CN117405626A - 一种中红外tdlas红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统 - Google Patents
一种中红外tdlas红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统,该扣除装置包括:主控单元,所述主控单元与激光器电连接,用于驱动所述激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,所述主控单元与探测单元电连接,用于根据第一电压信号计算扣除电压;以及扣除电路,分别与所述主控单元、所述探测单元电连接,用于计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。根据扣除电压完成红外背景辐射的实时扣除,无需降低探测单元的响应,提高设备检出限;同时还能主动检测探测单元以及后续电路的电压值,并动态的调整各电压幅值,使其满足各阶段电压幅值范围要求,无需特殊定制设备参数,现场适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程气体监测技术领域,尤其涉及一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统。
背景技术
燃烧过程的有效检测和控制需要快速可靠的温度检测和气体检测。例如在工业燃烧炉、玻璃窑炉等工业中的燃烧过程控制,因其燃烧反应迅速,测量环境复杂,同时具有强干扰因素,对测量手段都有较高的技术要求,当前,常采用原位在线式TDLAS气体监测技术实现工业过程燃烧控制中气体的检测。
然而,燃烧过程温度高达上千摄氏度,高温产生的红外辐射集中在1-5um波段,覆盖常见中红外气体探测选择吸收波段,因而会影响探测器对激光的接收。目前,对于现场高温带来的红外辐射,一般通过大幅度降低探测器响应,从而降低探测器受红外辐射影响,同时也避免探测信号电压值超过后级电路采集范围。但探测器响应的降低同样导致对激光器发射光源响应降低,影响设备检测准确性,导致设备常温与高温下性能差异较大,现场检测结果可靠性低。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺陷,本发明提供一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统,以解决受高温辐射影响导致的检测不准确、可靠性降低、以及后级电路采集超范围的技术问题。
为实现上述目的及其它相关目的,本发明提供了一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,包括:主控单元,所述主控单元与激光器电连接,用于驱动所述激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,所述阈值电流即所述激光器输出激光时的最低电流,所述主控单元与探测单元电连接,用于根据第一电压信号计算扣除电压,所述第一电压信号由所述探测单元根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得;以及扣除电路,分别与所述主控单元、所述探测单元电连接,用于计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。
于本发明一实施例中,所述主控单元包括主控芯片和扣除电压输出电路,所述主控芯片通过所述扣除电压输出电路与所述扣除电路电连接,所述扣除电压输出电路用于将所述主控芯片输出的数字信号转换成所述扣除电压。
于本发明一实施例中,所述主控单元还包括第一电压采集电路和第一增益调整电路;所述第一电压采集电路分别与所述探测单元、所述主控芯片电连接,所述第一电压采集电路用于比较所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小或者用于计算所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的差值,并将比较或计算结果输出至所述主控芯片;所述第一增益调整电路分别与所述主控芯片、所述探测单元电连接,所述第一增益调整电路根据所述主控芯片输出的数字信号调整所述探测单元中的前置增益,以调整所述第一电压信号的幅值。
于本发明一实施例中,还包括预处理电路,所述预处理电路与所述扣除电路电连接,用于计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。
于本发明一实施例中,所述主控单元还包括第二增益调整电路,所述第二增益调整电路分别与所述主控芯片、所述探测单元电连接,所述第二增益调整电路根据所述主控芯片输出的数字信号调整所述预处理增益,以调整所述第三电压信号的幅值。
