，DFB半导体激光器通过尾纤连接到石英音叉气体传感器的输入端，石英音叉气体传感器的光输出端连接光电探测器的输入端，将气体吸收后的光信号转为电信号，光电探测器的输入端连接DFB半导体激光器驱动模块的锯齿波输出端连接放大器，使经过放大处理后的DFB半导体激光器驱动模块的锯齿波信号与气体吸收后激光的电信号一样大，除法器的一个输入端连接光电探测器的输出端，另一端连接到放大器的输出端，除法器的输出端连接采集卡的一个输入端，采集卡连接到计算机，此路信号得到气体吸收的强度，进而确定气体吸收中心波长，计算机将气体吸收中心波长的驱动电流传输到DFB半导体激光器的驱动模块，将锯齿波信号设置成气体吸收中心波长的驱动电流，完成气体吸收峰中心波长的锁定。锁相放大器输入端连接石英音叉气体传感器的电信号输出端，锁相放大器参考信号端连接DFB半导体激光器的驱动模块的频率2f的调制信号输出端，锁相放大器输出端连接到采集卡的另一输入端，采集卡连接到计算机，通过锁相放大器检测到二次谐波信号，传输到计算机，通过信号处理，求出气体浓度。
本发明具有以下的优点：本发明是利用石英音叉光声光谱检测，避免了吸收光谱中光电探测器的饱和，此系统激光器功率可以比较大，也可以消除水气测量中，激光器和探测器中水气带来的背景噪声；本发明在石英音叉光声光谱系统中实现了间断锁定气体吸收中心波长，提高了系统检测灵敏度；本发明气体吸收中心波长激光锁频中利用锯齿波扫描气体吸收光谱，激光器驱动中没有添加调制信号，消除了剩余幅度调制的影响，提高了系统检测精度。用光纤传导使光不再受环境的影响，能抗强磁力，抗强辐射，使最终的应用性更强；此发明装置也比较简单，容易操作。
附图说明
图1是本发明气体检测系统的结构示意图。
其中：1、驱动模块，2、DFB半导体激光器，3、石英音叉气体传感器，4、光电探测器，5、除法器，6、计算机，7、锁相放大器，8、采集卡，9、放大器。
图2是本发明气体检测系统中石英音叉气体传感器结构示意图。
其中：10、准直器A，11、准直器B，12、共振管A，13、共振管B，14、石英音叉，15、石英音叉底座，16、共振管A底座，17、进气口，18、出气口，19、前置放大电路，20、容器，21、共振管B底座。
图3是本发明气体检测系统中放大器的电路图。
其中：21、放大芯片 22、电阻R1 23、电位器RW1。
图4是本发明气体检测系统中前置放大电路的电路图。
其中：24、放大芯片 25、电阻R2 26、电阻R3 27、电阻R4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
本发明的实施例1如图1-4所示，一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统，主要包括驱动模块1、DFB半导体激光器2、石英音叉气体传感器3、光电探测器4、放大器9、除法器5、采集卡8、计算机6、锁相放大器7，其特征在于驱动模块1包括激光器驱动模块和温控模块，激光器驱动模块1的频率f的正弦波与锯齿波叠加输出端口连接DFB半导体激光器2的调制端口，激光器驱动模块1的锯齿波端口连接放大器9的输入端口，放大器9的输出端口连接除法器5的一个输入端口，激光器驱动模块1的2f正弦波输出端口连接锁相放大器7参考信号端口，温控模块连接DFB半导体激光器的温控端口；
所述的石英音叉气体传感器3包括两个准直器A和B、两个共振管A和B和石英音叉，由铝板将其封装制作成封闭的容器20，两个准直器A和B分别嵌入在容器20的前后端位于同一光轴上，作为石英音叉气体传感器3的激光输入和激光输出端口，激光通过准直器A能进入石英音叉气体传感器3内；容器20的上面和下面分别开有进气口17和出气口18，容器20内在准直器A和B位置之间是石英音叉14，石英音叉14被置于固定在容器20上的石英音叉底座上15；石英音叉14上带有两个电极，两电极分别连接到前置放大电路19的输入端，前置放大电路19嵌入在容器20的下端，其输出端作为石英音叉气体传感器3电信号的输出端口；在准直器A和石英音叉位置之间是共振管A，在石英音叉14和准直器B位置之间是共振管B，两共振管A和B被分别置于固定在容器20上的共振管底座上，传感器中准直器A和B、共振管A和B以及石英音叉14处在同一光轴上；
所述的DFB半导体激光器2输出端口连接到石英音叉气体传感器3的激光输入端口，石英音叉气体传感器3的激光输出端口连接到光电探测器4的输入端口；石英音叉气体传感器3电信号输出端口连接锁相放大器7的输入端口，锁相放大器7输出端口连接采集卡8的一个输入端口；光电探测器4的输出端口连接除法器5的另一个输入端口，除法器5的输出端口连接采集卡8的另外一个输入端口；采集卡8的输出端口连接计算机6，计算机6的控制端口连接到驱动模块1；
所述的放大器9包括放大器芯片op37，其输出端经电阻R1串接电位器RW1后接地，其负输入端连接到电阻R1和电位器RW1的公共接点处；
所述的前置放大电路19包括放大芯片ca3140，其正输入端接地，其负输入端经电阻R2串接电阻R3后接地，其输出端连接电阻R4，电阻R4的另一端连接到电阻R2和电阻R3的公共接点处。
实施例2：
一种利用上述能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：
1)连接好上述气体检测系统，接通系统中的电源；
2)令激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，温控模块控制DFB半导体激光器的温度，使得DFB半导体激光器输出激光，锯齿波驱动信号可以表示为：
y＝bt+c (1)
式中，y为锯齿波扫描信号的输出光强，t为时间，b和c分别为锯齿波形系数，激光器输出的激光强度可以表示为：
P0(v)＝av+P1 (2)
式中v为激光频率，a为激光器输出锯齿波光信号上升段的斜率；P1为v等于0时锯齿波光信号强度，DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，由激光输出端口输出的激光强度可以表示为
