CN116183550B - 一种氢气浓度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及气体浓度检测的技术领域，尤其涉及一种氢气浓度测量方法及系统。本申请通过数据采集电路采集经过放大的电信号，并转化为数字信号，其中，数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，由于采样频率大于等于5KHz，采样频率高于大部分环境噪声的频率范围，因此能够在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰，同时每个采样点的采样精度大于等于20比特，能够满足氢气检测精度的要求。

Description

一种氢气浓度测量方法及系统

技术领域

本申请涉及气体浓度检测的技术领域，尤其是涉及一种光学型氢气浓度测量方法及系统。

背景技术

氢气具有燃烧效率高、产物无污染等特点，是世界各国新能源发展和布局的重要选择之一。氢气也是一种十分重要的工业原料，广泛应用于石油、化工、冶金、电子、有机合成、航空航天工业等领域。

氢气由于自身分子结构的特点，在生产、储存和运输过程中都容易发生泄漏，其与空气混合体积比达到4%~75%时，可形成爆炸性混合物，遇到火源即可引发爆炸，造成安全事故。因此，根据氢气使用安全的要求，必须对其使用环境中的氢气含量进行连续监测，一旦发现泄漏需快速响应并报警，确保设施和人员安全。

与其他测量原理对比，光学型氢气分析仪具有灵敏度高、响应时间快、维护量低等特点，而且可用于防爆场景。

然而，激光气体分析仪在原位在线应用场景中，会受到工艺环境中的粉尘、水蒸气和气流等的干扰，很难满足对氢气气体浓度的检测精度，对此情况有待进一步改善。

发明内容

为了解决激光气体分析仪在原位在线应用场景中对氢气气体浓度检测精度不佳的问题，本申请提供一种氢气浓度测量方法及系统，采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供一种氢气浓度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

以激光器为光源，采用激光器驱动电路通过电流驱动所述激光器发出波长被调制的测量光束；通过温度控制电路调节激光器的温度，以使激光器输出光束的中心波长稳定；

将准直后的测量光束输入气池，透过气池的测量光束在会聚后通过探测器接收，并转化为电信号；

在将所述电信号放大之后，通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号，其中，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特；

采用信号处理电路接收所述数字信号，并进行数字信号调理和浓度计算。

通过采用上述技术方案，由于激光气体分析仪在原位测量应用场景中，主要受到工艺环境中的粉尘、水蒸气、气流、以及安装连接处的机械振动等的干扰，经过研究分析发现这些干扰的噪声组分均处于较低频率范围，基本低于5KHz，因此，本申请通过数据采集电路采集经过放大的电信号，并转化为数字信号，其中，数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，由于采样频率大于等于5KHz，采样频率高于大部分环境噪声的频率范围，因此能够在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰，同时每个采样点的采样精度大于等于20比特，能够满足氢气检测精度的要求，使氢气测量精度小于等于0.5%*m。

可选的，所述数据采集电路包括ADC模数转换器、CPLD逻辑器件和MCU控制器，所述ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz，所述CPLD逻辑器件连接在所述ADC模数转换器和所述MCU控制器之间，所述CPLD逻辑器件接收所述MCU控制器输出的多个控制信号，并将所述多个控制信号并行输出到所述ADC模数转换器。

通过采用上述技术方案，由于通用的MCU控制器无法提供低温漂的时钟源，内部分频产生的时钟占空比颗粒度较大，无法满足ADC对时钟相位低抖动的要求。且对高速ADC模数转换器进行控制时，各个引脚的控制信号电平输出占空比需要控制在较小的误差范围内，控制信号时序必须保持稳定的相位差。而通用MCU控制器的I/O口，因为串行顺序执行，其输出相位难以精准控制，无法满足精度要求。实际测试过程中，极易发生读取数据错误问题，从而导致完整系统无法正常工作。