于本发明一实施例中,还包括滤光单元,所述滤光单元设置在所述探测单元的光线入口处,所述滤光单元包括窄带滤光片和/或光阑,所述窄带滤光片用于滤除波长在所述激光器的波长范围以外的光,所述光阑用于滤除在所述激光器的激光入射方向指定角度范围以外的光。
为实现上述目的及其它相关目的,本发明还提供了一种用于上述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置的扣除方法,包括如下步骤:主控单元驱动激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,所述阈值电流即所述激光器输出激光时的最低电流;所述主控单元根据探测单元输出的第一电压信号计算扣除电压,所述第一电压信号由所述探测单元根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得;扣除电路计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。
于本发明一实施例中,所述主控单元根据探测单元输出的第一电压信号计算扣除电压的步骤包括:所述主控单元获取扫描电流在阈值电流以下时所述探测单元输出的第一电压信号,并求取平均值得到所述扣除电压。
于本发明一实施例中,所述主控单元驱动激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描的步骤前,还包括如下步骤:所述主控单元驱动所述激光器自阈值电流向阈值电流以上扫描;所述主控单元比较所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小;在至少一个扫描周期内,若所述第一电压信号大于第一预设区间的上限阈值,则降低所述探测单元中的前置增益,若所述第一电压信号均小于第一预设区间的下限阈值,则提高所述探测单元中的前置增益,否则保持所述前置增益不变。
于本发明一实施例中,所述扣除电路计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出的步骤后,还包括如下步骤:预处理电路计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。
于本发明一实施例中,所述预处理电路计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出的步骤前,还包括如下步骤:所述主控单元获取至少一个扫描周期内的所述第三电压信号,并计算最大值得到Vin-max;所述主控单元判断Vin-max是否在第二预设区间内,若Vin-max大于所述第二预设区间的上限阈值,则降低所述预处理电路中的预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,若Vin-max小于所述第二预设区间的下限阈值,则提高所述预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,否则保持所述预处理增益不变。
为实现上述目的及其它相关目的,本发明还提供了一种采集系统,包括上述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,还包括:驱动电路,所述驱动电路与所述主控单元电连接,用于将所述主控单元输出的驱动电压转换成驱动电流,所述驱动电路与所述激光器电连接,用于将所述驱动电流输出给所述激光器;激光器,用于输出激光照射待检测气体;以及探测单元,用于接收所述激光和红外辐射背景光,并将接收到的光信号转换成所述第一电压信号。
本发明的有益效果:本发明提出的一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置及方法、采集系统,该扣除装置通过检测激光器处于阈值以下扫描时的输出得到扣除电压,根据扣除电压完成红外背景辐射的实时扣除,无需降低探测单元的响应,提高设备检出限;同时还能主动检测探测单元以及后续电路的电压值,并动态的调整各电压幅值,使其满足各阶段电压幅值范围要求,无需特殊定制设备参数,现场适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,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。
图1为本发明一实施例提供的第一种采集系统的框图;
图2为本发明一实施例提供的扫描电流和探测单元输出电压关系图;
图3为本发明一实施例提供的第二种采集系统的框图;
图4是本发明一实施例提供的主控芯片引脚图;
图5是本发明一实施例提供的扣除电压输出电路的电路图;