P'＝P0(v)β＝(av+P1)β (3)
其中，β为石英音叉气体传感器内的衰减比例系数，经石英音叉气体传感器的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器将其转为电信号进入除法器一个输入端口；光电探测器输出信号可以表示为
P0，＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (4)
其中，A为光电探测器的响应度；
3)激光器驱动模块发出的锯齿波信号进入放大器，调节放大器的放大倍数，光电探测器的输出信号除以放大器的输出信号，采集卡采集除法器的输出信号，观察信号是否为1，当相处值为1时，说明放大器输出信号与光电探测器输出信号相等，如果小于1，则减小放大器放大倍数，如果大于1，则提高放大倍数，保证放大器输出的信号与光电探测器的输出信号一样大，即
xy＝P0’＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (5)
其中，x为放大倍数；
4)将待测气体通过石音叉气体传感器的进气口注入容器内；
5)DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，经容器内待测量气体吸收作用后，转为电信号，由激光输出端口输出的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器输出电信号，表示为
P2＝AP0(v)exp(-α(v)PL)β＝A(av+P1)exp(-α(v)PL)β (6)
其中：P0为入射光强，α(v)为气体吸收系数，P为气体的总压强，L为气体吸收路径的总长度，除法器输出的信号表示为：
在微量气体检测中，由以下近似公式表示为：
exp(-α(v)PL)≈1-α(v)PL (8)
故式(7)可以变换为：
R≈1-α(v)PL (9)
由式(9)可见R与气体吸收的强度有直接的关系，同时，消除了DFB半导体激光器扫描电流带来的强度变化，可以通过R值确定气体吸收的最大值，进而确定气体吸收的中心波长，随后，计算机将DFB半导体激光器的驱动模块的锯齿波信号设置成气体吸收中心波长的驱动电流；实现气体吸收峰的锁定；
6)令DFB半导体激光器的驱动模块发出频率f正弦波调制信号和频率2f正弦波信号，频率f是石英音叉共振频率的二分之一，锯齿波和频率f的正弦波的叠加输出端口连接DFB半导体激光器驱动端，扫描和调制DFB半导体激光器输出波长，DFB半导体激光器输出激光进入石英音叉气体传感器，在石英音叉气体传感器内被气体吸收，产生二次谐波信号，二次谐波信号在石英音叉气体传感器进入前置放大电路转为谐波电压；
7)DFB半导体激光器的驱动模块的2f的调制信号连接锁相放大器参考信号端，石英音叉二次谐波信号经过锁相放大器进行检测，检测完后被采集卡采集，随后传输到计算机上；
8)采集到的二次谐波信号，在计算机上进行信号处理，计算出气体浓度；
9)激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，正弦波调制信号设置为0，按照步骤5)到8)进行气体吸收中心波长锁定和气体浓度检测，以再次即时锁定气体吸收中心波长和获得气体浓度的检测；
10)检测完毕，关闭电源。
Claims (2)
1.一种能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统，主要包括驱动模块、DFB半导体激光器、石英音叉气体传感器、光电探测器、放大器、除法器、采集卡、计算机、锁相放大器，其特征在于驱动模块包括激光器驱动模块和温控模块，激光器驱动模块的频率f的正弦波与锯齿波叠加输出端口连接DFB半导体激光器的调制端口，激光器驱动模块的锯齿波端口连接放大器的输入端口，放大器的输出端口连接除法器的一个输入端口，激光器驱动模块的2f正弦波输出端口连接锁相放大器参考信号端口，温控模块连接DFB半导体激光器的温控端口；
所述的石英音叉气体传感器包括两个准直器A和B、两个共振管A和B和石英音叉，由铝板将其封装制作成封闭的容器，两个准直器A和B分别嵌入在容器的前后端位于同一光轴上，作为石英音叉气体传感器的激光输入和激光输出端口，激光通过准直器A能进入石英音叉气体传感器内；容器的上面和下面分别开有进气口和出气口，容器内在准直器A和B位置之间是石英音叉，石英音叉被置于固定在容器上的石英音叉底座上；石英音叉上带有两个电极，两电极分别连接到前置放大电路的输入端，前置放大电路嵌入在容器的下端，其输出端作为石英音叉气体传感器电信号的输出端口；在准直器A和石英音叉位置之间是共振管A，在石英音叉和准直器B位置之间是共振管B，两共振管A和B被分别置于固定在容器上的共振管底座上，传感器中准直器A和B、共振管A和B以及石英音叉处在同一光轴上；
所述的DFB半导体激光器输出端口连接到石英音叉气体传感器的激光输入端口，石英音叉气体传感器的激光输出端口连接到光电探测器的输入端口；石英音叉气体传感器电信号输出端口连接锁相放大器的输入端口，锁相放大器输出端口连接采集卡的一个输入端口；光电探测器的输出端口连接除法器的另一个输入端口，除法器的输出端口连接采集卡的另外一个输入端口；采集卡的输出端口连接计算机，计算机的控制端口连接到驱动模块；
所述的放大器包括放大器芯片，其输出端经电阻R1串接电位器RW1后接地，其负输入端连接到电阻R1和电位器RW1的公共接点处；
所述的前置放大电路包括放大芯片，其正输入端接地，其负输入端经电阻R2串接电阻R3后接地，其输出端连接电阻R4，电阻R4的另一端连接到电阻R2和电阻R3的公共接点处。
2.一种利用权利要求1所述的能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：
1)连接好上述气体检测系统，接通系统中的电源；
2)令激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，温控模块控制DFB半导体激光器的温度，使得DFB半导体激光器输出激光，锯齿波驱动信号可以表示为：
y＝bt+c (1)
式中，y为锯齿波扫描信号的输出光强，t为时间，b和c分别为锯齿波形系数，激光器输出的激光强度可以表示为：
P0(v)＝av+P1 (2)
式中v为激光频率，a为激光器输出锯齿波光信号上升段的斜率；P1为v等于0时锯齿波光信号强度，DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，由激光输出端口输出的激光强度可以表示为
P'＝P0(v)β＝(av+P1)β (3)
其中，β为石英音叉气体传感器内的衰减比例系数，经石英音叉气体传感器的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器将其转为电信号进入除法器一个输入端口；光电探测器输出信号可以表示为
P0’＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (4)
其中，A为光电探测器的响应度；
3)激光器驱动模块发出的锯齿波信号进入放大器，调节放大器的放大倍数，光电探测器的输出信号除以放大器的输出信号，采集卡采集除法器的输出信号，观察信号是否为1，当相处值为1时，说明放大器输出信号与光电探测器输出信号相等，如果小于1，则减小放大器放大倍数，如果大于1，则提高放大倍数，保证放大器输出的信号与光电探测器的输出信号一样大，即
xy＝P0’＝AP0(v)β＝A(av+P1)β (5)
其中，x为放大倍数；
4)将待测气体通过石音叉气体传感器的进气口注入容器内；
5)DFB半导体激光器的输出激光经激光输入端口进入石英音叉气体传感器内，经容器内待测量气体吸收作用后，转为电信号，由激光输出端口输出的激光入射到光电探测器上，再经光电探测器输出电信号，表示为
P2＝AP0(v)exp(-α(v)PL)β＝A(av+P1)exp(-α(v)PL)β (6)
其中：P0为入射光强，α(v)为气体吸收系数，P为气体的总压强，L为气体吸收路径的总长度，除法器输出的信号表示为：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>a</mi>
<mi>v</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>exp</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>-</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>(</mo>
<mi>v</mi>
<mo>)</mo>
<mi>P</mi>
<mi>L</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mi>&beta;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>a</mi>
<mi>v</mi>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mi>exp</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>-</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>(</mo>
<mi>v</mi>
<mo>)</mo>
<mi>P</mi>
<mi>L</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
在微量气体检测中，由以下近似公式表示为：
exp(-α(v)PL)≈1-α(v)PL (8)
故式(7)可以变换为：
R≈1-α(v)PL (9)
由式(9)可见R与气体吸收的强度有直接的关系，同时，消除了DFB半导体激光器扫描电流带来的强度变化，可以通过R值确定气体吸收的最大值，进而确定气体吸收的中心波长，随后，计算机将DFB半导体激光器的驱动模块的锯齿波信号设置成气体吸收中心波长的驱动电流；实现气体吸收峰的锁定；
6)令DFB半导体激光器的驱动模块发出频率f正弦波调制信号和频率2f正弦波信号，频率f是石英音叉共振频率的二分之一，锯齿波和频率f的正弦波的叠加输出端口连接DFB半导体激光器驱动端，扫描和调制DFB半导体激光器输出波长，DFB半导体激光器输出激光进入石英音叉气体传感器，在石英音叉气体传感器内被气体吸收，产生二次谐波信号，二次谐波信号在石英音叉气体传感器进入前置放大电路转为谐波电压；
7)DFB半导体激光器的驱动模块的2f的调制信号连接锁相放大器参考信号端，石英音叉二次谐波信号经过锁相放大器进行检测，检测完后被采集卡采集，随后传输到计算机上；
8)采集到的二次谐波信号，在计算机上进行信号处理，计算出气体浓度；
9)激光器驱动模块发出锯齿波扫描信号，正弦波调制信号设置为0，按照步骤5)到8)进行气体吸收中心波长锁定和气体浓度检测，以再次即时锁定气体吸收中心波长和获得气体浓度的检测；
10)检测完毕，关闭电源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711001163.1A CN107796786B (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711001163.1A CN107796786B (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107796786A true CN107796786A (zh) | 2018-03-13 |
| CN107796786B CN107796786B (zh) | 2020-03-17 |
