CN113189046B - 一种微量气体浓度检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种微量气体浓度检测装置，解决了现有微量气体浓度信号提取不够精准的问题，属于微弱信号检测领域。本发明利用FPGA内部数字电路构建任意波形产生模块，数字信号处理模块中所需的参考信号以及激光器驱动源所需的驱动信号，均由任意波形产生模块产生，最大程度保证送入数字信号处理模块中含有微量气体信息的输入信号频率与参考信号频率保持一致，得到精准的气体浓度信息。利用FPGA内部数字信号处理模块构建的双通道相位频率锁定放大器，将双通道产生带有相位信息的两路差频信号，分别通过乘法器进行平方处理后，将两路信号相加，并通过开方，得到相位误差为0的幅值信息，避免了被检测信号与参考信号因相位误差所带来的影响。

Description

一种微量气体浓度检测装置
技术领域
本发明涉及一种微量气体浓度检测装置，属于微弱信号检测领域。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱技术是广泛用于微弱气体的一种检测技术，由于不同气体分子所产生的分子振动或转动频率不同，当激光器发射的激光频率与被检测特定气体分子的振动或转动频率相同时，该波长的光能量会被特定分子吸收，进而使入射激光的光强产生衰减。后将衰减后的光强信号通过光电转换处理后，再经过信号调理电路及数字信号处理电路，得到特定的幅值信息，再对比前后输入输出光强变化，得到对应特定气体浓度信息。
通常环境中需要检测的特定气体浓度较低，且检测环境中有背景噪声的干扰，导致其携带气体浓度信息的光强信号通过光电转换器得到的电信号通常夹杂大量背景噪声。并且传统的微量气体浓度信号检测的核心方式多以化学法、分光光度法为主，且对应的检测设备大且繁杂，设备各个组件功能相对固定，集成度低。
发明内容
针对现有微量气体浓度信号提取不够精准的问题，本发明提供一种微量气体浓度检测装置。
本发明的一种微量气体浓度检测装置，所述装置包括激光器、光电采集电路、FPGA和激光驱动电路；
FPGA包括数字信号处理模块和任意波形产生模块；
任意波形产生模块包括频率相位控制字、地址选择模块、正弦ROM表、锯齿ROM表和余弦ROM表；
频率相位控制字的频率相位控制输出端与地址选择模块的频率相位控制输入端连接，地址选择模块的正弦信号地址输出端与正弦ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的锯齿信号地址输出端与锯齿ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的余弦信号地址输出端与余弦ROM表的地址输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与数字信号处理模块的正弦参考信号输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与数字信号处理模块的余弦参考信号输入端连接，正弦ROM表输出的高频正弦波信号与锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号同时输入至激光驱动电路中，激光驱动电路将高频正弦波信号与低频锯齿波信号叠加后获得调制驱动信号；激光驱动电路的调制驱动电流信号输出端与激光器的驱动电流信号输入端连接，激光器的激光信号射入至待测气体环境中，穿过待测气体环境入射至光电采集电路，光电采集电路的电压信号输出端与数字信号处理模块的电压信号输入端连接，数字信号处理模块根据输入的电压信号、正弦参考信号和余弦参考信号得到含有微量气体浓度信息的幅值信号，上位机可根据该幅值信号得到其待测微量气体的浓度；
所述调制驱动电流信号和正弦参考信号与余弦参考信号同源。
作为优选，所述数字信号处理模块包括1号乘法器、2号乘法器、1号低通滤波器、2号低通滤波器、3号乘法器、4号乘法器、加法器和开方模块；
光电采集电路的电压信号输出端同时与1号乘法器的一个输入端和2号乘法器的一个输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与1号乘法器的另一个输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与2号乘法器的另一个输入端连接，1号乘法器的输出端与1号低通滤波器的输入端连接，1号低通滤波器的输出端同时输入至3号乘法器的两个输入端，2号乘法器的输出端与2号低通滤波器的输入端连接，2号低通滤波器的输出端同时输入至2号乘法器的两个输入端，3号乘法器的输出端和4号乘法器的输出端分别与加法器的两个输入端连接；加法器的输出端与开方模块的输入端连接，开方模块的输出含有微量气体浓度信息的幅值信号。
