CN110823825A - 一种基于光开关和锁相放大器的气体检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光开关和锁相放大器的气体检测方法，属于光纤传感领域。包括激光器、1*2光开关、气室、光电转换模块、锁相放大器等。本发明充分利用光开关切换光路，锁相放大器相敏相关检测的功能。温度控制模块驱动激光器产生恒定光频率(波长)的激光并输出到1*2光开关，1*2光开关将激光分成a、b两路，a路信号通过光纤耦合到气室，透射光输入光电转换模块A，b路信号直接输入光电转换模块B。a、b路的电信号通过加法器叠加后输入到锁相放大器，锁相放大器的输出信号由计算机采集。本发明利用光开关和锁相放大器实现了气体浓度检测，大大提高了检测灵敏度和分辨率，同时具有结构简单，成本低廉，稳定性好，易于实现等优点。

Description

一种基于光开关和锁相放大器的气体检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于光开关和锁相放大器的气体检测方法，属于气体检测技术领域。

背景技术

气体检测在工业生产，大气污染和海洋生态监管中有着重要作用。对气体浓度做到简易，准确检测，能够预防灾难发生，生态崩溃。气体检测的一种方法就是激光直接吸收气体，通过差分的方法提取出气体浓度。但是差分吸收光谱法的探测电路结构复杂，对两路需要差分的调制信号，要求电路增益精确一致，电路要求高，不易实现高精度控制，最终造成低浓度测量误差较大，同时具有成本较高，通用性差等缺点。

申请号为201811134202.X、发明名称为《双光路紫外差分光谱气体分析仪》中提到的一种分析仪其检测结构为双光路气室、步进电机控制装置，MCU主控单元大大提高了差分吸收光谱检测系统结构的复杂程度。论文“差分傅里叶变换红外光声光谱大气污染气体检测研究”[刘丽娴电子科技大学博士论文2017年70-74页]中提到的双光路差分系统，该系统结构复杂，信噪比低，灵敏度低等缺点。

发明内容

为克服现有差分吸收光谱检测技术中存在的不足和缺陷，本发明提出一种基于光开关和锁相放大器的气体检测方法。该方法利用光开关、锁相放大器等部件从而简化了气体检测系统，大大提高了气体检测系统的灵敏度和分辨率，简化了电路结构，降低了系统成本。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，包括温度控制模块、激光器、1*2光开关、气室、光电转换模块A、光电转换模块B、加法器、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其特征在于温度控制模块连接激光器，控制激光器输出恒定光频率的激光，激光器通过光纤与1*2光开关的输入端相连，1*2光开关的输出端a通过光纤与气室的输入端相连，气室的输出端通过光纤与光电转换模块A的探测器耦合，1*2光开关的输出端b通过光纤直接与光电转换模块B的探测器耦合；光电转换模块A、B的输出端分别与加法器的输入端m、n相连，加法器输出端连接到锁相放大器输入端，锁相放大器的输出连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连接以读取数据采集卡所读取的数据；

所述的光电转换模块A、B分别包括一个PIN型光电探测器和一个型号为OPA2604的运放芯片，其中运放芯片的1端经电阻R2和电容C5相并联后连接到2端；3端接地，4端接-6V并经电容C2接地；5端经电阻R5接地；6端经电阻R3和1端相连接，6端经电阻R4和7端相连接，8端接+6V并经电容C3和电容C4相并联后接地；光电探测器阳极接运放芯片的2端，光电探测器阴极经电阻R1一方面接+6V，另一方面经电容C1接地；

所述的激光器是窄线宽激光器，窄线宽激光器即DFB激光器是英文DistributedFeedback Laser的缩写，即分布式反馈激光器，它内置了布拉格光栅(Bragg Grating)，属于侧面发射的半导体激光器。激光器最大特点是具有非常好的单色性(即窄线宽)。

所述的1*2光开关是通用式光开关，具有一个输入端口和两个输出端口；

所述的气室是气体吸收池；

所述的加法器是由低温漂，压摆率为20V/μs，型号为OPA140；

所述的锁相放大器是数字锁相放大器；

一种利用上述检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：

1)将整套气体检测系统连接好，接通各电路模块，调试光路使其正常工作，调整光开关的切换频率为1KHz，调整温度控制模块驱动窄线宽DFB激光器输出波恒定光频率(波长)的激光，并向气室中充入标准浓度的待测气体，然后测量锁相放大器的输出电压，多次向气室中充入不同标准浓度的待测气体，分别测出锁相放大器的输出电压，从而建立起该待测气体浓度与锁相放大器输出电压的线性关系，以此来作为系统线性标定的基准，向气室中充入未知浓度的待测气体；

2)恒定光频率(波长)的激光经过1*2光开关后分成两路，当光开关处在某个周期时，a路导通，b路截止，此时激光由输出端a经过光纤耦合输入气室，光强发生衰减，透射光输入到光电转换模块A得到与光开关频率相同的探测光信号，当光开关进入下一个周期时，a路截止，b路导通，激光由输出端b直接经过光纤输入到光电转换模块B得到与光开关频率相同参考光信号；

