CN115963081A - 一种气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体分析仪，包括：半导体激光器；激光器驱动模块，包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器；直接数字频率合成器还用于分别产生同一时序的2倍频参考信号和2N倍频参考信号；光电检测器，用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号；第一锁相放大器，用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号；第二锁相放大器，用于根据2N倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出2N次谐波信号；减法器，用于将二次谐波信号与2N次谐波信号相减，得到气体浓度反演信号。本发明在不影响信号强度的前提下扣减噪声，增加了信噪比，提高了系统检出限水平。

Description

一种气体分析仪

技术领域

本发明属于气体分析技术领域，具体涉及一种气体分析仪。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，是常用的气体分析技术，其以分子吸收光谱理论为基础，激光穿越待测区域后被吸收而发生光强衰减效应，以此进行气体分析。

TDLAS技术根据调制方式不同，分为直接吸收光谱技术、波长调制光谱技术和频率调制光谱技术。其中，波长调制光谱技术相比其他两种技术具有更高的信噪比和灵敏度；波长调制光谱技术通常由两个信号发生器产生两束信号：一束为低频锯齿波信号，另一束为高频正弦波信号，然后两束信号叠加形成驱动信号，对半导体激光器进行驱动，半导体激光器发光穿越待测气体后由光电检测器接收并进行光电转换，之后通过一个锁相放大器对光电检测器响应的电信号进行分析，提取放大后的单次谐波信息进行气体浓度的反演，具体原理如图1所示。

波长调制光谱技术的气体分析精度易受光学噪声及偏置噪声等噪声的影响；光学噪声及偏置噪声不随谐波阶次的增加而减小，但谐波幅值随着谐波阶次的增加而衰减迅速，如何在不影响信号强度的前提下扣减噪声，增加信噪比，提高系统检出限水平，是当前亟需解决的难题。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种气体分析仪。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种气体分析仪，包括：

半导体激光器；

激光器驱动模块，包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器；直接数字频率合成器用于产生高频正弦波信号，数字模拟转换器用于产生低频锯齿波信号，加法器用于叠加高频正弦波信号和低频锯齿波信号进行波长调制并形成驱动信号，以驱动半导体激光器；其中，直接数字频率合成器还用于分别产生同一时序的2倍频参考信号和2N倍频参考信号，2倍频参考信号和2N倍频参考信号的频率分别为高频正弦波信号的2倍和2N倍，N为大于1的整数；

光电检测器，用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号；

第一锁相放大器，用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号；

第二锁相放大器，用于根据2N倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出2N次谐波信号；

减法器，用于将二次谐波信号与2N次谐波信号相减，得到气体浓度反演信号。

作为优选方案，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入信号为有效信号和噪声信号的叠加；

所述二次谐波信号V₁为：

；

所述2N次谐波信号V₂为：

；

其中，为半导体激光器的初始光强，为低频锯齿波信号的频率，为波长调制幅度，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2阶傅里叶系数，与和相关；为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2N阶傅里叶系数，与和相关；2倍频参考信号和2N倍频参考信号的幅值均为V_r，2倍频参考信号和2N倍频参考信号的相位均为，为有效信号的相位，噪声信号与2倍频参考信号或2N倍频参考信号的相关函数均为。

作为优选方案，所述气体浓度反演信号V为：

。

作为优选方案，所述激光器驱动模块还包括温控芯片和PID电路，温控芯片、PID电路和半导体激光器构成PID控制回路，以对半导体激光器进行温度控制。

作为优选方案，气体分析仪还包括低通滤波器、运算放大器和数据采集分析器，气体浓度反演信号依次经过低通滤波器、运算放大器、数据采集分析器处理，得到气体浓度。

作为优选方案，所述N取值为2、3或4。

本发明还提供一种气体分析仪，包括：

半导体激光器；

激光器驱动模块，包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器；直接数字频率合成器用于产生高频正弦波信号，数字模拟转换器用于产生低频锯齿波信号，加法器用于叠加高频正弦波信号和低频锯齿波信号进行波长调制并形成驱动信号，以驱动半导体激光器；其中，直接数字频率合成器还用于分别产生相位差为90°的两路2倍频参考信号；

光电检测器，用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号；

第一锁相放大器，用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号；

第二锁相放大器，用于根据另一路2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出噪声信号；

减法器，用于将二次谐波信号与噪声信号相减，得到气体浓度反演信号。

作为优选方案，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入信号为有效信号和噪声信号的叠加；

所述二次谐波信号V₁为：

；

所述噪声信号V_n为：

；

其中，为半导体激光器的初始光强，为低频锯齿波信号的频率，为波长调制幅度，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2阶傅里叶系数，与和相关；V_r为2倍频参考信号的幅值，为2倍频参考信号的相位，为有效信号的相位，为噪声信号与2倍频参考信号的相关函数。

作为优选方案，所述气体浓度反演信号V为：

。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的气体分析仪采用双路锁相设计，在信号检测时检测信号经双路锁相后分别提取出二次谐波信号和2N次谐波信号（或噪声信号），之后通过差分采集相减之后的信号，在不影响信号强度的前提下扣减噪声，增加了信噪比，提高了系统检出限水平。