因此，本申请的数据采集电路包括ADC模数转换器、CPLD逻辑器件和MCU控制器，ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz，从而能够在保证完整光谱信号的采样频率不低于5KHz的情况下采集多个采样点，例如完整光谱信号的采样频率不低于5KHz的情况下采集500个采样点，以保证光谱信号具有足够的光谱分辨率。CPLD逻辑器件连接在ADC模数转换器和MCU控制器之间，通过CPLD逻辑器件接收MCU控制器串行输出的多个控制信号，然后将多个控制信号并行输出到ADC模数转换器，利用CPLD的并行数据输出能力，降低不同控制信号之间的延时，从而保持各个控制信号之间的低误差和高稳定性。

可选的，所述通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号的过程中，包括：

采用ADC模数转换器接收所述电信号，并转化为数字信号；

采用CPLD逻辑器件对所述ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理；

采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行计算和处理，其中，MCU控制器控制ADC模数转换器和CPLD逻辑器件工作，包括对CPLD逻辑器件和ADC模数转换器输出统一的时钟控制信号。

通过采用上述技术方案，由于在ADC模数转换器采样频率大于等于2.5MHz时，数据速率较高，容易产生时序传输错误、数据传输错误的问题，且高速ADC模数转换器对主时钟的精度和相位抖动的要求较高，主时钟相位抖动会造成ADC模数转换器内部进行采样抽取时产生噪声，从而导致信噪比降低。因此，本申请采用ADC模数转换器接收电信号，并转化为数字信号之后，通过CPLD逻辑器件对ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理，然后再采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行处理和计算，从而对ADC模数转换器发送的数据进行有效性判断，对错误数据进行过滤，对有效数据进行格式处理，使MCU控制器接收到正确有效的采集数据。

可选的，所述对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理的过程中，包括如下步骤：

采用CPLD逻辑器件接收ADC模数转换器发送的采集数据，并对所述采集数据有效位进行判断；

在判断采集数据无效的情况下，将采集数据清零；

在判断采集数据有效的情况下，对采集数据进行移位、补码并输出至MCU控制器。

通过采用上述技术方案，具体公开了CPLD逻辑器件对采集数据有效位进行判断，在判断采集数据无效的情况下，将采集数据清零；在判断采集数据有效的情况下，对采集数据进行移位、补码并输出至MCU控制器，从而使MCU控制器接收到正确有效的采集数据，提高数据采集的可靠性。

可选的，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样点数量大于等于500个。

通过采集500个以上采样点，从而保证光谱信号具有足够的光谱分辨率。

可选的，所述方法基于直接吸收光谱技术。

通过采用上述技术方案，本申请基于直接吸收光谱技术进行氢气测量，检测性能满足原位安全应用的需求，与现有的采用波长调制技术进行氢气测量相比，本申请无需波长调制技术所需的高频调制-解调模块，降低了系统实现的复杂度，增加了系统性能的稳定性；直接吸收光谱保留了吸收光谱信号的原始物理特征，设备无需采用标气进行定标，大幅提升批量生产的效率，节约生产成本；同时，直接吸收光谱不需要受限于信号幅值与气体浓度之间的线性关系的假设，因此信号测量的动态范围更宽。

第二方面，本申请提供一种氢气浓度测量系统，包括发射单元和接收单元，所述发射单元与所述接收单元通信连接；

所述发射单元包括：

激光器，用于发出光束；

激光器驱动电路，与所述激光器电连接，用于通过电流驱动所述激光器发出波长被调制的测量光束；

温度控制电路，与所述激光器电连接，用于调节所述激光器的温度，保证所述激光器输出光束中心波长的稳定性；

光学准直透镜，用于将所述激光器发出的发散光束变成准直光束，以用于进行气体浓度探测；

所述接收单元包括：

光学会聚透镜，用于将准直光束变成会聚光；

探测器，用于接收所述会聚光，并转换为电信号；

信号放大电路，与所述探测器电连接，用于放大所述电信号；

数据采集电路，用于接收放大后的电信号，并转换为数字信号，其中，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特；