3)光电转换模块A、B分别输出的探测光、参考光信号输入由运放芯片构成的加法器的输入端，加法器的输出信号被输入到锁相放大器的输入端，在锁相放大器的输出端得到含有气体浓度信息所对应的电压值；

4)用数据采集卡采集锁相放大器的输出信号并输入计算机，计算机根据锁相放大器的输出电压反演计算出该种气体的浓度；

5)待测气体浓度检测完毕，关闭电源。

本发明工作过程如下：调节温度控制模块驱动窄线宽DFB激光器，激光器出射恒定光频率(波长)即对应于待测气体吸收峰处光频率(波长)的激光，激光通过光开关分成a，b两路，其中一路(a路)耦合入气室，光强被待测气体吸收，发生衰减，气体浓度与光强衰减是线性关系，光电转换模块A输出探测光信号，另一路(b路)直接通过光纤由光电转换模块B输出参考光信号，每一路电信号都是与光开关同频的方波信号，a、b路信号经过加法器叠加之后，得到因光强衰减而产生的方波信号并将其输入到锁相放大器，锁相放大器内部含有相敏检波器，通过傅里叶变换可以将与参考信号同频的弱输入信号提取并放大，数据采集卡采集锁相放大器的输出电压值，在计算机上得到吸收后的光强度信息，进而拟合反演出待测气体的浓度。

本发明具有以下的优点：本发明结构简单，成本低廉，检测气体浓度精度高，稳定性好。通过光开关对恒定光频率(波长)的激光斩波，将激光分成探测、参考两路信号，由加法器叠加后形成自差分，区别于传统的差分吸收光谱检测系统。锁相放大器提取吸收气体后的光强，在多次累加平均后输出携带气体浓度信息的电压信号，具有灵敏度高，结果稳定等优点。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

其中：1.温度控制模块、2.激光器、3.1*2光开关、4.气室、5.光电转换模块A、6.光电转换模块B、7.加法器、8.锁相放大器、9.数据采集卡、10.计算机；

图2是光电转换模块电路连接图；图中PD-、PD+分别连接PIN型光电探测器的阴极、阳极。

图3是以检测水蒸气为实施例的信号各点信号变换图；横坐标是时间单位毫秒，每个信号截取五个周期。图a是因气体吸收部分光强，引发光强衰减的探测光信号，方波幅值为492mV；图b是直接通过光纤耦合到探测器的参考光信号，方波幅值为500mV；图c是探测信号与参考信号叠加之后的合成信号，方波幅值为8mV；图d是锁相放大器的输出信号，其值为172.15mV，对应于检测水蒸气浓度为2322ppm。

图4是本发明实施例2中分别向气室中充入1000、3500、5000、6200、8000ppm的标准浓度的水蒸气时在该系统中锁相放大器对应的输出电压所呈现的线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1-2所示。一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，包括温度控制模块、激光器、1*2光开关、气室、光电转换模块A、光电转换模块B、加法器、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其特征在于温度控制模块连接激光器，控制激光器输出恒定光频率的激光，激光器通过光纤与1*2光开关的输入端相连，1*2光开关的输出端a通过光纤与气室的输入端相连，气室的输出端通过光纤与光电转换模块A的探测器耦合，1*2光开关的输出端b通过光纤直接与光电转换模块B的探测器耦合；光电转换模块A、B的输出端分别与加法器的输入端m、n相连，加法器输出端连接到锁相放大器输入端，锁相放大器的输出连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连接以读取数据采集卡所读取的数据；

所述的光电转换模块A、B分别包括一个PIN型光电探测器和一个型号为OPA2604的运放芯片，其中运放芯片的1端经电阻R2和电容C5相并联后连接到2端；3端接地，4端接-6V并经电容C2接地；5端经电阻R5接地；6端经电阻R3和1端相连接，6端经电阻R4和7端相连接，8端接+6V并经电容C3和电容C4相并联后接地；光电探测器阳极接运放芯片的2端，光电探测器阴极经电阻R1一方面接+6V，另一方面经电容C1接地；

所述的激光器是窄线宽激光器，窄线宽激光器即DFB激光器是英文DistributedFeedback Laser的缩写，即分布式反馈激光器，它内置了布拉格光栅(Bragg Grating)，属于侧面发射的半导体激光器。激光器最大特点是具有非常好的单色性(即窄线宽)。

所述的1*2光开关是通用式光开关，具有一个输入端口和两个输出端口；

所述的气室是气体吸收池；

所述的加法器是由低温漂，压摆率为20V/μs，型号为OPA140；

所述的锁相放大器是数字锁相放大器；

实施例2：

一种利用上述检测系统进行水蒸气浓度检测的方法，步骤如下：

1)将整套气体检测系统连接好，接通各电路模块，调试光路使其正常工作，调整光开关的切换频率为1KHz，调整温度控制模块驱动窄线宽DFB激光器输出波恒定光频率(波长)的激光，并向气室中充入标准浓度的待测气体，然后测量锁相放大器的输出电压，多次向气室中充入不同标准浓度的待测气体，分别测出锁相放大器的输出电压，从而建立起该待测气体浓度与锁相放大器输出电压的线性关系，以此来作为系统线性标定的基准，向气室中充入未知浓度的待测气体；

2)恒定光频率(波长)的激光经过1*2光开关后分成两路，当光开关处在某个周期时，a路导通，b路截止，此时激光由输出端a经过光纤耦合输入气室，光强发生衰减，透射光输入到光电转换模块A得到与光开关频率相同的探测光信号，当光开关进入下一个周期时，a路截止，b路导通，激光由输出端b直接经过光纤输入到光电转换模块B得到与光开关频率相同参考光信号；

3)光电转换模块A、B分别输出的探测光、参考光信号输入由运放芯片构成的加法器的输入端，加法器的输出信号被输入到锁相放大器的输入端，在锁相放大器的输出端得到含有气体浓度信息所对应的电压值；

4)用数据采集卡采集锁相放大器的输出信号并输入计算机，计算机根据锁相放大器的输出电压反演计算出该种气体的浓度；

5)待测气体浓度检测完毕，关闭电源。

本发明实施例2中气室中充入的待测气体为水蒸气，测量过程中线性标定的基准分别向气室中充入1000、3500、5000、6200、8000ppm的标准浓度水蒸气进行测量定标。锁相放大器的输出信号值为172.15mV，对应于检测水蒸气浓度为2322ppm。

Claims (7)

1.一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，包括温度控制模块、激光器、1*2光开关、气室、光电转换模块A、光电转换模块B、加法器、锁相放大器、数据采集卡、计算机，其特征在于温度控制模块连接激光器，控制激光器输出恒定光频率的激光，激光器通过光纤与1*2光开关的输入端相连，1*2光开关的输出端a通过光纤与气室的输入端相连，气室的输出端通过光纤与光电转换模块A的探测器耦合，1*2光开关的输出端b通过光纤直接与光电转换模块B的探测器耦合；光电转换模块A、B的输出端分别与加法器的输入端m、n相连，加法器输出端连接到锁相放大器输入端，锁相放大器的输出连接到数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端与计算机的输入端相连接以读取数据采集卡所读取的数据；

所述的光电转换模块A、B分别包括一个PIN型光电探测器和一个型号为OPA2604的运放芯片，其中运放芯片的1端经电阻R2和电容C5相并联后连接到2端；3端接地，4端接-6V并经电容C2接地；5端经电阻R5接地；6端经电阻R3和1端相连接，6端经电阻R4和7端相连接，8端接+6V并经电容C3和电容C4相并联后接地；光电探测器阳极接运放芯片的2端，光电探测器阴极经电阻R1一方面接+6V，另一方面经电容C1接地。

2.如权利要求1所述的一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，其特征在于所述激光器是窄线宽激光器，即分布式反馈激光器。

3.如权利要求1所述的一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，其特征在于所述的1*2光开关是通用式光开关，具有一个输入端口和两个输出端口。

4.如权利要求1所述的一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，其特征在于所述的气室是气体吸收池。

5.如权利要求1所述的一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，其特征在于所述的加法器是由低温漂，压摆率为20V/μs，型号为OPA140的加法器。

6.如权利要求1所述的一种基于光开关和锁相放大器的气体检测系统，其特征在于所述的锁相放大器是数字锁相放大器。

7.一种利用如权利要求1所述的基于光开关和锁相放大器的气体检测系统进行气体检测的方法，步骤如下：

1)将整套气体检测系统连接好，接通各电路模块，调试光路使其正常工作，调整光开关的切换频率为1KHz，调整温度控制模块驱动窄线宽DFB激光器输出波恒定光频率的激光，并向气室中充入标准浓度的待测气体，然后测量锁相放大器的输出电压，多次向气室中充入不同标准浓度的待测气体，分别测出锁相放大器的输出电压，从而建立起该待测气体浓度与锁相放大器输出电压的线性关系，以此来作为系统线性标定的基准，向气室中充入未知浓度的待测气体；

2)恒定光频率的激光经过1*2光开关后分成两路，当光开关处在某个周期时，a路导通，b路截止，此时激光由输出端a经过光纤耦合输入气室，光强发生衰减，透射光输入到光电转换模块A得到与光开关频率相同的探测光信号，当光开关进入下一个周期时，a路截止，b路导通，激光由输出端b直接经过光纤输入到光电转换模块B得到与光开关频率相同参考光信号；

3)光电转换模块A、B分别输出的探测光、参考光信号输入由运放芯片构成的加法器的输入端，加法器的输出信号被输入到锁相放大器的输入端，在锁相放大器的输出端得到含有气体浓度信息所对应的电压值；

4)用数据采集卡采集锁相放大器的输出信号并输入计算机，计算机根据锁相放大器的输出电压反演计算出该种气体的浓度；

5)待测气体浓度检测完毕，关闭电源。

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