附图说明

图1为现有技术中的分析仪的信号链路图；

图2为本发明实施例1的分析仪的构架图；

图3为本发明实施例1的分析仪的信号链路图；

图4为本发明实施例1的分析仪的信号处理效果图；

图5为本发明实施例2的分析仪的信号链路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例1：

如图2所示，本实施例的气体分析仪，包括半导体激光器、激光器驱动模块、光电检测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、减法器、低通滤波器、运算放大器和数据采集分析器。其中，本实施例的半导体激光器为可调谐半导体激光器。

具体地，本实施例的激光器驱动模块包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器。

如图3所示，直接数字频率合成器DDS用于产生高频正弦波信号（又称高频调制信号），数字模拟转换器DAC用于产生低频锯齿波信号，加法器用于叠加高频正弦波信号和低频锯齿波信号进行波长调制并形成驱动信号，驱动信号用于驱动半导体激光器。

另外，本实施例的直接数字频率合成器DDS还用于分别产生同一时序的2倍频参考信号和6倍频参考信号，同一时序能够避免时间差导致的噪声变化，而不能有效扣减噪声。其中，2倍频参考信号和6倍频参考信号的频率分别为高频正弦波信号的2倍和6倍，2倍频参考信号的相位、幅值与6倍频参考信号的相同。

本实施例的光电检测器用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号。

本实施例的第一锁相放大器用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号（简称二次谐波）。

本实施例的第二锁相放大器用于根据6倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出六次谐波信号（简称六次谐波）。

本实施例的减法器用于将二次谐波信号与六次谐波信号相减，得到差减信号，即气体浓度反演信号。

以下对本实施例的气体分析仪的原理进行详细说明：

以频率为的低频锯齿波信号（即锯齿波扫描吸收谱线），再叠加频率为f的高频正弦波信号进行波长调制，此时半导体激光器的瞬时频率V_t为：

；其中，t为时间，为波长调制幅度。

在频率调制的同时，也伴随着半导体激光器的光强调制，透射激光的强度I_v用傅里叶余弦级数展开式表示为：

；

其中，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的k阶傅里叶系数，与和相关；为半导体激光器的初始光强。

奇数次的谐波信号在谱线中心位置为零，偶数次谐波信号在谱线中心位置为幅值最大值。所以采用偶数次谐波信号对气体吸收信号测量，随着次数增加，偶数次谐波信号衰减十分迅速，因此在实际应用中一般使用二阶次谐波进行光谱检测，通过锁相放大器处理后，就可以探测出正比于的二倍频分量。

锁相放大器输入的被测信号可视为有效信号与噪声信号的叠加：

；

其中，为被测信号中的有效信号，为被测信号中的噪声信号，为有效信号的相位。

锁相放大器工作时将被测信号和参考信号输入至相敏检测器进行混合和积分，得到的输出信号为：

；

其中，为有效信号与参考信号的相关函数，为噪声信号与参考信号的相关函数，T为周期，V_r、f_r和为参考信号的幅值、频率和相位。

噪声的频率和相位都是随机的，因此噪声与参考信号不相关，故在积分之后其值接近于零，现有技术中将按零值处理，因此上述输出信号V₀可简化为：

；

经过相敏检测器处理的信号之后再输入锁相放大器的低通滤波部分，就可以去除信号中的交流部分。一般采用二次谐波信号反演气体浓度，即用二倍调制频率的参考信号提取被测信号中的二次谐波信号，此时参考信号与被测信号频率相同，即f_r=2f，上述输出信号V₀可表示为：

；

但在实际情况中，在积分之后其值并不完全等于零，上述输出信号V₀应为：

，即输出信号中会叠加噪声。

本实施例采用双路锁相设计，两路锁相放大器的参考信号频率分别为高频调制信号的二倍和六倍（即N取值为3），得到的两路输出信号分别为二次谐波信号V₁和六次谐波信号V₂。

具体地，上述二次谐波信号V₁为：

；

上述六次谐波信号V₂为：

；

其中，为半导体激光器的初始光强，为低频锯齿波信号的频率，为波长调制幅度，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2阶傅里叶系数，与和相关；为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的6阶傅里叶系数，与和相关；2倍频参考信号和2N倍频参考信号的幅值均为V_r，2倍频参考信号和6倍频参考信号的相位均为，为有效信号的相位，噪声信号与2倍频参考信号或6倍频参考信号的相关函数均为。

上述二次谐波信号V₁和六次谐波信号V₂相减，得到输出信号，即气体浓度反演信号V为：

。

由于各阶次被测谐波峰值均与气体浓度信号成正比，因此气体浓度反演信号V也与气体浓度信号成正比，可用于气体浓度反演。

本实施例得到的气体浓度反演信号V相比于上述输出信号V₀，有效去除了直流偏置和共模噪声的影响，在不影响信号强度的前提下扣减噪声，增加了信噪比，提高了系统检出限水平。如图4所示，二次谐波与六次谐波的噪声接近，经过差减之后得到差减信号的噪声明显变小，两端无吸收区域变得平滑，信噪比提高约三倍。

后续将气体浓度反演信号V依次经过低通滤波器、运算放大器、数据采集分析器处理，得到气体浓度；其中，低通滤波器、运算放大器、数据采集分析器均为现有元器件。另外，具体由气体浓度反演信号反演得到气体浓度的反演过程可参考现有技术，在此不赘述。

实施例2：

本实施例的气体分析仪与实施例1的不同之处在于：

如图5所示，直接数字频率合成器产生的两路参考信号为相位差为90°的两路2倍频参考信号；

相应地，第一锁相放大器用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号（简称二次谐波），与实施例1的相同；第二锁相放大器用于根据另一路2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出噪声信号（简称噪声）；减法器，用于将二次谐波信号与噪声信号相减，得到差分信号，即气体浓度反演信号。

根据余弦函数性质，如果在相位φ处为信号峰值，则在信号φ+90°处为信号零值。具体地，二次谐波信号V₁为：

；

上述噪声信号V_n为：；

进而得到的气体浓度反演信号V为：

。

本实施例也能实现噪声的扣减，同时也降低了信号后续滤波时低通滤波器带宽的选取要求，其他内容可参考实施例1，在此不赘述。

实施例3：

本实施例的气体分析仪与实施例1或实施例2的不同之处在于：

激光器驱动模块还包括温控芯片和PID电路，温控芯片、PID电路和半导体激光器构成PID控制回路，以对半导体激光器进行温度控制；

其他内容可参考实施例1，在此不赘述。

实施例4：

本实施例的气体分析仪与实施例1的不同之处在于：

上述6倍频参考信号还可以是4倍频参考信号、8倍频参考信号、10倍频参考信号等，具体可根据硬件晶振频率上限以及信号采集频率上限确定；与参考信号相关的内容作相应的调整；

其他内容可参考实施例1，在此不赘述。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气体分析仪，其特征在于，包括：

半导体激光器；

激光器驱动模块，包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器；直接数字频率合成器用于产生高频正弦波信号，数字模拟转换器用于产生低频锯齿波信号，加法器用于叠加高频正弦波信号和低频锯齿波信号进行波长调制并形成驱动信号，以驱动半导体激光器；其中，直接数字频率合成器还用于分别产生同一时序的2倍频参考信号和2N倍频参考信号，2倍频参考信号和2N倍频参考信号的频率分别为高频正弦波信号的2倍和2N倍，N为大于1的整数；

光电检测器，用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号；

第一锁相放大器，用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号；

第二锁相放大器，用于根据2N倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出2N次谐波信号；

减法器，用于将二次谐波信号与2N次谐波信号相减，得到气体浓度反演信号。

2.根据权利要求1所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入信号为有效信号和噪声信号的叠加；

所述二次谐波信号V₁为：

；

所述2N次谐波信号V₂为：

；

其中，为半导体激光器的初始光强，为低频锯齿波信号的频率，为波长调制幅度，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2阶傅里叶系数，与和相关；为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2N阶傅里叶系数，与和相关；2倍频参考信号和2N倍频参考信号的幅值均为V_r，2倍频参考信号和2N倍频参考信号的相位均为，为有效信号的相位，噪声信号与2倍频参考信号或2N倍频参考信号的相关函数均为。

3.根据权利要求2所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述气体浓度反演信号V为：

。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述激光器驱动模块还包括温控芯片和PID电路，温控芯片、PID电路和半导体激光器构成PID控制回路，以对半导体激光器进行温度控制。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种气体分析仪，其特征在于，还包括低通滤波器、运算放大器和数据采集分析器，气体浓度反演信号依次经过低通滤波器、运算放大器、数据采集分析器处理，得到气体浓度。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述N取值为2、3或4。

7.一种气体分析仪，其特征在于，包括：

半导体激光器；

激光器驱动模块，包括直接数字频率合成器、数字模拟转换器和加法器；直接数字频率合成器用于产生高频正弦波信号，数字模拟转换器用于产生低频锯齿波信号，加法器用于叠加高频正弦波信号和低频锯齿波信号进行波长调制并形成驱动信号，以驱动半导体激光器；其中，直接数字频率合成器还用于分别产生相位差为90°的两路2倍频参考信号；

光电检测器，用于接收半导体激光器发出的光经过气室吸收后的光信号并将其转换为电信号；

第一锁相放大器，用于根据2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出二次谐波信号；

第二锁相放大器，用于根据另一路2倍频参考信号从光电检测器输出的电信号中解调出噪声信号；

减法器，用于将二次谐波信号与噪声信号相减，得到气体浓度反演信号。

8.根据权利要求7所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入信号为有效信号和噪声信号的叠加；

所述二次谐波信号V₁为：

；

所述噪声信号V_n为：

；

其中，为半导体激光器的初始光强，为低频锯齿波信号的频率，为波长调制幅度，为光强透射比进行傅里叶余弦级数展开的2阶傅里叶系数，与和相关；V_r为2倍频参考信号的幅值，为2倍频参考信号的相位，为有效信号的相位，为噪声信号与2倍频参考信号的相关函数。

9.根据权利要求8所述的一种气体分析仪，其特征在于，所述气体浓度反演信号V为：

。

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