CN205049184U - 一种基于tdlas的温湿度监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于TDLAS的温湿度监测系统。本实用新型包括光源系统、在线监测式气室和接收与处理系统。光源系统包括激光器、激光准直器和激光器驱动单元，用于向在线监测式气室内提供理想波长范围的近红外光束；在线监测式气室分为信号连接区和暴露区，用于将监测用近红外光束暴露于待测环境，监测待测环境的温度，将光信号转变为电信号等；接收与处理系统包括前置放大器、锁相放大器和数据采集与处理单元，用于温度和湿度监测信号的接收、谐波信号的提取分析和相对湿度、温度的计算显示等。本实用新型采用光电式的非接触测量方式，可实现腐蚀性环境的温湿度监测，具有精度高、稳定性好、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于近红外光谱检测技术领域，具体涉及一种基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)的温湿度监测系统。
背景技术
温度和湿度是描述环境条件的重要参数，航空航天、纺织、食品、医药、生物技术、农业等行业对温湿度的要求都非常严格，对环境的相对湿度进行实时、准确的监测具有重要的意义。
对于环境湿度的监测，目前常见的是接触式湿度传感器，这类传感器直接暴露在待测环境中，利用湿敏元件的电位变化进行湿度测量，在常规环境下可实现相对湿度准确、可靠监测。然而，当待测环境含有腐蚀性介质时，湿敏元件易被腐蚀而导致电位变化不灵敏甚至失效，存在寿命短、稳定性差等缺点。
近年来，光电式湿度传感器受到极大关注，光电技术的应用解决了湿敏元件易被腐蚀和污染的问题，实现了湿度传感器的非接触检测和腐蚀条件检测。可调谐二极管激光吸收光谱(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy,TDLAS)技术是光谱检测技术的一种，该技术利用特定的气体分子对特定的红外光谱产生吸收这一特点，把光的吸收谱线与气体浓度联系起来，根据谐波信号与气体浓度的相关性进行检测，具有测量精度高、稳定性好、适用范围广等特点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服接触式湿度传感器的不足之处，提供一种基于TDLAS技术的温湿度监测系统，该系统采用非接触的检测方式，可实现腐蚀性环境温度和相对湿度的在线、准确、可靠监测。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种基于TDLAS的温湿度监测系统，由光源系统、在线监测式气室和接收与处理系统组成，光源系统包括激光器、激光准直器和激光器驱动单元，激光器驱动单元产生波长驱动信号并送入与其连接的激光器，使激光器输出的近红外波长能够完整扫描水蒸气在选定波长附近的吸收峰，激光器输出的近红外光通过光纤送入激光准直器进行准直处理后进入在线监测式气室；在线监测式气室包括信号连接区和暴露区，信号连接区放置于待测环境外，区内设有激光准直器和航插，分别用于光信号传入暴露区和监测信号从暴露区传出，暴露区放置于待测环境内，区内设有光电探测器和温度传感器，准直后的近红外光在暴露区内被待测环境吸收，然后通过光电探测器转变为含有湿度信息的电信号，温度传感器设置在暴露区的外壁上，用于监测待测环境温度，含湿度信息的电信号和温度监测信号通过电线由航插传入接收与处理系统；接收与处理系统包括前置放大器、锁相放大器和数据采集与处理单元，湿度监测信号经前置放大器放大后进入锁相放大器进行信号解调，获得一次谐波信号后送入数据采集与处理单元，根据谐波信号的峰值与水气含量的线性对应关系，计算出待测环境的相对湿度，并将相对湿度值和温度值传回上位机进行显示和保存。
进一步的，所述的激光器为可调谐分布反馈式半导体波长激光器，中心波长为1370mm，激光器安装在具有温度传感器和半导体热电制冷器TEC的蝶形封装底座上，通过对TEC的驱动电流进行控制，实现对激光器的恒温控制。
进一步的，所述的激光器驱动单元包括温度控制器和电流控制器，温度控制器向TEC提供驱动电流以实现激光器的温度控制，电流控制器向激光器提供波长驱动信号，波长驱动信号包含低频三角波信号和高频正弦波信号，分别用于波长的扫描和调制；同时，激光器驱动单元产生和高频正弦波同频的正弦波或方波作为锁相放大器的参考信号。
进一步的，所述的在线监测式气室采用快装式的结构，信号连接区设有快装卡盘，可通过卡箍和设置在待测环境外壁的快装卡盘进行快速安装和拆卸；卡盘之间设有垫片，保证卡盘连接的密闭性；暴露区采用中空圆柱形设计，外壁开孔，保证近红外光充分暴露在待测环境中；气室采用不锈钢材质制作。
进一步的，所述的锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，信号通道将经过前置放大器的测量信号进行滤波处理，扩大系统动态范围，然后送入相敏检波器；参考通道将激光器驱动单元产生的同频参考信号调整为合适的相位，然后送入相敏检波器；相敏检波器将测量信号和参考信号进行乘法运算；低通滤波器将信号的交流部分滤除，保留直流部分，从而完成一次谐波信号的提取和噪声的抑制。
进一步的，所述的数据采集与处理单元包含水在不同温度下的饱和水气含量数据，一次谐波信号送入数据采集与处理单元后，根据信号幅值与水气含量的线性对应关系，获取待测环境中的水气含量；通过温度传感器获取待测环境的温度，进而计算该温度下的饱和水气含量；将待测环境的水气含量和饱和水气含量的比值作为待测环境的相对湿度，并将环境的相对湿度和温度信息由数据采集与处理单元传至上位机进行显示与保存。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型基于TDLAS技术进行环境湿度的监测，采用非接触的测量方式，解决了接触式湿敏元件在腐蚀性环境中易被污染、寿命短的问题，选用的激光器波长范围与水蒸气吸收光谱相符合，电路设计合理，稳定性好，可在腐蚀性等恶劣环境中完成温度和相对湿度的在线、准确、可靠监测。
本实用新型改变了常规光谱吸收技术将待测气体通入气室进行检测的方式，采用了在线监测式气室，直接利用快装式的结构将气室暴露区置于待测环境中，避免了待测环境和气室间的循环线路及其带来的误差，实现了环境温湿度的在线监测，操作方便，准确度高。
本实用新型采用了多种方法降低测量误差：利用锁相放大器进行谐波信号的提取和噪声的抑制；对一次谐波信号进行起始点对齐、粗大误差剔除、多周期平均等预处理减小测量误差等。
附图说明
图1为本实用新型的一种结构示意图；
图2为图1中锁相放大器的结构示意图。
其中：1光源系统，2在线监测式气室，3接收与处理系统，11激光器，12激光准直器，13激光器驱动单元，21信号连接区，22暴露区，23航插，24光电探测器，25温度传感器，31前置放大器，32锁相放大器，33数据采集与处理单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
如图1所示，一种基于TDLAS的温湿度监测系统，由光源系统1、在线监测式气室2和接收与处理系统3组成，
光源系统1包括激光器11、激光准直器12和激光器驱动单元13。激光器11选用四川腾光公司的可调谐分布反馈式半导体波长激光器，激光器11中心波长为1370nm，与水蒸气的特征吸收谱线位置相符。激光器11配有具有温度传感器和半导体热电制冷器(TEC)的14针蝶形封装底座，通过对TEC的驱动电流进行控制，实现对激光器11的恒温控制，保证输出波长不受温度波动的影响。由于激光器11在发射激光时激光光束并非相互平行而是有一定的发散角，因此，需要对激光进行准直处理，激光准直器12选择了LightPath公司的355110系列产品对激光进行准直处理。激光器驱动单元13包括温度控制器和电流控制器，温度控制器为基于MAX1968芯片的TEC温控电路，向TEC提供驱动电流以实现激光器的温度控制；电流控制器由基于ARM的STM32F103RCT6微处理器和ALTERA系列的CPLDEPM1270芯片生成不同频率的数字正弦信号和三角波信号，再由基于DAC904芯片的数模转换器变为电流信号作为波长驱动信号使用。波长驱动信号由两部分组成：一部分为低频三角波信号，信号频率范围为10-50Hz，用来连续调节激光器11的注入电流大小，使激光器11产生的红外光波长能够全面扫过水蒸气的特征吸收谱线；另一部分为高频正弦波信号，信号频率范围为1-50KHz，用来对输出的吸收信号进行调制，以降低低频背景噪声的影响。同时，EPM1270芯片生成和高频正弦波同频的正弦波作为锁相放大器32的参考信号。
在线监测式气室2采用快装式的结构，包括信号连接区21和暴露区22。信号连接区21放置于待测环境外，区内设有激光准直器12和航插23，分别用于光信号传入暴露区22和监测信号从暴露区22传出，此外，信号连接区还设有快装卡盘，可通过卡箍和设置在待测环境外壁的快装卡盘进行快速安装和拆卸，卡盘之间设有垫片，保证卡盘连接的密闭性；暴露区22放置于待测环境内，采用中空圆柱形设计，圆柱形外壁设有2个长方形孔，保证近红外光充分暴露在待测环境中，区内设有光电探测器24和温度传感器25，其中光电探测器24选用InGaAs光电二极管，响应波长范围为1100nm-2500nm，能够适应较宽的长波近红外光谱，感光面直径为0.5mm，能够有效探测较大光斑，温度传感器25选用ADT7420高精度数字温度传感器，精度为±0.25℃，安装在暴露区22外壁上，用于监测待测环境温度；气室采用S31603耐腐蚀性不锈钢制作。
接收与处理系统3包括前置放大器31、锁相放大器32和数据采集与处理单元33。前置放大前路31基于AD795JR芯片实现，用于将光电探测器24采集的微弱电信号进行电压转换和信号的初步放大。锁相放大器33基于相干检测原理进行微弱信号检测，将带有噪声干扰的交流信号经过乘法器相乘和积分器积分运算后，输出正比于输入信号幅度的直流信号，从而去除噪声，实现解调。如图2所示，锁相放大器32由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，信号通道将经过前置放大器32的测量信号进行滤波处理，扩大系统动态范围，然后送入相敏检波器；参考通道将激光器驱动单元13产生的同频参考信号调整为合适的相位，然后送入相敏检波器；相敏检波器基于AD630KN芯片设计，可实现测量信号和参考信号的乘法运算；低通滤波器基于OP27JS芯片实现，可将信号的交流部分滤除，保留直流部分，从而完成一次谐波信号的提取和噪声的抑制。数据采集与处理单元33同样由基于ARM的STM32F103RCT6微处理器和ALTERA系列的CPLDEPM1270芯片共同组成，将由锁相放大器32提取的一次谐波信号进行后处理。数据采集与处理单元33包含水在不同温度下的饱和水气含量数据，一次谐波信号送入数据采集与处理单元33后，根据信号幅值与水气含量的线性对应关系，获取待测环境中的水气含量；通过温度传感器25获取待测环境的温度，进而计算该温度下的饱和水气含量；将待测环境的水气含量和饱和水气含量的比值作为待测环境的相对湿度，并将环境的相对湿度和温度信息由数据采集与处理单元33通过RS485串行通讯方式传至上位机进行显示与保存。此外，为了消除系统监测过程中不可避免的噪声，减少种种外界因素带入的影响以得到待测环境的有效信息，数据采集与处理单元还对谐波信号进行起始点对齐、粗大误差剔除、多周期平均等预处理，以减小测量误差。
利用本实用新型进行待测环境的温度和相对湿度的过程如下：首先，需要进行监测系统的标定，利用谐波信号峰值和水气含量的线性对应关系，在不同的已知温湿度的标准环境内分别测量谐波信号的峰值信息，并利用最小二乘法将谐波信号峰值和水气含量的关系进行线性拟合，得到用于实际测量的标定直线并将拟合数据存入数据采集与处理单元33。然后，进行待测环境的温湿度监测，将在线监测式气室2通过快装卡盘进行安装，使暴露区置于待测环境内；由激光驱动单元13产生波长驱动信号并送入与其连接的激光器11，使激光器11输出的近红外波长能够完整扫描水蒸气在选定波长附近的吸收峰，激光器11输出的近红外光通过光纤送入激光准直器12进行准直处理后进入在线监测式气室2；准直后的近红外光在暴露区22内被待测环境吸收，然后通过光电探测器24转变为含有湿度信息的电信号，温度传感器24设置在暴露区22的外壁上，用于监测待测环境温度，含湿度信息的电信号和温度监测信号通过电线由航插23传入接收与处理系统3；在接收与处理系统3中，湿度监测信号经前置放大器31放大后进入锁相放大器32进行信号解调，获得一次谐波信号后和温度监测信号一同送入数据采集与处理单元33，在数据采集与处理单元33中对监测信号进行一系列预处理，然后根据标定的拟合直线以及温度和饱和水气含量的关系计算出待测环境的相对湿度，并将相对湿度值和温度值传回上位机进行显示和保存。
综上，本实用新型基于TDLAS技术，采用非接触的测量方式，可在腐蚀性等恶劣环境中完成温度和相对湿度的在线、准确、可靠监测，温度测量精度为±0.25℃，相对湿度测量精度为±3％；采用了在线监测式气室，避免了待测环境和气室间的循环线路及其带来的误差；使用了多种方法降低测量误差，具有测量精度高、稳定性好、适用范围广等优点。
最后应理解，以上实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于TDLAS的温湿度监测系统，由光源系统(1)、在线监测式气室(2)和接收与处理系统(3)组成，其特征在于：光源系统(1)包括激光器(11)、激光准直器(12)和激光器驱动单元(13)，激光器驱动单元(13)产生波长驱动信号并送入与其连接的激光器(11)，使激光器(11)输出的近红外波长能够完整扫描水蒸气在选定波长附近的吸收峰，激光器(11)输出的近红外光通过光纤送入激光准直器(12)进行准直处理后进入在线监测式气室(2)；
在线监测式气室(2)包括信号连接区(21)和暴露区(22)，信号连接区(21)放置于待测环境外，信号连接区内设有激光准直器(12)和航插(23)，分别用于光信号传入暴露区(22)和监测信号从暴露区(22)传出，暴露区(22)放置于待测环境内，暴露区内设有光电探测器(24)和温度传感器(25)，准直后的近红外光在暴露区(22)内被待测环境吸收，然后通过光电探测器(24)转变为含有湿度信息的电信号，温度传感器(25)设置在暴露区(22)的外壁上，用于监测待测环境温度，含湿度信息的电信号和温度监测信号通过电线由航插(23)传入接收与处理系统(3)；
接收与处理系统(3)包括前置放大器(31)、锁相放大器(32)和数据采集与处理单元(33)，湿度监测信号经前置放大器(31)放大后进入锁相放大器(32)进行信号解调，获得一次谐波信号后送入数据采集与处理单元(33)，根据谐波信号的峰值与水气含量的线性对应关系，计算出待测环境的相对湿度，并将相对湿度值和温度值传回上位机进行显示和保存。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的温湿度监测系统，其特征在于：所述的激光器(11)为可调谐分布反馈式半导体波长激光器，中心波长为1370mm，激光器(11)安装在具有温度传感器和半导体热电制冷器的蝶形封装底座上，通过对半导体热电制冷器的驱动电流进行控制，实现对激光器(11)的恒温控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于TDLAS的温湿度监测系统，其特征在于：所述的激光器驱动单元(13)包括温度控制器和电流控制器，温度控制器向半导体热电制冷器提供驱动电流以实现激光器(11)的温度控制，电流控制器向激光器(11)提供波长驱动信号，波长驱动信号包含低频三角波信号和高频正弦波信号，分别用于波长的扫描和调制；同时，激光器驱动单元(13)产生和高频正弦波同频的正弦波或方波作为锁相放大器(32)的参考信号。
4.根根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的温湿度监测系统，其特征在于：所述的在线监测式气室(2)采用快装式的结构，信号连接区(21)设有快装卡盘，通过卡箍和设置在待测环境外壁的快装卡盘进行快速安装和拆卸；卡盘之间设有垫片，保证卡盘连接的密闭性；暴露区(22)采用中空圆柱形设计，外壁开孔，保证近红外光充分暴露在待测环境中；在线监测式气室采用不锈钢材质制作。
5.根根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的温湿度监测系统，其特征在于：所述的锁相放大器(32)由信号通道、参考通道、相敏检波器和低通滤波器组成，信号通道将经过前置放大器(31)的测量信号进行滤波处理，扩大系统动态范围，然后送入相敏检波器；参考通道将激光器驱动单元(13)产生的同频参考信号调整为合适的相位，然后送入相敏检波器；相敏检波器将测量信号和参考信号进行乘法运算；低通滤波器将信号的交流部分滤除，保留直流部分，从而完成一次谐波信号的提取和噪声的抑制。
6.根根据权利要求1所述的一种基于TDLAS的温湿度监测系统，其特征在于：所述的数据采集与处理单元(33)包含水在不同温度下的饱和水气含量数据，一次谐波信号送入数据采集与处理单元(33)后，根据信号幅值与水气含量的线性对应关系，获取待测环境中的水气含量；通过温度传感器(25)获取待测环境的温度，进而计算该温度下的饱和水气含量；将待测环境的水气含量和饱和水气含量的比值作为待测环境的相对湿度，并将环境的相对湿度和温度信息由数据采集与处理单元(33)传至上位机进行显示与保存。
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| CN201520835086.XU CN205049184U (zh) | 2015-10-26 | 2015-10-26 | 一种基于tdlas的温湿度监测系统 |
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Publications (1)
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN105136740A (zh) * | 2015-10-26 | 2015-12-09 | 中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所 | 一种基于tdlas的温湿度监测系统 |
| CN110361359A (zh) * | 2019-07-16 | 2019-10-22 | 清华大学 | 一种基于偶次谐波的吸收率函数复现方法 |
| CN112461785A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-03-09 | 北京工业大学 | 一种基于tdlas结合法布里-珀罗光室的航空氧气监测系统 |
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2015
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |