CN110208195A - 一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，包括样本检测光声池、可调谐激光二级管及其驱动电路、相位补偿电路、单相锁相检测放大器和信号采集与运算控制单元，采用自动补偿参考信号与麦克风传感器信号相位差的方法，当信号采集与运算控制单元检测到单相锁相放大器输出值为最大时，把数控相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置，然后将检测到的单相锁相放大器输出值进行处理计算得到待测样品气含量值。本发明提高检测精度，简化检测电路，降低成本。

Description

一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置及方法

技术领域

本发明属于变压器气体检测技术领域，具体涉及一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置。

背景技术

变压器油中痕量气体是在变压器长时间运行过程产生的，它们体现了变压器的部分运行状态，通过对变压器油中痕量气体的监测可以预示变压器可能存在的运行风险，近年来光声光谱检测技术逐步应用到变压器油痕量气体检测中，尤其是一些含量很低的气体如C2H2等。

光声光谱技术是基于气体的光声效应，待测样品气体分子可以吸收特定波长的激光光子能量，发生能级跃迁，高能激发态是一种不稳定态，大量气体分子在回到基态的过程中，释放出热能，使得气体受热膨胀，激光源在外部信号调制下，光声池内的气体也会发生同步的膨胀和收缩，如果气体的膨胀和收缩的频率与光声池的特征频率一致的话，就会发生共振，光声池上装有麦克风传感器，可以检测出共振信号，共振信号的强度与待测气体含量正相关。

基于光声光谱技术变压器油中痕量气体检测都会用到锁相检测，由于参考信号与麦克风传感器信号存在相位差，锁相检测过程中都是使用双相锁相检测，即使用一组相互正交的参考信号，分别与麦克风传感器信号进行乘法相关运算，积分后得到一组正交的信号Ux，Uy值，其二者平方和经开方运算后，去除相位差，得到有效检测值。

在实际检测过程中，变压器油中痕量气体的含量很低，有些是在ppb级别，所以双相锁相器的输出值Ux、Uy非常小，由于受到噪声和测量精度的影响，Ux、Uy检测值误差较大，两次测量的误差，经过运算后的有效值误差进一步加大。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，为变压器油中痕量气体检测自动相位补偿的光声光谱检测，提高检测精度，简化检测电路，降低成本。

本发明提供了如下的技术方案：

一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，包括：

样本检测光声池，连接有可调谐激光二极管并配置有麦克风传感器，光声池中的气体在可调谐激光二级管的作用下，发生共振，麦克风传感器用于检测光声池中的共振信号；

单相锁相放大器，连接麦克风传感器，对光声池的麦克风信号与参考信号进行单相锁相放大检测；

信号采集与运算控制单元，连接有单相锁相放大器和数控相位补偿电路并配置有参数存储单元，所述数控相位补偿电路配置有数字控制接口，信号采集与运算控制单元通过数字控制接口对数控相位补偿电路进行相位补偿检测，当信号采集与运算控制单元检测到单相锁相放大器输出值为最大时，把数控相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置，然后将检测到的单相锁相放大器输出值进行处理计算得到待测样品气含量值。

优选的，所述可调谐激光二极管连接有激光驱动电路和激光温控单元，所述激光驱动电路连接有外部调制信号发生器，采用恒流驱动及恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对激光二极管外部调制。

优选的，所述单相锁相放大器和麦克风传感器之间还设有前置放大器。

优选的，所述单相锁相放大器用一路参考信号与麦克风传感器信号进行相关检测。

优选的，所述样品检测光声池为纵向共振光声池，所述样品检测光声池上设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口上分别设有进气阀和出气阀，所述样品检测光声池内相对设有激光入射窗口和出射窗口，所述激光射入窗口对应连接所述可调谐激光二级管，所述出射窗口另一侧设有光陷。

优选的，所述数控相位补偿电路包括与所述单相锁相放大器连接的运放、与所述运放连接的数字电位器以及与所述运放和数字电位器相配置连接的电阻和电容，所述数字电位器配置有所述数字控制接口，所述数控相位补偿电路通过所述数字控制接口连接所述信号采集与运算控制单元。