信号处理电路，用于接收所述数字信号，进行数字信号调理和浓度计算。

通过采用上述技术方案，氢气浓度测量系统的发射单元和接收单元电通信连接，发射单元包括激光器、激光器驱动电路、温度控制电路和光学准直透镜；接收单元包括光学会聚透镜、探测器、信号放大电路、数据采集电路和信号处理电路；激光器驱动电路产生固定周期的电流信号，驱动激光器发出波长被调制的测量光束，使测量光束的波长在被测气体的目标吸收谱线附近进行反复扫描，温度控制电路调节激光器的温度，保证输出光束中心波长的稳定性。激光器发出的发散光束经过准直透镜后变成准直光束，用于进行气体浓度探测。 激光束经过被测气体后，经过会聚透镜后变成会聚光传送到探测器。探测器接收到的光信号转换成电信号后，经过信号放大电路，然后进入数据采集电路，最后通过信号处理电路对采集到的数字信号进行数字信号调理和浓度计算，从而实现对氢气浓度的测量；其中，由于激光气体分析仪在原位测量应用场景中，主要受到工艺环境中的粉尘、水蒸气、气流、以及安装连接处的机械振动等的干扰，经过研究分析发现这些干扰的噪声组分均处于较低频率范围，基本低于5KHz，因此，本申请的数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且在完整光普信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，由于采样频率大于等于5KHz，采样频率高于大部分环境噪声的频率范围，因此能够在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰，同时本申请每个采样点的采样精度大于等于20比特，能够满足氢气检测精度的要求，使氢气测量精度达到0.5%*m。

可选的，所述数据采集电路包括：

ADC模数转换器，用于接收所述电信号，并转化为数字信号，其中，所述ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz；

CPLD逻辑器件，与所述ADC模数转换器电通信连接，用于对所述ADC模数转换器进行控制，接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理；

MCU控制器，用于接收经过格式处理和错误筛选的数字信号，并对接收到的数字信号进行处理和计算，其中，MCU控制器控制ADC模数转换器和CPLD逻辑器件工作，包括对ADC模数转换器和CPLD逻辑器件输出统一的时钟控制信号。

可选的，所述激光器、所述探测器的封装结构件内表面均有涂布消光材料。

通过采用上述技术方案，由于激光器输出的激光具有一定的发散角，会有一部分激光在传播过程中，逸散到结构件表面形成杂散光，部分杂散光会回射到激光器内，影响激光器输出功率和波长的稳定性，从而造成接收端光谱信号的光学噪声波动增大。因此，本申请通过在激光器、探测器的封装结构件内表面涂布消光材料，从而减少杂散光的形成，达到抑制光学噪声波动的效果。

可选的，所述消光材料为水基涂料，且所述消光材料在氢气探测波长的反射率小于等于3.5%。

通过采用上述技术方案，本申请采用水基涂料作为消光材料，具有低光泽度且坚固耐用的特点，且可以与大部分的金属基材，如铝合金、铜、钢以及PVC等非金属基材良好粘合；另外，消光材料在氢气探测波长的反射率小于等于3.5%，从而在进行氢气测量时能够有较低的反射率，从而减少杂散光的形成。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本申请通过数据采集电路采集经过放大的电信号，并转化为数字信号，其中，数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，由于采样频率大于等于5KHz，采样频率高于大部分环境噪声的频率范围，因此能够在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰，同时每个采样点的采样精度大于等于20比特，能够满足氢气检测精度的要求；

本申请通过CPLD逻辑器件接收MCU控制器串行输出的多个控制信号，然后将多个控制信号并行输出到ADC模数转换器，利用CPLD的并行数据输出能力，降低不同控制信号之间的延时，从而保持各个控制信号之间的低误差和高稳定性；

本申请通过CPLD逻辑器件对ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理，然后再采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行处理和计算，从而对ADC模数转换器发送的数据进行有效性判断，对错误数据进行过滤，对有效数据进行格式处理，使MCU控制器接收到正确有效的采集数据；

