CN114062314A - 一种光电式定型机湿度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光电式定型机湿度检测装置及方法,涉及定型机湿度检测领域,包括激光器、激光分束器、湿度检测部,光电传感器、前置放大电路、带通滤波电路和处理器,激光器发生激光通过激光分束器分两束光分别进入待测气体区、背景气体区的湿度检测部后经由光电传感器、前置放大电路、带通滤波电路传输到处理器,演算出待测气体的湿度,该光电式定型机湿度检测装置,相对于电阻式或者电容式对湿度检测更加灵敏,相比与二氧化锆化学法测量相比,可以不受化学反应的环境影响同时也不会受到化学反应,对反应物消耗的影响。
Description
技术领域
本发明涉及定型机湿度检测技术领域,具体为一种光电式定型机湿度检测装置及方法。
背景技术
纺织定形机湿度是控制定形机转速的一种重要参数,对纺织工业能源节省具有重大的意义。对于纺织定型机湿度检测,可以采用传统的湿度检测传感器,包括电阻式或者电容式湿度检测传感器,例如湿敏元件是最简单的湿度检测传感器。湿敏元件主要包括电阻式和电容式湿敏元件。电阻式湿敏元件的特点是在基片上覆盖一层用湿敏材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在湿敏材料上时,电阻式湿敏元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性可进行湿度测量。电容式湿敏元件一般是用高分子薄膜材料制成的,常用的高分子材料包括聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度改变时,电容式湿敏元件的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
而目前纺织定形机湿度检测主要还是采用了二氧化锆传感器与氧原子进行反应检测出待测气体中氧原子的浓度,进而计算出水蒸气的浓度。
但是通过氧原子检测由于工期中存在氧气,因此通过二氧化锆检测水蒸气浓度存在较大的误差,同时二氧化锆传感器是根据化学反应进而测出水气浓度,所以在工作过程中会对二氧化锆产生损耗,因此在工业实际中一般每三年需要更换一次检测传感探头,增大了实时在线检测的成本,并且检测精度较低。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种光电式定型机湿度检测装置及方法,解决了上述背景技术中提出的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种光电式定型机湿度检测装置及方法,所述装置包括激光器、激光分束器、待测气体区、背景气体区,第一光电传感器、第二光电传感器、第一前置放大电路、第一带通滤波电路、第二前置放大电路、第二带通滤波电路和处理器;
所述待测气体区和背景气体区均设有湿度检测部,所述湿度检测部可根据湿度的不同改变光的通过率;
所述激光器发出的激光经所述激光分束器后分为第一束激光和第二束激光,所述第一束激光经背景气体区的湿度检测部后进入所述第一光电传感器,所述第二束激光经所述待测气体区的湿度检测部后进入所述第二光电传感器,所述第一光电传感器的输出端经所述第一前置放大电路和第一带通滤波电路与所述处理器相连接,所述第二光电传感器的输出端经所述第二前置放大电路和第二带通滤波电路与所述处理器相连接;
优选的,所述湿度检测部包括湿敏形变部和光透过率可调部,所述光透过率可调部为厚度逐步增加的透镜,所述光透过率可调部设在湿敏形变部上部,所述湿敏形变部随着湿敏形变部转动,改变光透过率。
优选的,所述激光器中设置有温度检测补偿模块和温度传感器。
优选的,所述第一束激光经过背景气体区后经第一傅里叶透镜进入所述第一光电传感器,所述第二束激光经过所述待测气体气区后经第二傅里叶透镜进入所述第二光电传感器。
优选的,所述激光器和所述激光分束器之间、所述激光分束器和所述背景气体区之间、所述激光分束器和所述待测气体区之间分别设置有激光准直器。
一种光电式定型机湿度检测方法,其特征在于,采用权利要求至中任一项所述的定型机尾气湿度检测装置,所述方法包括如下步骤:
所述激光经所述激光分束器后分为第一束激光和第二束激光;
第一束激光穿过背景气体区的湿度检测部后进入第一光电传感器,所述第一光电传感器将接收到的光信号转换为电信号;
第二束激光穿过待测气体气区的湿度检测部后进入第二光电传感器,所述第二光电传感器将接收到的光信号转换为电信号;
所述第一光电传感器的输出电信号经过所述第一前置放大电路和所述第一带通滤波电路后进入所述处理器;
所述第二光电传感器的输出电信号经过所述第二前置放大电路和所述第二带通滤波电路后进入所述处理器;
所述处理器对接收到的第二光电传感器的电信号进行反演计算,得到待测气体的水汽浓度,对接收到的第一光电传感器的电信号进行反演计算,得到标准空气的水汽浓度,将待测气体的水汽浓度减去标准空气的水汽浓度,作为尾气湿度检测结果。
(三)有益效果
本发明提供了一种光电式定型机湿度检测装置及方法。具备以下有益效果:
该光电式定型机湿度检测装置,通过在待测气体区和背景气体区,设置湿度检测部,通过湿度的变化,改变光头率,实现光电转换湿度检测,相比其它湿度检测敏感度更高。
该光电式定型机湿度检测装置,与二氧化锆化学法测量相比,可以不受化学反应的环境影响同时也不会受到化学反应,对反应物消耗的影响,需要每三年更换二氧化锆传感器探头,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点,可以实现更高精度的测量,还可以扩展到其他高温环境下水蒸气气体浓度检测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种定形机尾气湿度检测装置的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种定形机尾气湿度检测方法的流程图;
图3为本发明湿度检测部结构示意图。
图中:1、激光器;2、激光分束器;3、待测气体区;4、背景气体区;5a、第一光电传感器;5b、第二光电传感器;6a、第一前置放大电路;6b、第二前置放大电路;7a、第一带通滤波电路;7b、第二带通滤波电路;8、处理器;9、湿度检测部;91、湿敏形变部;92、光透过率可调部;10、温度补偿模块;11a、第一傅里叶透镜;11b、第二傅里叶透镜;12、激光准直器。
具体实施方式
本发明以工业纺织定形机的湿度测量为应用背景,该系统主要包括处理器8,包括激光器1、激光分束器2、湿度检测部9、光电传感器5a/5b、前置放大电路6a/6b、带通滤波电路7a/7b。激光器1发射的激光经过激光准直器12之后通过1:1激光分束器2,再经过激光准直器12,一束通入待测气体经过气体吸收之后,首先经过傅里叶透镜11a/11b将光线汇聚之后再经过光电传感器5a/5b进行光电转换,产生微弱电流信号后经过前置放大电路6a/6b进行信号放大,再经过带通滤波器滤波之后将信号传输给处理器8,另一路激光经过空气吸收之后同样进过光电转换之后传输到处理器8,处理器8根据通过内部原来的数据库,反演出待测定形机尾气中水蒸汽的浓度,即可得出定形机尾气的湿度。
图1所示出一种定形机湿度检测装置的结构示意图。该装置包括激光器16、温度补偿模块10、激光准直器12、激光分束器2、背景气体区4,待测气体区3、傅里叶透镜11a/11b、光电传感器5a/5b、前置放大电路6a/6b、带通滤波电路和处理器8。待测气体为工业纺织定形机尾气中的水蒸气。其中,激光器1,激光准直器12,激光分束器2中心需对准于同一水平线上,立方体激光分束器2将激光器1光源发出的光分成1:1的两束,激光准直器12、傅里叶透镜11a/11b、光电传感器5a/5b的中心需对准于同一水平线并保证激光分束器2其中一束光路垂直通过待测气体区3,同样,激光准直器12、傅里叶透镜11a/11b、光电传感器5a/5b的中心需对准于同一水平线并保证激光分束器2的另一束光路能垂直透过背景气体。
如图3所示,为本湿度检测部9的结构示意图,湿度检测部9包括湿敏形变部和光透过率可调部,光透过率可调部为厚度逐步增加的透镜,光透过率可调部92设在湿敏形变部91上部,湿敏形变部随着湿敏形变部转动,改变光透过率,具体的湿敏形变部91根据环境不同的湿度,会发生形变,在本案中,即发生逆时针转动,进而带动光透过率可调部92逆时针转动,而光透过率可调部92的透光度不同,进而影响光束经过光透过率可调部92后的的关束。
在光电传感器5a/5b前加装傅里叶透镜11a/11b用于将经过气体吸收之后的光束聚焦到光电传感器5a/5b上,光电传感器5a/5b采用雪崩光电二极管用来将光信号转化成电信号,并且和前置放大电路6a/6b和带通滤波电路相连,用来保证电信号的品质。待测气体为定形机尾气经过抽取泵,抽取到密闭气室中,以保证所述的激光器1的正常工作环境。待测气体在经过吸收前,需要经过过滤,过滤掉影响定形机尾气水气浓度的烟气小颗粒,纺织定形机的尾气温度大约在200摄氏度左右。
激光器1可采用DFB激光器1,采用TT公司的NEL近红外波长DFB半导体激光器1NLE1E5EAAA1360-1460nm激光器1。该DFB激光器1内部集成了激光二极管(LD)、光功率监测二极管(PD)、测温元件(热敏电阻)和热电偶(TEC)。当所测的待测气体为纺织定形机尾气中的水蒸气时,其最强吸收线位于7185.597cm-1。所述的DFB激光器1用于发射1365nm的激光,且该激光器1自带温度补偿模块10。
本实施例中选取东龙科技有限公司LDC-0050半导体激光器1电流驱动控制板采用适当的电源,为半导体激光器1提供稳定的、低噪声的电流,其电流输出范围为0-500mA调制带宽为0-100KHz。
温度控制模块为激光器1本身封装的温度模块,与激光器1相连进行恒定温度控制,所述的恒定温度为预先设置的。
DFB激光器16用于发射能够覆盖工业纺织定形机尾气中水蒸气气体吸收线的1365nm的近红外光。
激光器1的出光口设置有激光准直器12,激光准直器12采用增加了宽带增透膜的平凸透镜。
光电传感器5a/5b与前置放大电路6a/6b连接,用于测量待测气体区3经过湿度检测部9后的光束,测量光束的激光强度,并将激光强度转换为电压信号,经前置放大后传输至带通滤波7a/7b电路,提高波形质量,所述出射测量光束为入射测量光束经气体吸收池吸收后得到的光束。
