CN116660208A - 一种激光气体检测电路及气体检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光气体检测电路及气体检测仪，其技术方案要点在于回光电路包括第一回光运算放大器、第二回光运算放大器、第一参考电压、第二参考电压；光电转换器阳极和第一参考电压与第一回光运算放大器同相输入端连接，光电转换器阴极和接地的第一回光运算放大器反相输入端连接，第一回光运算放大器的同相输入端和输出端连接；第一回光运算放大器输出端与第二参考电压与第二回光运算放大器同相输入端连接，第二回光运算放大器的同相输入端与反相输入端连接，第二回光运算放大器反相输入端接地，第二回光运算放大器的反相输入端和输出端之间连接。本发明构建出一个带有增益和偏置电压的放大器，有效减少信号偏差、失真等问题的发生。
Description
技术领域
本发明涉及激光气体检测领域，更具体的说，它涉及一种激光气体检测电路及气体检测仪。
背景技术
天然气等可燃气体已经走进了人们的日常生活，被人们广泛使用。可在天然气为我们提供便利的同时，天然气泄漏产生的安全事故近些年来也愈发频繁。为了减少事故的发生，就需要就管道进行检测，因而对气体检测的要求需要不断提高。激光气体检测作为一种气体检测的新技术，因其响应速度快、检测距离远等特点有着很大的发展前景。
中国专利CN211206225U，公开了一种激光气体检测设备，其包括防爆壳体、激光发射单元、激光接收单元、信号处理单元、信号分析单元；所述防爆壳体内部空间包括上层的发射层、中层的接收层和下层的处理层；所述发射层和接收层均为右侧面设置开口、除右侧面外的部分封闭的结构；所述处理层为全封闭的结构；所述激光发射单元包括激光发射元件、准直透镜；所述激光发射元件安装在防爆壳体的发射层中，且激光发射元件的激光发射端朝向发射层的右侧面开口处；所述准直透镜的形状大小与发射层右侧面的开口吻合，且固定安装在防爆壳体的发射层右侧面的开口上；所述激光接收单元包括接收透镜、激光探测器；所述激光探测器安装于防爆壳体接收层中，且激光探测器接收信号端朝向防爆壳体接收层右侧面的开口处；所述接收透镜的形状大小与接收层右侧面的开口吻合，且固定安装在防爆壳体接收层右侧面的开口上；所述信号处理单元安装于防爆壳体的处理层中，通过穿过处理层壳壁的导线与接收层中的激光探测器相连；所述信号分析单元位于防爆壳体外，且与信号处理单元相连。
在该专利中，信号放大电路的输出电压完全由其输入信号决定，当信号放大电路的输入电压受环境温度影响而产生微小变化时，信号放大电路的工作偏移也会随之变化，放大过程中也可能会产生大量的共模噪声。这种工作状态的不稳定会导致输出信号出现偏差、失真等问题。
针对上述的相关技术，目前现有的激光气体检测电路存在测量精度低的缺陷，因此需要进一步的改进。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种激光气体检测电路及气体检测仪，其通过双运算放大器的叠加使用，提高了放大倍数，增加了电压输出；配合双参考电压的约束，提高电路的稳定性和准确性，最终构建出一个带有增益和偏置电压的放大器，有效减少了信号偏差、失真等问题的发生。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种激光气体检测电路，包括驱动电路、激光器、回光电路、光电转换器和单片机；驱动电路和回光电路均与单片机连接，单片机向驱动电路发出第一模拟信号；激光器与驱动电路连接，并根据第一模拟信号发出光信号；光信号穿过待测气体后，经光电转换器转换为第二模拟信号；回光电路与光电转换器连接，将第二模拟信号输送至单片机。
所述回光电路包括第一回光运算放大器U2A、第二回光运算放大器U2B、第一参考电压、第二参考电压、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第三电容C3；第三电容C3一端接地，另一端与第一回光运算放大器U2A的同相输入端连接；光电转换器的阳极和第一参考电压均与第一回光运算放大器U2A的同相输入端连接，光电转换器的阴极和接地后的第十一电阻R11均与第一回光运算放大器U2A的反相输入端连接，第一回光运算放大器U2A的同相输入端和输出端之间连接有第十二电阻R12；第一回光运算放大器U2A的输出端与第十三电阻R13连接；第十三电阻R13与第二参考电压均与第二回光运算放大器U2B的同相输入端连接，第二回光运算放大器U2B的同相输入端与反相输入端之间连接有第十四电阻R14和第十六电阻R16，第十四电阻R14和第十六电阻R16之间接地，第二回光运算放大器U2B的反相输入端和输出端之间连接有第十七电阻R17；第二回光运算放大器U2B的输出端与单片机连接。