Family
ID=61533709
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711001163.1A Active CN107796786B (zh) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | 能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107796786B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104237135A (zh) * | 2014-10-22 | 2014-12-24 | 东北林业大学 | 基于石英音叉增强型光声光谱技术的co气体检测系统及方法 |
| CN104568835A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-29 | 山东大学 | 一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法 |
| CN106290220A (zh) * | 2016-10-11 | 2017-01-04 | 河南农业大学 | 基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法 |
-
2017
- 2017-10-24 CN CN201711001163.1A patent/CN107796786B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104237135A (zh) * | 2014-10-22 | 2014-12-24 | 东北林业大学 | 基于石英音叉增强型光声光谱技术的co气体检测系统及方法 |
| CN104568835A (zh) * | 2015-01-21 | 2015-04-29 | 山东大学 | 一种消除光纤传感系统中二次谐波剩余幅度调制的方法 |
| CN106290220A (zh) * | 2016-10-11 | 2017-01-04 | 河南农业大学 | 基于红外光声光谱的水果成熟度无损检测系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107796786B (zh) | 2020-03-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106802288A (zh) | 基于可调谐激光和超连续谱激光的气体检测装置和方法 | |
| CN107144549A (zh) | 基于tdlas痕量co气体浓度的检测装置和方法 | |
| CN108106998B (zh) | 大气污染物检测装置及检测方法 | |
| CN103389283B (zh) | 采用高漫反射方腔增加光程的可调谐二极管激光痕量气体检测装置及方法 | |
| CN202974860U (zh) | 一种高精度红外气体检测模块 | |
| CN109490216B (zh) | 一种免校准的激光光声光谱微量气体检测仪器及方法 | |
| CN107037004A (zh) | 一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置及方法 | |
| CN105043930A (zh) | 微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置和方法 | |
| CN104316493B (zh) | 时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置 | |
| CN102809547A (zh) | 散射增强可调谐二极管激光痕量气体检测装置及检测方法 | |
| CN107153139A (zh) | 一种光纤陀螺用检测电路板噪声特性测试方法 | |
| CN108507966A (zh) | 一种红外光谱气体传感器及数据处理方法 | |
| CN108181351A (zh) | 一种便携式水质监测参数电压/电流信号处理电路 | |
| CN108801977A (zh) | 无标定痕量碳12和碳13二氧化碳气体探测装置及方法 | |
| CN104297207A (zh) | 一种基于tdlas的激光呼气分析仪及系统 | |
| CN107727600A (zh) | 一种测量痕量气态有机物的太赫兹波导型装置及方法 | |
| CN103149169B (zh) | 利用痕量水气检测装置的标定系统对器件内部水进行标定的方法 | |
| CN206862883U (zh) | 基于tdlas痕量co气体浓度的检测装置 | |
| Zhang et al. | Water vapor detection system based on scanning spectra | |
| CN107796786A (zh) | 能消除剩余幅度调制的光纤气体检测系统及其检测方法 | |
| CN106979824A (zh) | 一种非分光红外乙烯气体传感器及其测量方法 | |
| CN103575687B (zh) | 便携式co2高灵敏检测系统 | |
| CN207007711U (zh) | 一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置 | |
| CN104833657B (zh) | 具有侧向补偿的激光无线测沙仪 | |
| CN114034660B (zh) | 一种基于tdlas的气体检测系统与方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |