CN1995977A - 光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置，包括嵌入式微处理器、DFBLD光源、温度控制电路、信号产生与调制电路、光电二极管、前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换，所采用的方法是：DFBLD光源依次循环发射三个光信号，分别是用于标志检测信号；直流信号B；锯齿波激励信号C，三个光信号通过被测气室后，光信号通过前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换后，由嵌入式微处理器计算出结果。本发明是通过控制光源发光按照特定规律变化来实现光路自身补偿，具有光路简单；能补偿气体吸收室中粉尘、水汽的影响，也消除了光路折弯的影响和温度变化引发的光源发光波长变化对测量结果的影响的优点。

Description

光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置
技术领域
本发明属于一种传感器，具体地讲是一种采用光谱吸收原理进行气体浓度测量的光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置。
背景技术
光谱吸收式光纤气体传感原理是：特定气体对某些特定长的光具有吸收作用。当一束光强为I0的输入平行光透过该气体时，如果光源光谱覆盖该气体的一个或多个吸收线，光穿透气体时其透射光强便会发生衰减。根据比尔-朗伯特定律，出射光强I与入射光强I0气体的体积分数C、吸收光程L之间的关系为：
I(t)＝I0(t)exp[-α(v)CL]
因此，检测出透射光强的变化可以确定瓦斯气体的浓度。但是，由于这种方法是通过检测透射光强的变化间接计算气体浓度，所以计算结果不可避免地会受到光源发光光强漂移、气体吸收室粉尘、光路对光的衰减变化等诸多因素的影响。为了消除这些影响，必须进行必要的补偿。
通常的光路补偿方法是引入参考气室：如图1所示，通过光分路器进行分光，两束光分别经过参考气室和检测气室，通过光电二极管接收后检测出二次谐波分量。待测气体信号的二次谐波分量为：kdCdLdI0d，参考气室信号的二次谐波分量为：krCrLrI0r。
其中Cd是待测气体浓度，Cr为参考气体浓度，kd，kr为二次谐波系数，I0d，I0r分别是检测气室和参考气室的光强的信号幅值。Ld和Lr分别是检测气室和参考气室的光程。将两式相除得：y＝kdCdLdI0d/krCrLrI0r
将上式变形为：Cd＝k*y(CrLrI0r)/(LdI0d)    (1)
式(1)中y可以通过测量计算得出，k＝kr/kd是个定值，Cr，Lr， Ld是已知值，I0r/I0d由分路器决定，这样当入射光强改变的时候I0r/I0d不会改变，从而消除了入射光强变化的影响。然而，这种方法并不理想。其局限性主要存在于如下几个方面：
(1)发光管发光后需要用光分路器分光，这样会减弱光强，降低检测灵敏度；
(2)增加一条参考通道就提高了产品费用；
(3)参考气室和检测气室必须放在同一环境下，否则环境温度和水气的差异会造成I0r/I0d的变化；
(4)在相同环境中，由于光分路器之后的光纤不是同一根光纤，任何一边的光纤发生了形变都会造成I0r/I0d的变化；
(5)在测量含有粉尘的气体浓度时，现场中粉尘会影响气室的透光率。由于参考气室是全密闭的不会受到粉尘的影响，而检测气室必须是全开放的，会受到粉尘的影响，从而造成I0r/I0d的改变；
综上所述，采用参考光路补偿方法很难满足实际需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种既能满足实际需求，又经济实用的光纤气体传感器光路自补偿的方法与装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明包括嵌入式微处理器、DFBLD光源、温度控制电路、信号产生与调制电路、光电二极管、前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换，所采用的方法是：在信号产生与调制电路的控制下，DFB LD光源依次循环发射三个光信号，分别是用于标志检测信号的起始信号A；一个稳定的激励电流的直流信号B；一个交流调制信号的锯齿波激励信号C，三个光信号通过被测气室后，光电二极管接收三个光信号，光信号通过前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换后，由嵌入式微处理器计算出结果。
上述交流调制信号的锯齿波激励信号C加上直流偏置B后，使交流调制信号的锯齿波激励信号C中心点对应的激光器发光波长刚好和待测气体的吸收峰相吻合。
本发明还提供一种光纤气体传感器光路自补偿装置，包括：
嵌入式微处理器：完成波形发生控制和信号的采样与处理；
DFBLD光源：激光器发光；
温度控制电路：对激光器的温度进行闭环控制，保证激光器发光波长的稳定性；
信号产生与调制电路：产生对DFBLD光源的调制波形信号；
光电二极管：接收激光信号；
前置放大：将光电二极管的微弱电流信号转换成电压信号并放大；