本发明进一步设置为：还包括电压选择电路，单片机与电压选择电路连接，电压选择电路与激光器连接；所述电压选择电路根据单片机的信号为激光器提供不同的供电电压。
本发明进一步设置为：所述回光电路还包括第四电容C4和第八电容C8，所述第四电容C4与第十二电阻R12并联，所述第八电容C8与第十七电阻R17并联。
本发明进一步设置为：所述回光电路还包括第七电容C7，所述第七电容C7与第十四电阻R14并联。
本发明进一步设置为：所述回光电路还包括第十五电阻R15，所述第十五电阻R15连接在第二参考电压与第二回光运算放大器U2B的同相输入端之间。
本发明进一步设置为：所述电压选择电路由多个单元和第三电源PWR3组成，每个单元包括继电器、二极管、N沟道场效应管、供电电源；继电器输入回路的两端分别与二极管的阴极和阳极连接；继电器输出回路连接在供电电源和激光器之间；N沟道场效应管的漏极与二极管的阳极连接，N沟道场效应管的栅极与单片机连接，N沟道场效应管的源极接地；所有供电电源的电压各不相同，所有二极管的阴极均与第三电源PWR3连接。
本发明进一步设置为：所述驱动电路包括第一驱动运算放大器U1A、第三电阻R3和第四电阻R4，第一驱动运算放大器U1A的同相输入端与单片机的多个信号端口连接，第一驱动运算放大器U1A的反相输入端与接地的第三电阻R3连接，第一驱动运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻R4，第一驱动运算放大器U1A的输出端向激光器输出信号。
本发明进一步设置为：所述驱动电路还包括第二驱动运算放大器U1B和电阻R6，第一驱动运算放大器U1A的输出端与第二驱动运算放大器U1B的同相输入端连接，第二驱动运算放大器U1B的反相输入端与输出端连接，激光器和接地的电阻R6均与第二驱动运算放大器U1B的输出端连接。
本发明还提供了一种气体检测仪，该仪器包括上述的激光气体检测电路。
本发明进一步设置为：气体检测仪还包括多反气池，激光气体检测电路中激光器发出的光信号进入多反气池，光信号在多反气池中多次反射后进入光电转换器。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：本发明通过双运算放大器的叠加使用，提高了放大倍数，增加了电压输出；配合双参考电压的约束，提高电路的稳定性和准确性，最终构建出一个带有增益和偏置电压的放大器，有效减少了信号偏差、失真等问题的发生。同时本发明还可以通过单片机和电压选择电路改变激光器的激光功率，以适应不同的待测气体，提高检测的准确性和稳定性。
附图说明
图1为激光气体检测电路中回光电路的示意图；
图2为激光气体检测电路中电压选择电路的示意图；
图3为激光气体检测电路中驱动电路的示意图；
图4为气体检测仪的爆炸示意图；
图5为气体检测仪的整体示意图。
图中：1、显示模块；2、外壳组件；3、电池模块；4、气路组件；5、多反气池；6、激光器；7、上盖滑动模块；8、出气口；9、蓝牙天线；10、充电接口；11、按键；12、蜂鸣器口；13、外置泵进气口；14、进气口。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明的保护范围。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“左”、“右”、“前”、“后”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例
如图1所示，为本发明较佳实施例中，一种激光气体检测电路，其包括驱动电路、激光器、回光电路、光电转换器和单片机；驱动电路和回光电路均与单片机连接，单片机向驱动电路发出第一模拟信号；激光器与驱动电路连接，并根据第一模拟信号发出光信号；光信号穿过待测气体后，经光电转换器转换为第二模拟信号；回光电路与光电转换器连接，将第二模拟信号输送至单片机。