作为优选，所述光电采集电路包括光电传感器、I/V转换模块、信号调理模块和AD转换器，激光器的激光信号穿过待测气体环境入射至光电传感器，光电传感器的电流信号输出端与I/V转换模块的电流信号输入端连接，I/V转换模块的电压信号输出端与信号调理模块的电压信号输入端连接，信号调理模块将输入的电压信号的背景噪声中的直流信号去除掉并将保留的信号进行放大输出，信号调理模块的信号输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端作为光电采集电路的电压信号输出端，输出电压信号给数字信号处理模块。
作为优选，所述激光驱动电路包括激光驱动器、滤波器和1号DA转换器、2号DA转换器和波形叠加模块；
正弦ROM表的高频正弦波信号输出端与1号DA转换器的输入端连接，1号DA转换器的输出端与波形叠加模块的一个输入端连接，锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号输出端与2号DA转换器的输入端连接，2号DA转换器的输出端与波形叠加模块的另一个输入端连接，波形叠加模块的叠加信号输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与激光驱动器的输入端连接，激光驱动器的调制驱动电流信号输出端与激光器驱动电流信号输入端连接。
作为优选，所述FPGA还包括通信模块，数字信号处理模块利用所述通信模块将得到的含有微量气体浓度信息的幅值信号发送至上位机。
作为优选，信号调理模块由芯片AD8512及芯片AD8605组成，芯片AD8512对信号进行跟随处理及滤波处理，将背景噪声中的直流信号去除掉，芯片AD8605通过改变外部电阻，改变信号的放大倍数，满足AD转换器的输入信号的精度要求。
作为优选，所述上位机根据公式一获取气体浓度；
Figure GDA0003630215020000031
A(v0)为含有微量气体浓度信息的幅值信号，I0表示输入光强,L表示光线长度，C表示被测气体的浓度值，σ表示气体吸收线中心吸收截面，v表示波长，va为气体吸收中心频率波长。
本发明的有益效果，为了提取出较为精准的微量气体浓度信号，本发明利用FPGA内部数字电路构建任意波形产生模块，数字信号处理模块中所需的参考信号以及激光器驱动源所需的驱动信号，均由任意波形产生模块产生，保证了信号的同源性，最大程度保证送入数字信号处理模块中含有微量气体信息的输入信号频率与参考信号频率保持一致，避免了因频率问题所带来的误差干扰，极大程度的提高信噪比，得到精准的气体浓度信息。同时，本发明利用FPGA内部数字信号处理模块构建的双通道相位频率锁定放大器，相对于其他放大器而言，其将双通道产生带有相位信息的两路差频信号，分别通过乘法器进行平方处理后，将两路信号相加，并通过开方模块处理，得到相位误差为0的幅值信息，避免了被检测信号与参考信号因相位误差所带来的影响。数字信号处理模块利用FPGA芯片内部数字逻辑电路进行搭建，减少了信号因模拟器件自身所带来的误差影响，同时减少了外围电路的设计，减少了外部噪声干扰来源。
附图说明
图1为本发明微量气体浓度检测装置的原理示意图；
图2为任意波形产生模块的原理示意图；
图3为数字信号处理模块的原理示意图；
图4为信号调理模块的电气原理示意图；
图5：AD7980BR转换器的电气原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的一种微量气体浓度检测装置，包括激光器、光电采集电路、FPGA和激光驱动电路；
FPGA包括数字信号处理模块和任意波形产生模块；
任意波形产生模块包括频率相位控制字、地址选择模块、正弦ROM表、锯齿ROM表和余弦ROM表；