图6是本发明一实施例提供的扣除电路的电路图;
图7是本发明中不同的前置增益对Vd的影响的示意图;
图8是本发明一实施例提供的第三种采集系统的框图;
图9是本发明一实施例提供的第一电压采集电路的第一部分电路图;
图10是本发明一实施例提供的第一电压采集电路的第二部分电路图;
图11是本发明一实施例提供的第一增益调整电路和第二增益调整电路的第一部分电路图;
图12是本发明一实施例提供的第一增益调整电路和第二增益调整电路的第二部分电路图;
图13是本发明中扣除前电压Vd、扣除电压Vo以及扣除后电压Vk的关系图;
图14是本发明一实施例提供的第四种采集系统的框图;
图15是本发明中经过预处理器增益调整前后Vin的变化示意图;
图16是本发明一实施例提供的预处理电路的电路图;
图17是本发明一实施例提供的第五种采集系统的框图;
图18是本发明一实施例提供的第二电压采集电路的电路图;
图19是本发明一实施例提供的第六种采集系统的框图;
图20是本发明一实施例提供的第七种采集系统的框图;
图21是本发明一实施例提供的第八种采集系统的框图;
图22是本发明一实施例提供的第一种扣除方法流程图;
图23是本发明一实施例提供的前置增益自动调整的流程图;
图24是本发明一实施例提供的第二种扣除方法流程图;
图25是本发明一实施例提供的预处理增益自动调整的流程图;
图26是本发明一实施例提供的探测单元的电路图;
图27是本发明一实施例提供的驱动电路的第一部分的电路图;
图28是本发明一实施例提供的驱动电路的第二部分的电路图。
附图标记说明:100、扣除装置;110、主控单元;111、主控芯片;112、扣除电压输出电路;113、第一电压采集电路;114、第一增益调整电路;115、第二电压采集电路;116、第二增益调整电路;120、扣除电路;130、预处理电路;140、滤光单元;200、激光器;300、探测单元;400、驱动电路。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外,根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载,还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
应当理解,本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案,而不是为了限制本发明的保护范围。除非另外定义,本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。并且,附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中,探讨了大量细节,以提供对本发明实施例的更透彻的解释,然而,对本领域技术人员来说,可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的,在其中一些实施例中,以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备,以避免使本发明的实施例难以理解。
附图中的流程图和框图,示意了按照本发明公开的各种实施例的方法和计算机程序产品可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
下文及附图中,为了使得说明书更加简洁,探测单元输出的第一电压信号记为Vd,扣除电压记为Vo,扣除电路输出的第二电压信号记为Vk,经过预处理电路处理后的输出第三电压信号记为Vin;前置增益记为preGain,预处理增益记为f;驱动电流的扫描范围记为I0~Is,阈值电流记为Id,Id介于I0~Is之间。
下文及附图中,所述及的FPGA芯片即现场可编程门阵列,它作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点;DSP芯片即数字信号处理器,是一种专门设计用于数字信号处理任务的微处理器芯片;ARM芯片是一种基于ARM架构的微处理器芯片。
请参见图1,本发明一实施例提供的一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,包括主控单元110,主控单元110与激光器200电连接,用于驱动激光器200自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,激光器200在扫描时,扫描电流和探测单元300输出的第一电压信号关系如图2所示,阈值电流即激光器200输出激光时的最低电流,根据所使用激光器200型号的不同,主控单元110可以直接驱动激光器200进行扫描,也可以通过其他电路驱动激光器200进行扫描。