所述回光电路包括第一回光运算放大器U2A、第二回光运算放大器U2B、第一参考电压、第二参考电压、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第三电容C3；第三电容C3一端接地，另一端与第一回光运算放大器U2A的同相输入端连接；光电转换器的阳极和第一参考电压均与第一回光运算放大器U2A的同相输入端连接，光电转换器的阴极和接地后的第十一电阻R11均与第一回光运算放大器U2A的反相输入端连接，第一回光运算放大器U2A的同相输入端和输出端之间连接有第十二电阻R12；第一回光运算放大器U2A的输出端与第十三电阻R13连接；第十三电阻R13与第二参考电压均与第二回光运算放大器U2B的同相输入端连接，第二回光运算放大器U2B的同相输入端与反相输入端之间连接有第十四电阻R14和第十六电阻R16，第十四电阻R14和第十六电阻R16之间接地，第二回光运算放大器U2B的反相输入端和输出端之间连接有第十七电阻R17；第二回光运算放大器U2B的输出端与单片机连接。
回光电路中将第一回光运算放大器U2A、第二回光运算放大器U2B叠加使用，提高了放大倍数，增加了电压输出；同时回光电路中还为第一回光运算放大器U2A、第二回光运算放大器U2B分别设置了参考电压，提高电路的稳定性和准确性，最终构建出一个带有增益和偏置电压的放大器，有效减少了信号偏差、失真等问题的发生。
具体的，本实施例中第一参考电压与第二参考电压相同。
具体的，所述回光电路还包括第四电容C4和第八电容C8，所述第四电容C4与第十二电阻R12并联，所述第八电容C8与第十七电阻R17并联。第四电容C4和第八电容C8用于滤除高频噪声，提高运放的抗干扰能力，防止电路出现振荡。
具体的，所述回光电路还包括第七电容C7，所述第七电容C7与第十四电阻R14并联，滤除高频噪声，提高运放的抗干扰能力，防止电路出现振荡。同时第七电容C7还能降低第二参考电压的影响，进一步提高电路稳定性。
具体的，所述回光电路还包括第十五电阻R15，所述第十五电阻R15连接在第二参考电压与第二回光运算放大器U2B的同相输入端之间，以降低噪声，同时提高带宽，保持信号的幅度相位，进一步提高电路的可靠性和精度。
具体的，第一回光运算放大器U2A还设置有供电端和接地端，供电端与第一电源PWR1连接。所述回光电路还包括第五电容C5和第六电容C6，所述第五电容C5一端与第一回光运算放大器U2A的供电端连接，另一端接地；所述第六电容C6与第五电容C5并联。第五电容C5和第六电容C6为去耦电容，用于降低电源噪声。
如图2所示，激光气体检测电路还包括电压选择电路，所述电压选择电路由多个单元和第三电源PWR3组成，每个单元内设置有供电电源，所有供电电源的电压各不相同，本实施例中设置两个供电单元，分别为第一电源PWR1和第二电源PWR2。以第一电源PWR1所在单元为例，该单元还包括继电器K1、二极管D1、N沟道场效应管Q1，继电器K1输入回路的两端分别与二极管D1的阴极和阳极连接；继电器K1输出回路连接在第一电源PWR1和激光器之间；N沟道场效应管Q1的漏极与二极管D1的阳极连接，N沟道场效应管Q1的栅极与单片机连接，N沟道场效应管Q1的源极接地；所有单元的二极管阴极均与第三电源PWR3连接。
所述单片机通过对N沟道场效应管，控制继电器，实现各单元供电电源与激光器之间的导通，从而为激光器提供不同的供电电压，进而实现激光输出功率的改变。不同气体与激光束之间的相互作用大小不同，对于不同气体的激光检测，可以通过单片机和电压选择电路改变激光器的激光功率，以提高检测的准确性和稳定性。
所述电压选择电路的每个单元还包括下拉电阻，以第一电源PWR1所在单元为例，下拉电阻为第九电阻R9，第九电阻R9一端接地，另一端与N沟道场效应管Q1的栅极连接，使得N沟道场效应管Q1的栅极默认为低电平，防止误触发。
所述电压选择电路的每个单元还包括限流电阻，以第一电源PWR1所在单元为例，限流电阻为第七电阻R7，第七电阻R7连接在二极管D1的阴极与第三电源PWR3之间，以保护二极管D1。
如图3所示，所述驱动电路包括第一驱动运算放大器U1A、第三电阻R3和第四电阻R4，第一驱动运算放大器U1A的同相输入端与单片机的多个信号端口连接，本实施例中第一驱动运算放大器U1A的同相输入端与单片机的两个信号端口连接，所述驱动电路中还设置有第一电阻R1和第二电阻R2。单片机的两个信号端口分别与第一电阻R1和第二电阻R2连接，第一电阻R1和第二电阻R2均与第一驱动运算放大器U1A的同相输入端连接；第一驱动运算放大器U1A的反相输入端与接地的第三电阻R3连接，第一驱动运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻R4。单片机的多个信号通过第一驱动运算放大器U1A耦合后，由第一驱动运算放大器U1A的输出端输入激光器。