本申请通过在激光器、探测器的封装结构件内表面涂布消光材料，从而减少杂散光的形成，达到抑制光学噪声波动的效果。

附图说明

图1是本申请实施例一种氢气浓度测量系统的结构示意图；

图2是本申请实施例中数据采集电路的引脚状态图；

图3是本申请实施例CPLD逻辑控制器的处理流程图；

图4是本申请实施例中测量的氢气光谱信号图；

图5是浓度范围在0-100%时的氢气浓度标准曲线以及本系统的测量值；

图6是本申请实施例一种氢气浓度测量方法的流程示意图。

附图标记说明：100、发射单元；101、激光器；102、激光器驱动电路；103、温度控制电路；104、光学准直透镜；200、接收单元；201、光学会聚透镜；202、探测器；203、信号放大电路；204、数据采集电路；205、信号处理电路；300、线缆；400、数据通信和信号同步电路。

具体实施方式

本申请以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，本申请中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个所列出项目的任何或所有可能组合。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为暗示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

氢气具有燃烧效率高、产物无污染等特点，是世界各国新能源发展和布局的重要选择之一。氢气也是一种十分重要的工业原料，广泛应用于石油、化工、冶金、电子、有机合成、航空航天工业等领域。

氢气由于自身分子结构的特点，在生产、储存和运输过程中都容易发生泄漏，其与空气混合体积比达到4%~75%时，可形成爆炸性混合物，遇到火源即可引发爆炸，造成安全事故。因此，根据氢气使用安全的要求，必须对其使用环境中的氢气含量进行连续监测，一旦发现泄漏需快速响应并报警，确保设施和人员安全。

与其他测量原理对比，光学型氢气分析仪具有灵敏度高、响应时间快、维护量低等特点，而且可用于防爆场景。

然而，激光气体分析仪在原位在线应用场景中，会受到工艺环境中的粉尘、水蒸气和气流等的干扰，很难满足对氢气气体浓度的检测精度。

本申请提供一种氢气浓度测量方法及系统，通过数据采集电路采集经过放大的电信号，并转化为数字信号，其中，数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰。

第一方面，本申请提供一种氢气浓度测量系统。

参照图1，为本申请实施例一种氢气浓度测量系统的结构示意图。

一种氢气浓度测量系统，包括发射单元100和接收单元200，发射单元100与接收单元200之间通过线缆300电通信连接，并通过数据通信和信号同步电路400同步信号，发射单元100包括激光器101、激光器驱动电路102、温度控制电路103和光学准直透镜104，激光器驱动电路102输出用于驱动激光器101的工作电流，其中，驱动电路产生固定周期的电流信号，驱动激光器101发出波长被调制的测量光束，使测量光束的波长在氢气的目标吸收谱线附近进行反复扫描。温度控制电路103调节激光器的温度，保证输出中心波长的稳定性。激光器101发出的发散光束经过光学准直透镜104后变成准直光束，用于进行气体浓度探测。

接收单元200包括光学会聚透镜201、探测器202、信号放大电路203、数据采集电路204和信号处理电路205，准直光束经过被测气体后，经过光学会聚透镜201后变成会聚光传送到探测器202，探测器202将接收到的光信号转换成电信号后，经过信号放大电路203，然后进入数据采集电路204。信号处理电路205对采集到的数字信号进行数字信号调理和浓度计算。被测气体浓度计算结果转换为电流信号对外输出，且设备采用24V直流电源进行外部供电。

其中，数据采集电路204对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特。

由于通用的MCU控制器无法提供低温漂的时钟源，内部分频产生的时钟占空比颗粒度较大，无法满足ADC对时钟相位低抖动的要求。且对高速ADC模数转换器进行控制时，各个引脚的控制信号电平输出占空比需要控制在较小的误差范围内，控制信号时序必须保持稳定的相位差。另外，在ADC模数转换器采样频率大于等于5KHz时，数据速率较高，容易产生时序传输错误、数据传输错误的问题，且高速ADC模数转换器对主时钟的精度和相位抖动的要求较高，主时钟相位抖动会造成ADC模数转换器内部过采样抽取时产生噪声，从而导致信噪比降低。

具体的，本申请实施例中，数据采集电路204包括ADC模数转换器、CPLD逻辑器件和MCU控制器，ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz，CPLD逻辑器件连接在ADC模数转换器和MCU控制器之间，CPLD逻辑器件接收MCU控制器输出的多个控制信号，并将多个控制信号并行输出到ADC模数转换器。

本实施例中，ADC模数转换器选用AD7760BSVZ，可以实现最高采集频率5MHz，16位并行数据输出；CPLD逻辑器件采用5M160ZT100I5，数据输出速率可达200Mbps，可用I/O口79个，最大输入输出延时7.5ns，MCU控制器采用STM32H750VBT6，最高主频480MHz，内置高精度PLL最大抖动134ps。

参照图2和图3，图2为本申请实施例中数据采集电路的引脚状态图；图3为本申请实施例CPLD逻辑控制器的处理流程图。

AD7760对放大后输入的差分模拟电压进行数字转换，转换后的数据以5M的速率输出。CPLD作为MCU和AD7760之间的桥接器件，实现片选、复位、同步、读、写时序的控制，对AD7760高速输出的数据进行有效性的判断、补码运算，经缓冲后输出至MCU。CPLD利用可编程逻辑器件的高速并行处理能力，桥接MCU和AD7760之间的高速数据交互，降低了MCU的任务负荷，同时提高了数据采集的可靠性。

CPLD逻辑控制具体如下：

(1)系统上电之后MCU、CPLD进入初始化状态。

(2)MCU输出20MHz 时钟供给CPLD和AD7760，使MCU、CPLD、AD7760三个器件工作在同频、同相位时钟下。

(3)MCU内部对20MHz时钟进行分频，配置从定时器输出CS、RW/RD、RST、SYNC等控制信号，通过PE15输出SEL模式选择信号。

(4)MCU PE15 输出低电平时 SEL = 0，CPLD工作在写模式。

(5)CPLD内部逻辑单元将MCU的CS、RW/RD、RST、SYNC控制信号，16bit数据PD[0:15]输出与AD7760直接连接。

(6)MCU控制CS、RST、SYNC输出低电平复位AD7760，RW/RD输出高电平，MCU将配置数据写入AD7760，设定AD7760的工作模式、数据输出速率，配置完毕之后AD7760自动运行数据采集。

(7)MCU PE15 输出高电平时 SEL = 1，CPLD切换在读模式，等待AD7760数据准备就绪中断触发。

(8)AD7760数据准备就绪后，输出DRDY低电平触发CPLD读取AD7760输出的数据。

(9)CPLD分两次读取AD7760输出的16bit数据，对数据有效位进行判断，如数据无效则将数据清零，有效数据则做移位和补码运算然后输出至MCU。

至此完成数据采集循环，在CPLD读模式下，等待AD7760下一个数据准备就绪触发CPLD循环读出数据。

结合上述氢气浓度测量系统，本申请以测量浓度区间0-100%的氢气的具体实施例，进一步说明本申请氢气浓度测量系统的测量过程。

本实施例中选择峰值波长2121.8nm的氢气吸收谱线对氢气进行测量，这是氢气少数足够强的吸收线之一。

本申请实施例中氢气浓度测量系统可以通过网线与计算机设备连接，计算机设备安装氢气浓度测量系统配套的服务软件，通过服务接口设置系统功能模块参数和系统运行状态等。具体的，在系统上电后，通过服务接口调节温度控制电路103，使激光器101温度控制在目标值温度，目标值温度一般在20-40摄氏度之间，以保证激光器101发出的测量光束的中心波长稳定在2121.8nm。然后调节激光器驱动电路102，控制驱动电流的扫描范围，使电流驱动激光器101发出波长被调制的测量光束，调制后的测量光束的波长能够覆盖完整的氢气吸收谱线，波长扫描宽度在0.3-0.4nm之间。经过调制的激光光束经过光学准直透镜104后从发射单元100射出。

其中，本实例采用气池放置于发射单元100和接收单元200之间。气池两端安装光学窗口片，测量光束可以透射通过气池两端。气池设计有进气口和出气口，标准气体可以通过气口进入并均匀的充满整个气池。发射单元100发出的测量光束从气池一端窗口进入气池内部。气池内氢气分子对测量光束的特定波长进行选择性吸收后，被气体吸收后的测量光束从气池另一端射出，并投射到光电探测器202上。光信号转换为电信号后经过信号放大电路203的放大进入数据采集电路204，数据采集电路204对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特。

具体的，气池的光路长度为1m，系统在每个采样点的采样频率为2.5MHz，完整光谱信号的采样点数量为500个，每个点的采样精度为20比特时，本实施例采集到氢气信号如图4所示，图4是本申请实施例中测量的氢气光谱信号图。

图4中，横轴是氢气光谱信号的采样点，纵轴对应各个采样点的信号量，第310个采样点附近凸起的信号即为测量到的浓度为5%的氢气光谱信号，其峰值信号量为51743。虚线内区域为测量系统背景噪声的波动范围，由图4可见，噪声峰值量均小于2200。根据信号量与气体浓度之间的线性对应关系，系统噪声导致的氢气浓度值测量误差小于0.5%， 满足氢气检测的精度要求。

系统将采集到的光谱信号传给固件内置的浓度计算程序，可以得到氢气的浓度值，然后将浓度计算结果转换成4-20mA电流信号以标准接口形式对外输出。

参照图5，图5为浓度范围在0-100%时的氢气浓度标准曲线以及本系统的测量值。

通过对各个浓度范围的氢气的测量，本申请实施例中氢气浓度测量系统的测量结果与标准浓度范围的显示线性度R^2=0.9993，在被测浓度范围内表现出优异的线性度。

上述实施例中，本申请通过将CPLD逻辑器件连接在ADC模数转换器和MCU控制器之间，通过CPLD逻辑器件接收MCU控制器串行输出的多个控制信号，然后将多个控制信号并行输出到ADC模数转换器，利用CPLD的并行数据输出能力，降低不同控制信号之间的延时，从而保持各个控制信号之间的低误差和高稳定性。

同时，通过CPLD逻辑器件对ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理，然后再采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行计算和处理，从而对ADC模数转换器发送的数据进行有效性判断，对错误数据进行过滤，对有效数据进行格式处理，使MCU控制器接收到正确有效的采集数据。

由于激光器输出的激光具有一定的发散角，会有一部分激光在传播过程中，逸散到结构件表面形成杂散光，部分杂散光会回射到激光器内，影响激光器输出功率和波长的稳定性，从而造成接收端光谱信号的光学噪声波动增大。

因此，在一些实施例中，本申请还通过在激光器、探测器的封装结构件内表面涂布消光材料，从而减少杂散光的形成，达到抑制光学噪声波动的效果。经验证，当涂布在氢气探测波长的反射率在3.5%附近的消光材料时，可以有效降低系统的光学干涉噪声，

具体的，本实施例中，采用水基涂料Avian Black-S作为消光材料，其在氢气探测波长的反射率在0.1%以下，具有低光泽度且坚固耐用的特点，且可以与大部分的金属基材，如铝合金、铜、钢以及PVC等非金属基材良好粘合；另外，也可以选择在氢气探测波长的反射率小于等于3.5%的消光材料，保证在氢气探测波段有较低的反射率，从而减少杂散光对系统测量精度和稳定性的影响。

本申请实施例一种氢气浓度测量的实施原理为：本申请通过数据采集电路采集经过放大的电信号，并转化为数字信号，其中，数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz,并且对完整光谱信号的每个采样点的采样精度大于等于20比特，从而实现对光谱信号的高速高精度采集，由于采样频率大于等于5KHz，采样频率高于大部分环境噪声的频率范围，因此能够在原位测量应用场景中减少大部分环境噪声的干扰，同时每个采样点的采样精度大于等于20比特，能够满足氢气检测精度的要求。

第二方面，本申请提供了一种氢气浓度测量方法，下面结合上述氢气浓度测量系统，对本申请的氢气浓度测量方法进行描述。请参照图6，图6为本申请实施例一种氢气浓度测量方法的流程示意图。

一种氢气浓度测量方法，包括如下步骤：

S1、以激光器为光源，采用激光器驱动电路通过电流驱动所述激光器发出波长被调制的测量光束；通过温度控制电路调节激光器的温度，以使激光器的输出中心波长稳定。

S2、将准直后的测量光束输入气池，透过气池的测量光束在会聚后通过探测器接收，并转化为电信号。

S3、在将所述电信号放大之后，通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号。

其中，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特；

S4、采用信号处理电路接收所述数字信号，并进行数字信号调理和浓度计算。

可选的，在一些实施例中，数据采集电路包括ADC模数转换器、CPLD逻辑器件和MCU控制器，ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz，CPLD逻辑器件连接在ADC模数转换器和MCU控制器之间，CPLD逻辑器件接收MCU控制器输出的多个控制信号，并将多个控制信号并行输出到ADC模数转换器。

具体的，本实施例中，ADC模数转换器的采样频率为2.5MHz，对完整光谱信号的采样点数量为500个，采样精度20比特。在一些实施例中，也可以采用更高的采样频率，设置更多的采样点和更高的采样精度，以达到更好的采样效果，例如ADC模数转换器的采样频率设置为5MHz，采样点数量设置为608个，采样精度24比特。

可选的，在一些实施例中，通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号的过程中，包括：

采用ADC模数转换器接收电信号，并转化为数字信号；

采用CPLD逻辑器件对ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理；

采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行计算和处理，其中，MCU控制器控制ADC模数转换器和CPLD逻辑器件工作，包括对CPLD逻辑器件和ADC模数转换器输出统一的时钟控制信号。

可选的，在一些实施例中，对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理的过程中，包括如下步骤：

采用CPLD逻辑器件接收ADC模数转换器发送的采集数据，并对采集数据有效位进行判断；

在判断采集数据无效的情况下，将采集数据清零；

在判断采集数据有效的情况下，对采集数据进行移位、补码并输出至MCU控制器。

可选的，本申请基于直接吸收光谱技术进行氢气测量，检测性能满足原位安全应用的需求，与相关技术中采用波长调制技术进行氢气测量相比，本申请无需高频调制-解调模块，降低了系统实现的复杂度，增加了系统性能的稳定性；直接吸收光谱保留了吸收光谱信号的原始物理特征，设备无需通过标气进行定标，大幅提升批量生产的效率，节约生产成本；同时，直接吸收光谱不需要受限于信号幅值与气体浓度之间的线性关系的假设，因此信号测量的动态范围更宽。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢气浓度测量方法，其特征在于，基于直接吸收光谱技术，所述方法包括如下步骤：

以激光器为光源，采用激光器驱动电路通过电流驱动所述激光器发出波长被调制的测量光束；通过温度控制电路调节激光器的温度，以使激光器输出光束的中心波长稳定；

将准直后的测量光束输入气池，透过气池的测量光束在会聚后通过探测器接收，并转化为电信号；

在将所述电信号放大之后，通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号，其中，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特；

采用信号处理电路接收所述数字信号，并进行数字信号调理和浓度计算；

所述数据采集电路包括ADC模数转换器、CPLD逻辑器件和MCU控制器，所述ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz，所述CPLD逻辑器件连接在所述ADC模数转换器和所述MCU控制器之间，所述CPLD逻辑器件接收所述MCU控制器输出的多个控制信号，并将所述多个控制信号并行输出到所述ADC模数转换器；所述通过数据采集电路接收放大后的电信号，并转换为数字信号的过程中，包括：

采用ADC模数转换器接收所述电信号，并转化为数字信号；

采用CPLD逻辑器件对所述ADC模数转换器进行控制、接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理；

采用MCU控制器接收经过错误筛选和格式处理的数字信号，并对接收到的数字信号进行计算和处理，其中，MCU控制器控制ADC模数转换器和CPLD逻辑器件工作，包括对CPLD逻辑器件和ADC模数转换器输出统一的时钟控制信号；

所述CPLD逻辑器件作为所述MCU控制器和所述ADC模数转换器之间的桥接器件，实现片选、复位、同步、读、写时序的控制，对所述ADC模数转换器输出的数据进行有效性的判断、补码运算，经缓冲后输出至所述MCU控制器，CPLD逻辑器件利用可编程逻辑器件的高速并行处理能力，桥接MCU控制器和ADC模数转换器之间的高速数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种氢气浓度测量方法，其特征在于，所述对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理的过程中，包括如下步骤：

采用CPLD逻辑器件接收ADC模数转换器发送的采集数据，并对所述采集数据有效位进行判断；

在判断采集数据无效的情况下，将采集数据清零；

在判断采集数据有效的情况下，对采集数据进行移位、补码并输出至MCU控制器。

3.根据权利要求1所述的一种氢气浓度测量方法，其特征在于：所述数据采集电路对完整光谱信号的采样点数量大于等于500个。

4.一种氢气浓度测量系统，其特征在于：基于直接吸收光谱技术，包括发射单元（100）和接收单元（200），所述发射单元（100）与所述接收单元（200）电通信连接；

所述发射单元（100）包括：

激光器（101），用于发出测量光束；

激光器驱动电路（102），与所述激光器（101）电连接，用于驱动所述激光器（101）发出波长被调制的测量光束；

温度控制电路（103），与所述激光器（101）电连接，用于调节所述激光器（101）的温度，保证所述激光器（101）输出光束中心波长的稳定性；

光学准直透镜（104），用于将所述激光器（101）发出的发散光束变成准直光束，以用于进行气体浓度探测；

所述接收单元（200）包括：

光学会聚透镜（201），用于将准直光束变成会聚光；

探测器（202），用于接收所述会聚光，并转换为电信号；

信号放大电路（203），与所述探测器（202）电连接，用于放大所述电信号；

数据采集电路（204），用于接收放大后的电信号，并转换为数字信号，其中，所述数据采集电路对完整光谱信号的采样频率大于等于5KHz，且每个采样点的采样精度大于等于20比特；

所述数据采集电路（204）包括：

ADC模数转换器，用于接收所述电信号，并转化为数字信号，其中，所述ADC模数转换器的采样频率大于等于2.5MHz；

CPLD逻辑器件，与所述ADC模数转换器电通信连接，用于对所述ADC模数转换器进行控制，接收转化后的数字信号，并对接收到的数字信号进行错误筛选和格式处理；

MCU控制器，用于接收经过格式处理和错误筛选的数字信号，并对接收到的数字信号进行处理和计算，其中，MCU控制器控制ADC模数转换器和CPLD逻辑器件工作，包括对ADC模数转换器和CPLD逻辑器件输出统一的时钟控制信号；所述CPLD逻辑器件接收所述MCU控制器输出的多个控制信号，并将所述多个控制信号并行输出到所述ADC模数转换器；

所述CPLD逻辑器件作为所述MCU控制器和所述ADC模数转换器之间的桥接器件，实现片选、复位、同步、读、写时序的控制，对所述ADC模数转换器输出的数据进行有效性的判断、补码运算，经缓冲后输出至所述MCU控制器，CPLD逻辑器件利用可编程逻辑器件的高速并行处理能力，桥接MCU控制器和ADC模数转换器之间的高速数据交互；

信号处理电路（205），用于接收所述数字信号，进行数字信号调理和浓度计算。

5.根据权利要求4所述的一种氢气浓度测量系统，其特征在于：所述激光器（101）、所述探测器（202）的封装结构件内表面均有涂布消光材料。

6.根据权利要求5所述的一种氢气浓度测量系统，其特征在于：所述消光材料为水基涂料，且所述消光材料在氢气探测波长的反射率小于等于3.5%。