主控单元110与探测单元300电连接,用于根据第一电压信号计算扣除电压,第一电压信号由探测单元300根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得,这句话也可以理解为:探测单元300可以接收激光和红外辐射背景光,不论探测单元300只接收红外辐射背景光还是同时接收激光和红外辐射背景光,其都会输出第一电压信号。激光器200在阈值电流以下扫描时,激光器200本身并无激光输出,此时探测单元300只能接收到红外辐射背景光,其转换得到的第一电压信号对应的就是红外辐射光的响应,因此可以基于此计算得到扣除电压。
扣除装置100还包括扣除电路120,分别与主控单元110、探测单元300电连接,用于计算第一电压信号和扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。可以理解地,第一电压信号和第二电压信号为周期信号,其周期时长与激光器200的扫描周期时长相等。
在本发明一具体的实施例中,当激光器200和探测单元300安装完毕并工作在正常状态下,其扣除电压基本趋于稳定,在这种情况下,扣除电压可以为一固定的电压值,只有在后期环境发生变化导致红外辐射背景光变化时,再重新计算一次扣除电压即可。在另一个具体的实施例中,激光器200和探测单元300的工作环境中,红外辐射背景光频繁发生变化,这种情况下,可以每隔一定时间内进行一次扣除电压的更新。
通过检测激光器200处于阈值以下扫描时的输出得到扣除电压,根据扣除电压完成红外背景辐射的实时扣除,无需降低探测单元300的响应,提高设备检出限;同时还能主动检测探测单元300以及后续电路的电压值,并动态的调整各电压幅值,使其满足各阶段电压幅值范围要求,无需特殊定制设备参数,现场适应性强。
上述主控单元110和扣除电路120,均可以通过硬件电路的方式实现,也可以通过可编程芯片加电路的方式来实现。很明显,采用后面这个方案时,整个装置的可扩展性更强,下面以后面这个方案为例,提供一些优选的实施方式来详细说明上述电路的功能和构造。
请参见图3,在本发明一具体实施例中,主控单元110包括主控芯片111和扣除电压输出电路112,主控芯片111通过扣除电压输出电路112与扣除电路120电连接,扣除电压输出电路112用于将主控芯片111输出的数字信号转换成扣除电压。可以理解地,主控芯片111例如可以是FPGA芯片、DSP芯片、ARM芯片中的一个或多个芯片的组合,也可以采用其他可编程的逻辑芯片,在本发明后续的实施例及附图中,我们是以FPGA芯片为例进行展开说明的,FPGA芯片的具体引脚如图4所示。
扣除电压输出电路112直接输出扣除电压,这样扣除电路120两个输入端接收到的都是电压,因此很容易进行减法运算,设置扣除电压输出电路112将数字信号转换成扣除电压,使得整个电路更加简洁。
在本发明一具体实施例中,扣除电压输出电路112可采用如图5所示的电路来实现,其主要包括隔离芯片U15、D/A转换芯片U9以及运算放大器U10,隔离芯片U15与FPGA芯片相连,起到隔离作用,并将隔离后的数字信号输出给D/A转换芯片U9,D/A转换芯片U9将接收到的数字信号转换成模拟信号后输出给运算放大器U10,运算放大器U10输出的就是Vo。
在本发明一具体实施例中,扣除电路120可采用如图6的电路来实现,扣除电路120主要通过运算放大器U4B和U7B搭建的减法电路来实现,Vd和Vo直接接入该减法电路中,通过配置LR1=LR2=LR3,直接输出Vk,得到的Vk=Vd-Vo,从而实现了扣除效果。
图7所示的是不同的前置增益对Vd的影响,可以看出,由于背景辐射的存在,Vd并不是完全从0开始的,而是会被整体抬升,抬升的高度会因背景辐射强弱而不同,如图7中与横轴平行的虚线所示,从纵轴电压方向看,若前置增益参数设置不合理,会造成Vd的波形幅值偏高或偏低,具体来说:当前置增益过大时,会导致Vd的波形失真;当前置增益过小时,Vd的精度很低。因此,需要调整合适的前置增益,使得Vd的输出在合理范围内。
请参见图8,基于上述理由,在本发明一具体实施例中,主控单元110还包括第一电压采集电路113,第一电压采集电路113分别与探测单元300、主控芯片111电连接,第一电压采集电路113用于比较第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小或者用于计算第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的差值,并将比较或计算结果输出至主控芯片111,这里比较或计算Vd和第一预设区间的上限阈值,避免Vd过大而失真,同时比较或计算Vd和第一预设区间的下限阈值,避免Vd过小而导致精度很低。
鉴于后续调整前置增益时,只需要根据Vd和第一预设区间的上限阈值和下限阈值的比较结果就能进行调整,因此在本发明一具体实施例中,不进行具体的计算,只对Vd和第一预设区间的上限阈值和下限阈值进行比较,并将比较后输出的数字量发送给主控芯片111。
在本发明一具体实施例中,第一电压采集电路113可以采用如图9和图10所示的电路来实现。其中图9用于比较Vd和第一预设区间的上限阈值,该电路中,通过改变R13和R19的电阻值,就可以实现第一预设区间的上限阈值的调整,R13上端连接的+15V,也可以根据需要设置为其他电压值。Vd电压和上限阈值电压同时输入值U8D芯片逻辑比较厚输出数字量Vd_High,经过Q2隔离器件与FPGA芯片的PIN38引脚连接。图10用于比较Vd和第一预设区间的下限阈值,该电路与图9所示的电路类似,只需要调整电阻R23和R27的阻值,就可以实现第一预设区间的下限阈值的调整。
请参见图8,在本发明一具体实施例中,主控单元110还包括第一增益调整电路114,第一增益调整电路114分别与主控芯片111、探测单元300电连接,第一增益调整电路114根据主控芯片111输出的数字信号调整探测单元300中的前置增益,以调整第一电压信号的幅值。主控芯片111在接收到第一电压采集电路113的输出后,会进行判断并输出数字信号给第一增益调整电路114,这个判断逻辑如下:当Vd在一个扫描周期内的最大值高于第一预设区间的上限阈值时,则需要降低前置增益preGain;当Vd在一个扫描周期内的最大值低于第一预设区间的下限阈值时,则需要提高前置增益preGain。这个判断逻辑(例如可包括如何将第一电压采集电路113的输入转换成数字信号输出、前置增益每次调整的幅度等等),可以通过主控芯片111来实现。
上述第一预设区间例如可以是0~15V,此种情况下,第一预设区间的上限阈值、下限阈值例如可以分别设为14V、12V,这样就可以保证在一个扫描周期内,Vd的最大值始终在12V~14V之间。
在本发明一具体实施例中,第一增益调整电路114可以采用如图11和图12所示的电路。需要注意的是,图11和图12中同时包括第一增益调整电路114和第二增益调整电路116,这里将两个电路放在一起进行详细描述。第一增益调整电路114和第二增益调整电路116包括数字电阻芯片U11,U11通过两个数字隔离芯片U5和U16连接FPGA芯片。FPGA芯片通过数字信号控制调整U11输出的两路数字电阻值,其中一路是preGain+和preGain-,与图26中的电路相连,用于调节前置增益;另一路是f+和f-,与图16中的电路相连,用于调节预处理增益。
对于扣除后的电压Vk,需要输出至后置电路中进行处理,但Vk的幅值范围可能会超出后置电路的幅值要求,如图13所示,为了确保后置电路采集到的为非失真信号且精度足够,在扣除电路120之后我们还可以对其输出的信号作进一步处理。
请参阅图14,在本发明一具体实施例中,还包括预处理电路130,预处理电路130与扣除电路120电连接,用于计算第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。通过设置预处理电路130以及预处理增益f,使得Vin=f*Vk,通过调整预处理增益f,可以使得输出符合要求的Vin,调整前的Vk和调整后的Vin如图15所示。
在本发明一具体实施例中,预处理电路130可以采用如图16所示的电路,该电路中,Vk电压值经过U7C运放增益调整后输出Vin,其中的f+和f-与图11中的电路相连,可以实现预处理增益f的调整,进而可以输出符合要求的Vin。当Vin在一个扫描周期内的最大值大于第二预设区间的上限阈值时,则需要降低预处理增益f;当Vin在一个扫描周期内的最大值小于第二预设区间的下限阈值时,则需要提高前置预处理增益f。这个判断逻辑的具体实现(例如可包括如何将Vin转换成数字信号输出、预处理增益f每次调整的幅度等等),可以通过主控芯片111来实现,预处理增益f的调整逻辑与上述前置增益preGain相同。
请参阅图17,对于最后输出的第三电压信号,可以输出至其他电路进行处理,得到气体浓度信息,也可以利用主控芯片111的处理能力,直接将Vin输入到主控芯片111中进行处理。在本发明一具体实施例中,包括第二电压采集电路115,利用第二电压采集电路115将Vin输入到主控芯片111中,由于Vin为模拟信号,因此可以设置第二电压采集电路115,将预处理电路130输出的模拟信号转换成数字量输入到主控芯片111中,由主控芯片111完成气体浓度的反演功能。
在本发明一具体实施例中,第二电压采集电路115可以采用如图18所示的电路,该电路包括A/D采集芯片U6和隔离芯片U14,A/D采集芯片U6用于将预处理电路130输出的模拟信号转换成数字信号,隔离芯片U14用于隔离FPGA芯片。
请参阅图19,在本发明一具体实施例中,主控单元110还包括第二增益调整电路116,第二增益调整电路116分别与主控芯片111、探测单元300电连接,第二增益调整电路116根据主控芯片111输出的数字信号调整预处理增益,以调整第三电压信号的幅值。设置第二增益调整电路116,可以自动调整预处理增益f的值,从而可以确保Vin在预设的范围内。可以理解地,第二增益调整电路116可采用如图11和图12所示的电路来实现。
请参阅图20,在本发明一具体实施例中,还包括滤光单元140,滤光单元140设置在探测单元300的光线入口处,滤光单元140包括窄带滤光片和/或光阑,窄带滤光片用于滤除波长在激光器200的波长范围以外的光,例如激光器200的波长在2~4μm,高温产生的红外辐射集中在1~5μm,通过设置窄带滤光片,仅允许2~4μm的光通过,就能滤除部分红外辐射背景光。光阑用于滤除在激光器200的激光入射方向指定角度范围以外的光,激光的入射方向比较集中,通过在探测单元300的探测器前方设置光阑,仅接收从激光器200入射方向一定角度范围以内的光,可以进一步滤除掉该角度范围以外的杂散光。
请参见图21,在本发明一具体实施例中,扣除装置100综合上述所有实施例中的方案,该扣除装置100实现了光学扣除、电路扣除、自动增益调整的所有功能。
请参见图22,图22为本发明一实施例提供的一种用于中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置的扣除方法,包括如下步骤:主控单元110驱动激光器200自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,阈值电流即激光器200输出激光时的最低电流;主控单元110根据探测单元300输出的第一电压信号计算扣除电压,第一电压信号由探测单元300根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得;扣除电路120计算第一电压信号和扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。该控制方法与前述系统相对应,通过该方法,可以很方便的实现红外背景辐射的电路扣除。
在本发明一具体实施例中,主控单元110根据探测单元300输出的第一电压信号计算扣除电压的步骤包括:主控单元110获取扫描电流在阈值电流以下时探测单元300输出的第一电压信号,并求取平均值得到扣除电压。当激光器200在阈值电流以下扫描时,不输出激光,此时探测单元300只接收红外辐射背景光,此时探测单元300输出的第一电压信号对应的就是扣除电压,考虑到红外辐射背景光存在波动,我们引入平均值的概念,确保扣除电压的计算更为准确。可以理解地,这里的第一电压信号,可以由主控单元110直接采集得到,也可以通过接对预处理电路130的输出进行计算得到。
请参见图23,在本发明一具体实施例中,主控单元110驱动激光器200自阈值电流以下向阈值电流以上扫描的步骤前,还包括如下步骤:主控单元110驱动激光器200自阈值电流向阈值电流以上扫描;主控单元110比较第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小;在至少一个扫描周期内,若第一电压信号大于第一预设区间的上限阈值,则降低探测单元300中的前置增益,若第一电压信号均小于第一预设区间的下限阈值,则提高探测单元300中的前置增益,否则保持前置增益不变。这个步骤可以概括为前置增益的自动调整步骤,通过这些步骤,可以自动调整前置增益,确保探测单元300输出的Vd符合后级电路的输入范围要求。
请参见图24,在本发明一具体实施例中,扣除电路120计算第一电压信号和扣除电压的差值得到第二电压信号并输出的步骤后,还包括如下步骤:预处理电路130计算第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。通过设置预处理电路130,可以进一步调整输出,确保该输出符合后置电路的输入要求。
请参见图25,在本发明一具体实施例中,预处理电路130计算第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出的步骤前,还包括如下步骤:主控单元110获取至少一个扫描周期内的第三电压信号,并计算最大值得到Vin-max;主控单元110判断Vin-max是否在第二预设区间内,若Vin-max大于第二预设区间的上限阈值,则降低预处理电路130中的预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,若Vin-max小于第二预设区间的下限阈值,则提高预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,否则保持预处理增益不变。这个步骤可以概括为预处理增益的自动调整步骤,通过这些步骤,可以自动调整预处理增益,确保预处理电路130输出的Vin符合后级电路的输入范围要求。
需要说明的是,上述对前置增益进行自动调整时,因为没有计算第一电压信号Vd的最大值,所以在判定是否小于第一预设区间的下限阈值时,判定条件是一个扫描周期内的所有Vd均小于第一预设区间的下限阈值;在进行预处理增进行自动调整时有所不同,只需要判断Vin_max是否小于第二预设区间的下限阈值即可,这两种判断方式有一点区别。
请参见图21,图21为本发明一实施例提供的一种采集系统,其包括如上的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置100,还包括:驱动电路400,驱动电路400与主控单元110电连接,用于将主控单元110输出的驱动电压转换成驱动电流,驱动电路400与激光器200电连接,用于将驱动电流输出给激光器200;激光器200,用于输出激光照射待检测气体;以及探测单元300,用于接收激光和红外辐射背景光,并将接收到的光信号转换成第一电压信号。通过该系统,可以精准的采集待检测气体的电压信号,从而可以进一步分析得到气体浓度信息。
在本发明一具体实施例中,探测单元300可采用如图26所示的电路来实现,其主要包括探测器和运算放大器U4A,探测器将接收到的光信号转换成电信号,运算放大器U4A则将转换成的电信号进行放大后输出Vd,在放大的时候,可以通过调节preGain+和preGain-之间的电阻值来调整Vd的幅值。
在本发明一具体实施例中,驱动电路400可采用如图27和图28所示的电路来实现,该电路将FPGA芯片输出的激光器200驱动数字信号转换为可直接驱动激光器200的电流源信号,FPGA芯片输出的信号经隔离芯片U12后连接D/A转换芯片U2的VOUT引脚输出调制电压,调制电压经运放U3A调整后输出Vs,Vs经U1A运放和Q1组成的恒源发生电路输出Is,驱动激光器200进行扫描。
总的来说,上述装置、方法和系统具有诸多有益效果。其一,通过光学扣除和电路扣除相结合的全链条扣除方式,光学扣除采用滤光单元140结构简单、易实现,特别适用在结构空间受限情况下,同时与电路扣除相配合保证了高温背景辐射光只有小部分被探测接收,大大降低了探测信号基准值;其二,解决了中红外TDLAS设备在原位安装时受现场高温辐射影响导致测量准确度低的问题,本发明通过自动校准增益参数,避免探测单元300输出的电压Vd和预处理电路130输出的电压Vin超过或远低于预设的动态范围,从而提高测量准确度;其三,通过电路实时扣除探测器基准电压值,实现了中红外TDLAS红外背景辐射的有效扣除,相比于降低探测器响应的方法,本发明无需降低探测器响应,从而避免了对激光器200发射激光响应的影响,提高了设备的检出限;其四,本发明针对不同温度现场可以主动检测红外背景辐射并进行扣除,无需特殊定制设备参数,具有较强的现场适应性,这样可以避免设备常温与高温下性能差异较大,提高了现场检测结果的可靠性。综上所述,本发明有效解决了中红外TDLAS设备在高温环境下受红外辐射影响导致的测量准确度低和设备性能差异大的问题,具有较大的实际应用价值和市场竞争力。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,包括:
主控单元,所述主控单元与激光器电连接,用于驱动所述激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,所述阈值电流即所述激光器输出激光时的最低电流,所述主控单元与探测单元电连接,用于根据第一电压信号计算扣除电压,所述第一电压信号由所述探测单元根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得;以及
扣除电路,分别与所述主控单元、所述探测单元电连接,用于计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。
2.根据权利要求1所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,所述主控单元包括主控芯片和扣除电压输出电路,所述主控芯片通过所述扣除电压输出电路与所述扣除电路电连接,所述扣除电压输出电路用于将所述主控芯片输出的数字信号转换成所述扣除电压。
3.根据权利要求2所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,所述主控单元还包括第一电压采集电路和第一增益调整电路;
所述第一电压采集电路分别与所述探测单元、所述主控芯片电连接,所述第一电压采集电路用于比较所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小或者用于计算所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的差值,并将比较或计算结果输出至所述主控芯片;
所述第一增益调整电路分别与所述主控芯片、所述探测单元电连接,所述第一增益调整电路根据所述主控芯片输出的数字信号调整所述探测单元中的前置增益,以调整所述第一电压信号的幅值。
4.根据权利要求2所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,还包括预处理电路,所述预处理电路与所述扣除电路电连接,用于计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。
5.根据权利要求4所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,所述主控单元还包括第二增益调整电路,所述第二增益调整电路分别与所述主控芯片、所述探测单元电连接,所述第二增益调整电路根据所述主控芯片输出的数字信号调整所述预处理增益,以调整所述第三电压信号的幅值。
6.根据权利要求1所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,其特征在于,还包括滤光单元,所述滤光单元设置在所述探测单元的光线入口处,所述滤光单元包括窄带滤光片和/或光阑,所述窄带滤光片用于滤除波长在所述激光器的波长范围以外的光,所述光阑用于滤除在所述激光器的激光入射方向指定角度范围以外的光。
7.一种用于如权利要求1~6任一项所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置的扣除方法,其特征在于,包括如下步骤:
主控单元驱动激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描,所述阈值电流即所述激光器输出激光时的最低电流;
所述主控单元根据探测单元输出的第一电压信号计算扣除电压,所述第一电压信号由所述探测单元根据接收到的激光和红外辐射背景光转换所得;
扣除电路计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出。
8.根据权利要求7所述的扣除方法,其特征在于,所述主控单元根据探测单元输出的第一电压信号计算扣除电压的步骤包括:
所述主控单元获取扫描电流在阈值电流以下时所述探测单元输出的第一电压信号,并求取平均值得到所述扣除电压。
9.根据权利要求7所述的扣除方法,其特征在于,所述主控单元驱动激光器自阈值电流以下向阈值电流以上扫描的步骤前,还包括如下步骤:
所述主控单元驱动所述激光器自阈值电流向阈值电流以上扫描;
所述主控单元比较所述第一电压信号与第一预设区间的上限阈值和下限阈值的大小;
在至少一个扫描周期内,若所述第一电压信号大于第一预设区间的上限阈值,则降低所述探测单元中的前置增益,若所述第一电压信号均小于第一预设区间的下限阈值,则提高所述探测单元中的前置增益,否则保持所述前置增益不变。
10.根据权利要求7所述的扣除方法,其特征在于,所述扣除电路计算所述第一电压信号和所述扣除电压的差值得到第二电压信号并输出的步骤后,还包括如下步骤:
预处理电路计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出。
11.根据权利要求10所述的扣除方法,其特征在于,所述预处理电路计算所述第二电压信号与预处理增益的乘积得到第三电压信号并输出的步骤前,还包括如下步骤:
所述主控单元获取至少一个扫描周期内的所述第三电压信号,并计算最大值得到Vin-max;
所述主控单元判断Vin-max是否在第二预设区间内,若Vin-max大于所述第二预设区间的上限阈值,则降低所述预处理电路中的预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,若Vin-max小于所述第二预设区间的下限阈值,则提高所述预处理增益并重新获取Vin-max进行判断,否则保持所述预处理增益不变。
12.一种采集系统,其特征在于,包括如权利要求1~6任一项所述的中红外TDLAS红外辐射背景扣除装置,还包括:
驱动电路,所述驱动电路与所述主控单元电连接,用于将所述主控单元输出的驱动电压转换成驱动电流,所述驱动电路与所述激光器电连接,用于将所述驱动电流输出给所述激光器;
激光器,用于输出激光照射待检测气体;以及
探测单元,用于接收所述激光和红外辐射背景光,并将接收到的光信号转换成所述第一电压信号。
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