所述驱动电路还包括第二驱动运算放大器U1B和电阻R6，第一驱动运算放大器U1A的输出端与第二驱动运算放大器U1B的同相输入端连接，第二驱动运算放大器U1B的反相输入端与输出端连接，激光器和接地的电阻R6均与第二驱动运算放大器U1B的输出端连接。第二驱动运算放大器U1B作为电压跟随器使用，具有缓冲和隔离的效果，进一步保持驱动电路的稳定。
具体的，第一驱动运算放大器U1A还设置有供电端和接地端，供电端与第一电源PWR1连接。所述驱动电路还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1一端与第一驱动运算放大器U1A的供电端连接，另一端接地；所述第一电容C1与第二电容C2并联。第一电容C1和第二电容C2为去耦电容，用于降低电源噪声。
具体的，所述驱动电路还包括第五电阻R5，所述第五电阻R5连接在第一电源PWR1和第一驱动运算放大器U1A之间，为电路调试充当跳线帽。
如图4、5所示，本实施例中还提供了一种包括有上述激光气体检测电路的气体检测仪，该气体检测仪包括显示模块1、外壳组件2、电池模块3、气路组件4、多反气池5、激光器6和上盖滑动模块7。其中显示模块1、气路组件4、多反气池5、激光器6均可拆卸安装在外壳组件2上，多反气池5、激光器6与外壳组件2之间均设置有缓冲减震垫。电池模块3可拆卸安装在上盖滑动模块7上，上盖滑动模块7滑动安装在外壳组件2上。
激光器发出的光信号进入多反气池5，光信号在多反气池5中多次反射后进入光电转换器，通过光程的增加，提高待测气体与光信号的接触，提高检测效果。
具体的，显示模块1位于气体检测仪前端；气路组件4上设置有外置泵进气口14、进气口14、出气口8、电池模块3的充电接口10位于气体检测仪后部；气体检测仪操作按键位于其上部。
具体的，显示模块1包括以下结构：显示模块控制电路、显示框、液晶屏、亚克力窗口片、不锈钢折弯板，折弯板和亚克力窗口片依次胶粘在外壳组件2上，液晶屏、显示框和电路板与外壳组件2螺纹连接。
具体的，外壳组件2顶部设置有操作面板的按键11，其由中间的开关键和左右的两个功能选择键组合而成；外壳组件2顶部中间为蜂鸣器口12，蜂鸣器与外壳组件2中间设置有防水透音膜。外壳组件2还设置有挂绳用空隙，可以配合背带使用。
具体的，外置泵进气口13与外接泵可拆卸连接，以便于在检测气体流量较大时，加快检测气体在气体检测仪内部的循环进程、便于气体的快速排出。
具体的，出气口8处，设置消音器。
具体的，气体检测仪还包括蓝牙天线9，以发射蓝牙信号。
具体的，所述电池模块3有两块通过热缩管固定连接的电池组成，热缩管对电池起到保护和缓冲的作用。
具体的，所述上盖滑动模块7左侧设置夹子、右侧设置滑轨，满足多种实际使用需求。
气体检测仪的使用方法如下：第一步、开机：长按开关键，听到“哔”一声长鸣，设备开机，并同步开始自检；第二步、自检：设备自检完毕后会发出“哔哔哔”三声短鸣，提示可以开始使用，整个过程所需的时间会随环境温度变化而不同，一般需要90s左右；第三步、开泵：开机状态下，双击开关键，听到“哔”一声短鸣，采样泵随即被打开，设备开始通过气路获取外部空气，检测其中包含甲烷的浓度；第四步、调整泵速：单击开关键，听到“哔”一声短鸣，可以依次增大泵速，泵速调整顺序为“1档-2档-3档-关闭”；第五步、关机：关机操作与开机相同，长按开关键，听到“哔”一声长鸣后，设备关闭。同时该气体检测器还可以蓝牙连接移动设备，配合巡检终端APP实现更加丰富的功能。
综上所述，本实施例通过双运算放大器的叠加使用，提高了放大倍数，增加了电压输出；配合双参考电压的约束，提高电路的稳定性和准确性，最终构建出一个带有增益和偏置电压的放大器，有效减少了信号偏差、失真等问题的发生。同时本实施例还可以通过单片机和电压选择电路改变激光器的激光功率，以适应不同的待测气体，提高检测的准确性和稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光气体检测电路，其特征在于：包括驱动电路、激光器、回光电路、光电转换器和单片机；驱动电路和回光电路均与单片机连接，单片机向驱动电路发出第一模拟信号；激光器与驱动电路连接，并根据第一模拟信号发出光信号；光信号穿过待测气体后，经光电转换器转换为第二模拟信号；回光电路与光电转换器连接，将第二模拟信号输送至单片机；
所述回光电路包括第一回光运算放大器(U2A)、第二回光运算放大器(U2B)、第一参考电压、第二参考电压、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十六电阻(R16)、第十七电阻(R17)、第三电容(C3)；第三电容(C3)一端接地，另一端与第一回光运算放大器(U2A)的同相输入端连接；光电转换器的阳极和第一参考电压均与第一回光运算放大器(U2A)的同相输入端连接，光电转换器的阴极和接地后的第十一电阻(R11)均与第一回光运算放大器(U2A)的反相输入端连接，第一回光运算放大器(U2A)的同相输入端和输出端之间连接有第十二电阻(R12)；第一回光运算放大器(U2A)的输出端与第十三电阻(R13)连接；第十三电阻(R13)与第二参考电压均与第二回光运算放大器(U2B)的同相输入端连接，第二回光运算放大器(U2B)的同相输入端与反相输入端之间连接有第十四电阻(R14)和第十六电阻(R16)，第十四电阻(R14)和第十六电阻(R16)之间接地，第二回光运算放大器(U2B)的反相输入端和输出端之间连接有第十七电阻(R17)；第二回光运算放大器(U2B)的输出端与单片机连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：还包括电压选择电路，单片机与电压选择电路连接，电压选择电路与激光器连接；所述电压选择电路根据单片机的信号为激光器提供不同的供电电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述回光电路还包括第四电容(C4)和第八电容(C8)，所述第四电容(C4)与第十二电阻(R12)并联，所述第八电容(C8)与第十七电阻(R17)并联。
4.根据权利要求3所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述回光电路还包括第七电容(C7)，所述第七电容(C7)与第十四电阻(R14)并联。
5.根据权利要求4所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述回光电路还包括第十五电阻(R15)，所述第十五电阻(R15)连接在第二参考电压与第二回光运算放大器(U2B)的同相输入端之间。
6.根据权利要求2所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述电压选择电路由多个单元和第三电源(PWR3)组成，每个单元包括继电器、二极管、N沟道场效应管、供电电源；继电器输入回路的两端分别与二极管的阴极和阳极连接；继电器输出回路连接在供电电源和激光器之间；N沟道场效应管的漏极与二极管的阳极连接，N沟道场效应管的栅极与单片机连接，N沟道场效应管的源极接地；所有供电电源的电压各不相同，所有二极管的阴极均与第三电源(PWR3)连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述驱动电路包括第一驱动运算放大器(U1A)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，第一驱动运算放大器(U1A)的同相输入端与单片机的多个信号端口连接，第一驱动运算放大器(U1A)的反相输入端与接地的第三电阻(R3)连接，第一驱动运算放大器(U1A)的反相输入端与输出端之间连接有第四电阻(R4)，第一驱动运算放大器(U1A)的输出端向激光器输出信号。
8.根据权利要求7所述的一种激光气体检测电路，其特征在于：所述驱动电路还包括第二驱动运算放大器(U1B)和第六电阻(R6)，第一驱动运算放大器(U1A)的输出端与运算放大器(U1B)的同相输入端连接，第二驱动运算放大器(U1B)的反相输入端与输出端连接，激光器和接地的电阻(R6)均与运算放大器(U1B)的输出端连接。
9.一种气体检测仪，其特征在于：包括如权利要求1-8任一所述的激光气体检测电路。
10.根据权利要求9所述的一种气体检测仪，其特征在于：还包括多反气池，激光气体检测电路中激光器发出的光信号进入多反气池，光信号在多反气池中多次反射后进入光电转换器。
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