一种单通道锁相放大方法，包括以下步骤：

S1：在可调谐激光二级管输出的调制激光的作用下，样本检测光声池产生光声效应，麦克风传感器将信号传入单相锁相放大器，单相锁相放大器对麦克风信号与参考信号进行单相锁相放大检测后进入采集与运算控制单元；

S2：信号采集与运算控制单元通过数字控制接口对数控相位补偿电路进行相位补偿检测；

S3：当信号采集与运算控制单元检测到单相锁相放大器输出值为最大时，把数控相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置；

S4：最后信号采集与运算控制单元将检测到的单相锁相放大器输出值进行处理计算得到待测样品气含量值。

本发明的有益效果是：为了减少检测误差，本发明提出自动补偿参考信号与麦克风传感器信号相位差的方法，使得Ux处于最大值，始终只要采集Ux值，无需Uy值，无需进行后续的开方运算，减少误差累积，相应地减少了一路锁相检测硬件，降低了成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明数控相位补偿电路示意图；

图中标记为：1.样本检测光声池；101.进气口；102.出气口；103.进气阀；104.出气阀；105.激光入射窗口；106.出射窗口；107.光陷；108.麦克风传感器；9.前置放大器；10.单相锁相放大器；11.信号采集与运算控制单元；1101.参数存储单元；12.数控相位补偿电路；1201.运放；1202电阻R2；1203.固定电阻R1；1204.数字电位器R3；1205.电容；1206.数字控制接口；13.外部调制信号发生器；14.激光驱动电路；15.激光温控单元；16.可调谐激光二极管；17.传输线。

具体实施方式

如图1所示，一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，样品检测光声池1为纵向共振光声池，包括进气口101和出气口102，进气阀103，出气阀104，激光入射窗口105，出射窗口106，光陷107、麦克风传感器108。激光源采用可调谐激光二级管16，采用恒流驱动方式，配有半导体制冷片恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对激光二极管外部调制。检测时打开进气阀103、出气阀104，待测样本气在气泵的作用下从进气口101流进光声池1，从出气口102流出，待光声池1腔体内气体充满后关闭出气阀104、进气阀103，温度平衡后，在可调谐激光二级管16输出的调制激光的作用下，产生光声效应，麦克风传感器108将压力信号经过前置放大器9后进入单相锁相放大器10，单相锁相放大器10的信号进入采集与运算控制单元11。

单相锁相放大器10通过对光声检测池的麦克风信号与参考信号进行单相锁相放大检测，单相锁相检测放大电路是指不采用一组相互正交的参考信号与麦克风传感器信号进行双路相关检测，而是只用一路参考信号与麦克风传感器信号进行相关检测。

具体的，如图2所示，数控相位补偿电路12具有数字控制接口，改变数字控制参数就可以进行相位补偿。数控相位补偿电路12由运放1201、固定电阻R1 1203、R2 1202、电容1205、数字电位器R3 1204组成，数字电位器1204采用具有I2C或SPI数字控制接口1206的芯片，本例中选用AD5227，数字电位器1204具有参数保存功能，掉电后再恢复上电，依旧能够保持原先的设定阻值。数控相位补偿电路12对参考信号Fref进行相位补偿直至相位差θ近似于0度。当相位差θ近似于0度时单相锁相放大器处理后输出值Ui*cosθ为最大值。数控相位补偿电路12的相位补偿范围视实际需要而定，可以是0～90度，也可以是0～180度或其他范围值。

由于参考信号与光声池麦克风信号之间有相位差θ，所以锁相放大器输出值为Ui*cosθ，Ui为根据样品含量得到的理论输出电压值。信号采集与运算控制单元11通过数字接口对数控相位补偿电路12进行相位补偿检测，随着相位差θ的不断改变，当θ在0度或接近0度时，锁相放大器输出值为Ui*cosθ取得最大值。所以当信号采集与运算控制单元11检测到锁相放大器输出值为最大时，把相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置，然后将检测到的锁相放大器输出值进行一系列的算法处理，计算得到待测样品气含量值。

