CN205301162U - 一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，属气体传感系统检测领域，系统组成包括单片机、激光器温控和驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相放大器、高精度基准电压发生器，减法器，增益控制模块、信号采集模块。该系统对传统二次谐波法微量水蒸气检测系统中的多路固定参数的量程选择模块进行改造，在锁相放大器得到还有浓度信息的谐波幅值后，利用增益控制模块控制谐波增益，并通过增益控制模块与信号采集模块之间的信息交互，实现量程自控，最后通过输出谐波幅值与增益值得到待测气体中水蒸气浓度。该系统打破浓度量程对电路测量的限制，扩大探测浓度范围，有效提高信噪比，有利于提取气体浓度信息。

Description

一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统

技术领域

本实用新型属于属气体传感系统检测领域，是同时使用高精度电压参考、直流调整和单片机控制的一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统。

背景技术

水是我们赖以生存的重要物质，检测水蒸气浓度在很多领域都有重要意义。例如特高压输变电系统设备中介质气体SF₆中含有水分时，会生成毒性和腐蚀性很强的化学物质，腐蚀绝缘设备，甚至发生爆炸。在食品加工行业，包装袋内的水含量超标，会直接影响食品质量。变压器油中含水量越多，油质本身老化、设备绝缘老化及金属部件腐蚀速度越快；天然气中水的存在会引起管线水堵，腐蚀管线、仪表和设备，影响天然气计量的准确度，给天然气的安全生产和使用造成极大危害。而光纤气体传感器因其稳定性好、测量精度高、抗电磁干扰、在线检测、可实现无电检测等优点在痕量气体浓度的测量中得到越来越广泛的应用。

现如今对于测量微量水蒸气最有效的方法是二次谐波法，属于光纤气体传感器的一种有效应用，该方法测量精度高，稳定性好，抗干扰能力强。为了适应更宽范围的水蒸气浓度测量，同时进一步提高系统信噪比，在不同的浓度范围，需要设置多路不同的电路参数量程选择电路，这使得电路冗杂，资源浪费，而且会引进更多电路噪声。因此，迫切需要一种简易有效的检测方法来解决上述问题。

哈尔滨工程大学张可可所写论文《光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究》中提到的二次谐波检测方法是利用一次谐波对激光器进行调制，经过气体吸收峰后激光信号了携带大量频率的信号，利用锁相放大器在二次参考信号辅助下进行二次频率谐波探测可以得到包含气体浓度信息的二次信号而滤掉其他频率成分的信号。最终检测到的二次谐波信号的幅值与水蒸气浓度有关，随着水蒸气浓度增加，谐波幅值呈现线性增长。如果不采取相应措施，在宽范围的水气浓度检测中，会有部分的浓度量程下的谐波幅值超出采集范围。因此对不同浓度下的水蒸气必须进行不同电路参数处理，这样会导致电路复杂，变换麻烦，而且容易引进其他电路噪声，因此探测简易度受到了限制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，本实用新型提供一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，能更简易方便并且精确有效进行水蒸气浓度的检测。

本实用新型的技术方案如下:

一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，包括单片机A、B、温控驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相放大器、高精度基准电压发生器，减法器，增益控制模块和信号采集模块，温控驱动模块包括温控模块和驱动模块，其特征在于单片机A连接驱动模块，温控驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块输出端和锁相放大器相连接，单片机A连接到锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号，锁相放大器与减法器的正相输入端相连，高精度基准电压发生器与减法器的负向输入端相连，增益控制模块连接到减法器的输出端和负向输入端之间以构成负反馈连接方式，同时增益控制模块与信号采集模块分别与单片机B相连接。

所述的DFB激光器是中心波长为1368nm可调谐半导体激光器，其型号为DFB-BF14-1368-F-N-09-1-FC，它可以通过改变驱动电流及温度来共同实现波长调谐。

传统的微量水蒸气检测系统中是通过不同放大倍数的运放电路实现的，量程选择范围小，参数设定复杂，操作麻烦，而且电路冗杂，噪声大。本实用新型添加增益控制模块，作为谐波信号增益倍数调整的部分，由单片机控制，通过信号采集模块-单片机-增益控制模块形成控制谐波增益的反馈回路，实时监控二次谐波幅值，同时迅速调整增益值，使得谐波幅值在设定的采集范围内，最终水蒸气浓度信息由采得二次谐波幅值与增益值共同决定。该系统打破传统电路量程选择的限制，无论水气浓度大小，增益调整模块均将谐波幅值调整在采集范围内，扩大水气浓度测量范围。该系统电路更简洁稳定，信号信噪比有效提高，对于微量水蒸气浓度检测的性能提升有很大帮助。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图。

其中：1、单片机A，2、温控和驱动模块，3、DFB激光器，4、气室，5、光电探测器，6、电流电压转换模块，7、锁相放大器，8、减法器，9、增益控制模块，10、高精度基准电压发生器，11、信号采集模块，12、单片机B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

实施例：

如图1所示，一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，包括单片机A、B、温控驱动模块2、DFB激光器3、气室4、光电探测器5、电流电压转换模块6、锁相放大器7、高精度基准电压发生器10，减法器8，增益控制模块9和信号采集模块11，温控驱动模块2包括温控模块和驱动模块，其特征在于单片机A连接驱动模块，温控驱动模块2与DFB激光器3相连接，DFB激光器3位于气室4之前，气室4后面放置光电探测器5，光电探测器5输出端连接到电流电压转换模块6的输入端，电流电压转换模块6输出端和锁相放大器7相连接，单片机A连接到锁相放大器7的参考信号输入端，为锁相放大器7提供参考信号，锁相放大器7与减法器8的正相输入端相连，高精度基准电压发生器10与减法器8的负向输入端相连，增益控制模块9连接到减法器8的输出端和负向输入端之间以构成负反馈连接方式，同时增益控制模块9与信号采集模块11分别与单片机B相连接。

所述的DFB激光器3是中心波长为1368nm可调谐半导体激光器，其型号为DFB-BF14-1368-F-N-09-1-FC，它可以通过改变驱动电流及温度来共同实现波长调谐。

Claims (2)

1.一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，包括单片机A、B、温控驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相放大器、高精度基准电压发生器，减法器，增益控制模块和信号采集模块，温控驱动模块包括温控模块和驱动模块，其特征在于单片机A连接驱动模块，温控驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块输出端和锁相放大器相连接，单片机A连接到锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号，锁相放大器与减法器的正相输入端相连，高精度基准电压发生器与减法器的负向输入端相连，增益控制模块连接到减法器的输出端和负向输入端之间以构成负反馈连接方式，同时增益控制模块与信号采集模块分别与单片机B相连接。

2.如权利要求1所述的一种量程自控的微量水蒸气浓度检测系统，所述的DFB激光器是中心波长为1368nm可调谐半导体激光器，其型号为DFB-BF14-1368-F-N-09-1-FC。