处理器81用于将带通滤波后的电压信号进行反演计算,得到待测气体的浓度及变化曲线。参考光束直接通过大气环境作为背景气体,用于扣除待测气体中空气中的水蒸气浓度。
如图2所示,本发明实施例还提供一种基于TDLAS的工业纺织定形机尾气湿度测量方法,该方法包括如下步骤:
S1、DFB激光器1发射覆盖待测气体吸收线的1365nm波长近红外光,近红外光束经过激光分束器2分为两束;
S2a、一束经过待测气体区4吸收,传输到光电传感器5b,并将光信号转换为电信号;
S2b、另一束经过大气吸收,传输到光电传感器5a,并将光信号转换为电信号;
S3、对电信号进行放大和滤波处理。
S4、处理器8对得到的电信号进行反演计算,并扣除背景大气中的水气浓度,从而得到纺织定形机尾气中的水蒸气浓度及变化曲线。
综上所述,该光电式定型机湿度检测装置,通过在待测气体区3和背景气体区4,设置湿度检测部9,通过湿度的变化,改变光头率,实现光电转换湿度检测,相比其它湿度检测敏感度更高。
该光电式定型机湿度检测装置,基于TDLAS的工业纺织定形机湿度测量系统,与二氧化锆化学法测量相比,可以不受化学反应的环境影响同时也不会受到化学反应,对反应物消耗的影响,需要每三年更换二氧化锆传感器探头,具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点,可以实现更高精度的测量,还可以扩展到其他高温环境下水蒸气气体浓度检测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种光电式定型机湿度检测装置及方法,其特征在于:所述装置包括激光器(1)、激光分束器(2)、待测气体区(3)、背景气体区(4),第一光电传感器(5a)、第二光电传感器(5b)、第一前置放大电路(6a)、第一带通滤波电路(7a)、第二前置放大电路(6b)、第二带通滤波电路(7b)和处理器(8);
所述待测气体区(3)和背景气体区(4)均设有湿度检测部(9),所述湿度检测部(9)可根据湿度的不同改变光的通过率;
所述激光器(1)发出的激光经所述激光分束器(2)后分为第一束激光和第二束激光,所述第一束激光经背景气体区(4)的湿度检测部(9)后进入所述第一光电传感器(5a),所述第二束激光经所述待测气体区(3)的湿度检测部(9)后进入所述第二光电传感器(5b),所述第一光电传感器(5a)的输出端经所述第一前置放大电路(6a)和第一带通滤波电路(7a)与所述处理器(8)相连接,所述第二光电传感器(5b)的输出端经所述第二前置放大电路(6b)和第二带通滤波电路(7b)与所述处理器(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种光电式定型机湿度检测装置及方法,其特征在于:所述湿度检测部(9)包括湿敏形变部(91)和光透过率可调部(92),所述光透过率可调部(92)为厚度逐步增加的透镜,所述光透过率可调部(92)设在湿敏形变部(91)上部,所述湿敏形变部(91)随着湿敏形变部(91)转动,改变光透过率。
3.根据权利要求1所述的一种光电式定型机湿度检测装置及方法,其特征在于:所述激光器(1)中设置有温度检测补偿模块(10)和温度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种光电式定型机湿度检测装置及方法,其特征在于:所述第一束激光经过背景气体区(3)后经第一傅里叶透镜(11a)进入所述第一光电传感器(5a),所述第二束激光经过所述待测气体气区(4)后经第二傅里叶透镜(11b)进入所述第二光电传感器(5b)。
5.根据权利要求4所述的一种光电式定型机湿度检测装置及方法,其特征在于:所述激光器(1)和所述激光分束器(2)之间、所述激光分束器(2)和所述背景气体区(3)之间、所述激光分束器(2)和所述待测气体区(4)之间分别设置有激光准直器(12)。
6.一种光电式定型机湿度检测方法,其特征在于,采用权利要求1至5中任一项所述的定型机尾气湿度检测装置,所述方法包括如下步骤:
所述激光经所述激光分束器(2)后分为第一束激光和第二束激光;
第一束激光穿过背景气体区(3)的湿度检测部(9)后进入第一光电传感器(5a),所述第一光电传感器(5a)将接收到的光信号转换为电信号;
第二束激光穿过待测气体气区(4)的湿度检测部(9)后进入第二光电传感器(5b),所述第二光电传感器(5b)将接收到的光信号转换为电信号;
所述第一光电传感器(5a)的输出电信号经过所述第一前置放大电路(6a)和所述第一带通滤波电路(7a)后进入所述处理器(8);
所述第二光电传感器(5b)的输出电信号经过所述第二前置放大电路(6b)和所述第二带通滤波电路(7b)后进入所述处理器(8);
所述处理器(8)对接收到的第二光电传感器(5b)的电信号进行反演计算,得到待测气体的水汽浓度,对接收到的第一光电传感器(5a)的电信号进行反演计算,得到标准空气的水汽浓度,将待测气体的水汽浓度减去标准空气的水汽浓度,作为尾气湿度检测结果。
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