频率相位控制字的频率相位控制输出端与地址选择模块的频率相位控制输入端连接，地址选择模块的正弦信号地址输出端与正弦ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的锯齿信号地址输出端与锯齿ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的余弦信号地址输出端与余弦ROM表的地址输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与数字信号处理模块的正弦参考信号输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与数字信号处理模块的余弦参考信号输入端连接，正弦ROM表输出的高频正弦波信号与锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号同时输入至激光驱动电路中，激光驱动电路将高频正弦波信号与低频锯齿波信号叠加后获得调制驱动信号；激光驱动电路的调制驱动电流信号输出端与激光器的驱动电流信号输入端连接，激光器的激光信号射入至待测气体环境中，穿过待测气体环境入射至光电采集电路，光电采集电路的电压信号输出端与数字信号处理模块的电压信号输入端连接，数字信号处理模块根据输入的电压信号、正弦参考信号和余弦参考信号得到含有微量气体浓度信息的幅值信号，上位机可根据该幅值信号得到其待测微量气体的浓度；
所述调制驱动电流信号和正弦参考信号与余弦参考信号同源。
本实施方式在FPGA内部利用任意波形产生模块产生的驱动信号，经过激光驱动电路处理后产生特定的驱动电流信号来驱动激光器，使激光器产生所对应的波长激光，并将特定波长激光射入被检测气体中。之后将穿过被测气体的特定波长激光送入光电采集电路中，将背景噪声中的直流信号去除掉，以去除前级背景噪声对待测信号所带来的干扰，提高信号带负载能力，同时将信号进行放大，送入FPGA内部的数字信号处理模块中进行处理，得到含有微弱气体浓度信息的幅值信号，本实施方式的FPGA还包括通信模块，数字信号处理模块利用所述通信模块将得到的含有微量气体浓度信息的幅值信号发送至上位机，上位机进行进一步的分析与处理，最终得到其待测微弱气体的浓度。
本实施方式在任意波形产生模块中，能够产生数字信号处理模块中参考信号所需的正余弦同频信号，同时也能够为激光驱动电路提供激光器所需的高频正弦波与低频锯齿波所叠加的调制驱动信号。激光器所接收的驱动信号与数字信号处理模块所接收的参考信号同源。防止因信号频率误差对微量气体浓度检测系统的精度带来的不利影响。
本实施方式的光电采集电路包括光电传感器、I/V转换模块、信号调理模块和AD转换器，激光器的激光信号穿过待测气体环境入射至光电传感器，光电传感器的电流信号输出端与I/V转换模块的电流信号输入端连接，I/V转换模块的电压信号输出端与信号调理模块的电压信号输入端连接，信号调理模块将输入的电压信号的背景噪声中的直流信号去除掉并将保留的信号进行放大输出，信号调理模块的信号输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端作为光电采集电路的电压信号输出端，输出电压信号给数字信号处理模块。
光电传感器及I/V转换模块主要将通过待测气体环境的后衰减的光强信号转换为电流信号，并通过I/V转换模块将微弱的电流信号转换为较稳定的电压信号。并将其携带微量气体浓度信息的电压信号传送到信号调理模块中进行进一步处理。
此信号调理模块的核心由AD8512及AD8605构成，其中AD8512先对信号进行跟随处理，来提高对应带负载能力，后进行滤波处理，减少背景噪声干扰，通过AD8605模块通过改变外部的电阻，可改变信号的放大倍数。进而能够使输出信号强度达到所用AD转换器的精度要求。并将调理后的信号通过VO7引脚输出到对应下一级输入中。
信号调理模块由芯片AD8512及芯片AD8605组成，芯片AD8512对信号进行跟随处理及滤波处理，将背景噪声中的直流信号去除掉，芯片AD8605通过改变外部电阻，改变信号的放大倍数，满足AD转换器的输入信号的精度要求。
本实施方式的AD转换器采用芯片AD7980BR实现，为16位逐次逼近转换器，使信号的传输速度以及精确度上均有较大的提升。
信号调理模块主要是将接收到的待测信号进行前级滤波及放大处理，以便达到对应AD转换器的精度要求。再将调节好的信号通过VO7送入到芯片AD7980BR的VO7引脚上。将前级输入的模拟信号转换为数字信号。经AD转换器处理后，将包含有微弱气体浓度的数字电压信号转移到数字信号处理模块中进行进一步的处理。
本实施方式的激光驱动电路包括激光驱动器、滤波器和1号DA转换器、2号DA转换器和波形叠加模块；
正弦ROM表的高频正弦波信号输出端与1号DA转换器的输入端连接，1号DA转换器的输出端与波形叠加模块的一个输入端连接，锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号输出端与2号DA转换器的输入端连接，2号DA转换器的输出端与波形叠加模块的另一个输入端连接，波形叠加模块的叠加信号输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与激光驱动器的输入端连接，激光驱动器的调制驱动电流信号输出端与激光器驱动电流信号输入端连接。
本实施方式的激光器为DFP激光器。激光驱动器所需的驱动信号主要由FPGA芯片内部的任意波形产生模块提供，驱动信号由高频正弦波与低频锯齿波叠加组成。其中低频锯齿波主要调节激光器中心频率，叠加高频正弦波则用于防止因外部低频噪声信号的干扰，提高抗噪声能力。
优选实施例中，本实施方式的数字信号处理模块包括1号乘法器、2号乘法器、1号低通滤波器、2号低通滤波器、3号乘法器、4号乘法器、加法器和开方模块；
光电采集电路的电压信号输出端同时与1号乘法器的一个输入端和2号乘法器的一个输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与1号乘法器的另一个输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与2号乘法器的另一个输入端连接，1号乘法器的输出端与1号低通滤波器的输入端连接，1号低通滤波器的输出端同时输入至3号乘法器的两个输入端，2号乘法器的输出端与2号低通滤波器的输入端连接，2号低通滤波器的输出端同时输入至2号乘法器的两个输入端，3号乘法器的输出端和4号乘法器的输出端分别与加法器的两个输入端连接；加法器的输出端与开方模块的输入端连接，开方模块的输出含有微量气体浓度信息的幅值信号。
如图3所示，从芯片AD7980中读取得到待测信号序列并定义为
Figure GDA0003630215020000061
其中，A为被测气体浓度幅值信息，N为一个周期信号所包含的采样点，θ为初始相位。
所产生与待检测信号同频的正弦信号r1(u)，以及同频余弦信号序列r2(u)分别为：
Figure GDA0003630215020000071
Figure GDA0003630215020000072
将s(u)信号与r1(u)信号送入到1号乘法器中，同时将s(u)与r2(u)信号送入2号乘法器中，输出并得到对应的和频信号与差频信号，即：
Figure GDA0003630215020000073
Figure GDA0003630215020000074
之后将Rsr1，Rsr2分别送到1号低通滤波器和2号低通滤波器中，来去除因1号乘法器和2号乘法器所产生的和频信号并保留产生的差频信号即：
Figure GDA0003630215020000075
Figure GDA0003630215020000076
之后将保留的差频信号分别送入3号乘法器和4号乘法器中的两端输入上，得到对应两路差频信号的平方信号，再将信号经过加法器，开方模块处理后，得到含有微弱气体浓度幅度的电压信号AB，通常将B值设定为1即：
Figure GDA0003630215020000077
之后将产生的电压信号通过通信模块将数据传送到上位机，再利用公式一将气体浓度推算出来，得到最终气体浓度信息。
Figure GDA0003630215020000078
其中A(v0)为含有微量气体浓度信息的幅值信号，输入光强I0,光线长度L，C表示被测气体的浓度值，σ表示气体吸收线中心吸收截面，v表示波长，气体吸收中心频率波长va均为已知条件。上述除气体浓度外其他均为已知条件。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种微量气体浓度检测装置，其特征在于，所述装置包括激光器、光电采集电路、FPGA和激光驱动电路；
FPGA包括数字信号处理模块和任意波形产生模块；
任意波形产生模块包括频率相位控制字、地址选择模块、正弦ROM表、锯齿ROM表和余弦ROM表；
频率相位控制字的频率相位控制输出端与地址选择模块的频率相位控制输入端连接，地址选择模块的正弦信号地址输出端与正弦ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的锯齿信号地址输出端与锯齿ROM表的地址输入端连接，地址选择模块的余弦信号地址输出端与余弦ROM表的地址输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与数字信号处理模块的正弦参考信号输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与数字信号处理模块的余弦参考信号输入端连接，正弦ROM表输出的高频正弦波信号与锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号同时输入至激光驱动电路中，激光驱动电路将高频正弦波信号与低频锯齿波信号叠加后获得调制驱动信号；激光驱动电路的调制驱动电流信号输出端与激光器的驱动电流信号输入端连接，激光器的激光信号射入至待测气体环境中，穿过待测气体环境入射至光电采集电路，光电采集电路的电压信号输出端与数字信号处理模块的电压信号输入端连接，数字信号处理模块根据输入的电压信号、正弦参考信号和余弦参考信号得到含有微量气体浓度信息的幅值信号，上位机可根据该幅值信号得到其待测微量气体的浓度；
所述调制驱动电流信号和正弦参考信号与余弦参考信号同源；
所述数字信号处理模块包括1号乘法器、2号乘法器、1号低通滤波器、2号低通滤波器、3号乘法器、4号乘法器、加法器和开方模块；
光电采集电路的电压信号输出端同时与1号乘法器的一个输入端和2号乘法器的一个输入端连接，正弦ROM表的正弦参考信号输出端与1号乘法器的另一个输入端连接，余弦ROM表的余弦参考信号输出端与2号乘法器的另一个输入端连接，1号乘法器的输出端与1号低通滤波器的输入端连接，1号低通滤波器的输出端同时输入至3号乘法器的两个输入端，2号乘法器的输出端与2号低通滤波器的输入端连接，2号低通滤波器的输出端同时输入至2号乘法器的两个输入端，3号乘法器的输出端和4号乘法器的输出端分别与加法器的两个输入端连接；加法器的输出端与开方模块的输入端连接，开方模块的输出含有微量气体浓度信息的幅值信号。
2.根据权利要求1所述的微量气体浓度检测装置，其特征在于，所述光电采集电路包括光电传感器、I/V转换模块、信号调理模块和AD转换器，激光器的激光信号穿过待测气体环境入射至光电传感器，光电传感器的电流信号输出端与I/V转换模块的电流信号输入端连接，I/V转换模块的电压信号输出端与信号调理模块的电压信号输入端连接，信号调理模块将输入的电压信号的背景噪声中的直流信号去除掉并将保留的信号进行放大输出，信号调理模块的信号输出端与AD转换器的输入端连接，AD转换器的输出端作为光电采集电路的电压信号输出端，输出电压信号给数字信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的微量气体浓度检测装置，其特征在于，所述激光驱动电路包括激光驱动器、滤波器和1号DA转换器、2号DA转换器和波形叠加模块；
正弦ROM表的高频正弦波信号输出端与1号DA转换器的输入端连接，1号DA转换器的输出端与波形叠加模块的一个输入端连接，锯齿ROM表输出的低频锯齿波信号输出端与2号DA转换器的输入端连接，2号DA转换器的输出端与波形叠加模块的另一个输入端连接，波形叠加模块的叠加信号输出端与滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与激光驱动器的输入端连接，激光驱动器的调制驱动电流信号输出端与激光器驱动电流信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的微量气体浓度检测装置，其特征在于，所述FPGA还包括通信模块，数字信号处理模块利用所述通信模块将得到的含有微量气体浓度信息的幅值信号发送至上位机。
5.根据权利要求2所述的微量气体浓度检测装置，其特征在于，信号调理模块由芯片AD8512及芯片AD8605组成，芯片AD8512对信号进行跟随处理及滤波处理，将背景噪声中的直流信号去除掉，芯片AD8605通过改变外部电阻，改变信号的放大倍数，满足AD转换器的输入信号的精度要求。
6.根据权利要求1所述的微量气体浓度检测装置，其特征在于，所述上位机根据公式一获取气体浓度；
Figure FDA0003630215010000021
A(v0)为含有微量气体浓度信息的幅值信号，I0表示输入光强,L表示光线长度，C表示被测气体的浓度值，σ表示气体吸收线中心吸收截面，v表示波长，va为气体吸收中心频率波长。
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