谐波检测：对接收的信号进行高通滤波，滤掉基波，然后进行锁相放大，得到二次谐波信号；
直流量检测：对接收信号进行低通滤波，得到直流分量；
多路AD转换：对谐波信号和直流量进行模数转换。
本发明光路自补偿方法是通过控制光源发光按照特定规律变化来实现光路自身补偿，具有如下几方面的优点：
(1)采用光路自身补偿，光路简单；
(2)不仅能补偿气体吸收室中粉尘、水汽等的影响，而且也消除了光路折弯等诸多因素的影响；
(3)消除了温度变化引发的光源发光波长变化对测量结果的影响。
附图说明
图1为现有光路补偿方法及装置原理框图。
图2为本发明对光源的周期性交流调制信号图。
图3为本发明光路补偿方法及装置原理框图。
图4为本发明的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明对光源的周期性交流调制信号见图2，其中：A为起始信号，用于标志检测信号；B为直流信号，给光源一个稳定的激励电流，此时光源带宽很窄；C是一个锯齿波激励，给光源一个交流调制信号，经气室吸收后可得到二次谐波信号。
给上述的交流信号加上直流偏置后，使C中心点对应的激光器发光波长刚好和待测气体的吸收峰相吻合。当波长有稍微漂移时吸收峰仍然在C的范围内，这样锯齿波C就能消除发光管受温度影响波长发生漂移的误差。锯齿波C能使发光管波长带宽为0.2nm，加上恒温控制的DFB LD的波长漂移一般不会超过0.1nm，基本上能完全消除波长漂移的影响。
信号B段加上直流偏置后，发光管在B段发光波长远离气体吸收峰，这样当气体浓度发生变化时，通过气室后在B段的光强不会发生改变。当环境温度，水汽，灰尘，光纤变形等造成光强发生变化时，B和C将相同程度的衰减和增强。因此只需把检测出来的二次谐波分量kdCdLdIc除上B段的光强Ib就能完全消除光强的影响。那么得到算式：
y＝kdCdLdIc/Ib
则Cd＝yIb/kdLdIc
其中kd为二次谐波系数，Ld为测量气室光程，Ib为B段光强，Ic为C段光强。因为B段光强不受气体吸收的影响，所以B段光强不仅能起到消除光强变化产生的影响，还能很好的反映透光率(接收光强与原始光强的比)。当透光率低于一定标准时，可产生报警，提醒检查光纤是否有很大的形变，气室的光路上是否沾有灰尘。
本发明的采用光路自补偿方法的气体浓度测量装置组成框图如图3所示，其中：
嵌入式微处理器是本装置的核心控制和信号处理部分，完成波形发生和信号的采样与处理。嵌入式微处理器控制信号产生与调制电路产生如图2所示的对DFBLD光源的调制波形信号。信号产生电路产生交流电流，调制电路使得交流电流的幅值和直流分量精确可调，调整直流分量，使得LD光源在C段发光的中心波长正好对准被测气体的吸收峰，使得LD光源发出的光的周期性波长扫描范围覆盖气体的某一个吸收峰。
温度控制部分采用硬件电路对激光器的温度进行闭环控制，保证激光器发光波长的稳定性。由温度传感器采集激光器的温度，跟预置的温度相比较，采用PI调节电路对温度精确控制。
前置放大部分将光电二极管的微弱电流信号转换成电压信号并放大。
谐波检测部分首先对接收的信号进行高通滤波，滤掉基波，然后进行锁相放大，得到二次谐波信号。
直流量检测部分是对接收信号进行低通滤波，得到直流分量。
多路AD转换部分对谐波信号和直流量进行模数转换，供微处理器选择B段透射光强数据和C段二次谐波数据进行气体浓度计算。
图4所示是本发明的软件框图，微处理器是ARM系列的S3C44B0X。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1、一种光纤气体传感器光路自补偿的方法，包括嵌入式微处理器、DFBLD光源、温度控制电路、信号产生与调制电路、光电二极管、前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换，所采用的方法是：在信号产生与调制电路的控制下，DFB LD光源依次循环发射三个光信号，分别是用于标志检测信号的起始信号A；一个稳定的激励电流的直流信号B；一个交流调制信号的锯齿波激励信号C，三个光信号通过被测气室后，光电二极管接收三个光信号，光信号通过前置放大、谐波检测、直流量检测及多路AD转换后，由嵌入式微处理器计算出结果。
2、如权利要求1所述的光纤气体传感器光路自补偿的方法，其特征在于：交流调制信号的锯齿波激励信号C加上直流偏置B后，使交流调制信号的锯齿波激励信号C中心点对应的激光器发光波长刚好和待测气体的吸收峰相吻合。
3、一种光纤气体传感器光路自补偿装置，包括：
嵌入式微处理器：完成波形发生和信号的采样与处理；
DFBLD光源：激光器发光；
温度控制电路：对激光器的温度进行闭环控制，保证激光器发光波长的稳定性；
信号产生与调制电路：产生对DFBLD光源的调制波形信号；
光电二极管：接收激光信号；
前置放大：将光电二极管的微弱电流信号转换成电压信号并放大；
谐波检测：对接收的信号进行高通滤波，滤掉基波，然后进行锁相放大，得到二次谐波信号；
直流量检测：对接收信号进行低通滤波，得到直流分量；
多路AD转换：对谐波信号和直流量进行模数转换。
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