自动相位补偿计算反馈控制流程有两种方法，一种是在相位补偿范围内进行全程扫描检测；另一种是从当前相位补偿位置进行向前或向后的搜索检测。具体如下：

第一种是在相位补偿范围内进行全程扫描检测方法。相位补偿范围对应了数字电位器1204的电阻输出值范围，我们从预定的数字电位器1204最小输出值RL开始，检测单相锁相放大器10的输出值Ui*cosθj，j为相位角θ的编号，对应的数字电位器1204阻值编号为Rj，通过数字接口1206逐步增加数字电位器1204输出阻值Rj，采集单相锁相放大器10的输出值Ui*cosθj，直到数字电位器1204最大输出值RH结束。

在Ui*cosθj，j＝1、2、3..........n中寻找出最大值Ui*cosθm，m对应的数字电位器1204阻值Rm，即为自动相位补偿参数，采集与运算控制单元11保存此补偿参数至参数存储单元1101。

第二种是从当前相位补偿位置进行向前或向后的搜索检测方法。首先检测单相锁相放大器10输出值Ui*cosθ，然后将数字电位器1204阻值进行增大和减小，根据输出值Ui*cosθj的大小的变化确定输出值增大的调节方向，然后与第一种方法相似，调整数字电位器1204输出阻值Rj，采集单相锁相放大器10输出值Ui*cosθj，循环进行，直到数字电位器1204最大输出值RH或最小输出值RL结束。同理，在Ui*cosθj，j＝1、2、3..........n中寻找出最大值Ui*cosθm，m对应的数字电位器1204阻值Rm，即为自动相位补偿参数，采集与运算控制单元11保存此补偿参数至参数存储单元1101。

两种自动相位补偿调节方案都可以快速有效地获得补偿参数。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，包括：

样本检测光声池，连接有可调谐激光二极管并配置有麦克风传感器，光声池中的气体在可调谐激光二级管的作用下，发生共振，麦克风传感器用于检测光声池中的共振信号；

单相锁相放大器，连接麦克风传感器，对光声池的麦克风信号与参考信号进行单相锁相放大检测；

信号采集与运算控制单元，连接有单相锁相放大器和数控相位补偿电路并配置有参数存储单元，所述数控相位补偿电路配置有数字控制接口，信号采集与运算控制单元通过数字控制接口对数控相位补偿电路进行相位补偿检测，当信号采集与运算控制单元检测到单相锁相放大器输出值为最大时，把数控相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置，然后将检测到的单相锁相放大器输出值进行处理计算得到待测样品气含量值。

2.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，所述可调谐激光二极管连接有激光驱动电路和激光温控单元，所述激光驱动电路连接有外部调制信号发生器，采用恒流驱动及恒温控制，通过调整正弦波的频率和幅度实现对激光二极管外部调制。

3.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，所述单相锁相放大器和麦克风传感器之间还设有前置放大器。

4.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，所述单相锁相放大器用一路参考信号与麦克风传感器信号进行相关检测。

5.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，所述样品检测光声池为纵向共振光声池，所述样品检测光声池上设有进气口和出气口，所述进气口和所述出气口上分别设有进气阀和出气阀，所述样品检测光声池内相对设有激光入射窗口和出射窗口，所述激光射入窗口对应连接所述可调谐激光二级管，所述出射窗口另一侧设有光陷。

6.根据权利要求1所述的一种用于气体检测的光声光谱单通道锁相放大装置，其特征在于，所述数控相位补偿电路包括与所述单相锁相放大器连接的运放、与所述运放连接的数字电位器以及与所述运放和数字电位器相配置连接的电阻和电容，所述数字电位器配置有所述数字控制接口，所述数控相位补偿电路通过所述数字控制接口连接所述信号采集与运算控制单元。

7.一种单通道锁相放大方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在可调谐激光二级管输出的调制激光的作用下，样本检测光声池产生光声效应，麦克风传感器将信号传入单相锁相放大器，单相锁相放大器对麦克风信号与参考信号进行单相锁相放大检测后进入采集与运算控制单元；

S2：信号采集与运算控制单元通过数字控制接口对数控相位补偿电路进行相位补偿检测；

S3：当信号采集与运算控制单元检测到单相锁相放大器输出值为最大时，把数控相位补偿电路数字控制参数存储下来，用于后续相位补偿设置；

S4：最后信号采集与运算控制单元将检测到的单相锁相放大器输出值进行处理计算得到待测样品气含量值。