專利名稱：一種基于tdlas-wms的激光紅外氣體分析儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于氣體檢測技術領域，具體涉及一種對氯化氫、甲烷、一氧化碳和水蒸氣等氣體進行檢測的基于 TDLAS-WMS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS, Wavelength modulation spectroscopy, WMS)的激光紅外氣體分析儀。
背景技術：
氯化氫是無色而有刺激性氣味的氣體。易揮發，擴散性強，易溶于水。氯化氫也是一種重要的化工原料，因此，在化工生產過程中，不可避免地會產生氯化氫的廢氣，由于氯化氫對人的眼睛和呼吸系統有強烈的刺激作用，會引起一系列的人體疾病甚至死亡。氯化 氫對環境也有一定的危害，為了盡可能的減少氯化氫氣體對人類的生產和生活造成影響，對它的監測至關重要。甲烷在自然界中分布很廣，它是溫室效應中的重要氣體，溫室效應對生物及其所處環境有著很大的影響，甲烷也是煤礦生產中瓦斯氣體的主要成分，近年來，我國煤礦爆炸事故時有發生，造成了很多無法挽回的巨大損失。故對甲烷的檢測也是義不容辭的。一氧化碳是大氣中分布最廣和數量最多的污染物，也是燃燒過程中生成的重要污染物之一。一氧化碳具有毒性，一氧化碳進入人體之后會和血液中的血紅蛋白結合，從而使血紅蛋白不能與氧氣結合，引起機體組織出現缺氧，導致人體窒息甚至死亡。因為一氧化碳是無色、無味的氣體，很容易被人們忽略而致中毒。所以要重視對一氧化碳檢測。而水蒸氣即濕度與人們的日常生活密切相關，同時濕度也對各個領域有著重要的影響，因此，對水蒸氣的檢測也具有重大的意義。紅外氣體分析儀的實質是利用特定的氣體分子對特定的紅外光譜產生吸收這一特點，把光通過氣體后的衰減量和氣體濃度聯系起來，進而把濃度信號轉變為光信號，最終轉變為電信號。采用可調諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy, TDLAS)結合波長調制光譜(Wavelength modulation spectroscopy,WMS)技術對氣體濃度進行測量，具有靈敏度高、選擇性好、長期穩定性等優點。其基本原理是利用激光器的電流調諧和溫度調諧的特性，使激光器的輸出波長掃描待測氣體的某一吸收峰，同時對激光器進行調制，根據諧波信號與氣體濃度的相關性進行檢測。但是此技術也存在缺點調節激光器的注入電流實現波長掃描和調制的同時將引起激光功率的變化，即產生強度調制現象，從而影響測量的精度。為了消除強度調制現象，一般采用諧波比值法。由于諧波峰值隨階次的升高而變小，因而通常利用一次諧波信號對二次諧波信號進行歸一化處理。這種辦法雖然可以消除光強、光電增益等公共項，但無法從根本上消除強度調制現象。而且還需測量強度調制與波長調制的相位差、調制一次項與二次項系數等，增加了系統的復雜度。此外，一次諧波的波形不穩定，用二次諧波和一次諧波比值的檢測方法會使得測得的濃度值更加的不穩定，從而增大測量的誤差。
發明內容
本發明的目的是依據紅外吸收原理(朗伯-比爾定律)，基于TDLAS-WMS方法檢測氯化氫、甲烷、一氧化碳和水蒸氣濃度。本發明針對測量中存在的強度調制現象，提出了一種新的解決方法，即利用除法運算結合空間雙光路差分檢測方法，從根本上消除強度調制現象，克服常規方法的缺點。本發明所采用的技術方案是將TDLAS (可調諧二極管激光吸收光譜)與WMS (波長調制光譜)相結合。在本質上是通過改變激光器的發射波長，使其光譜掃描待測氣體的吸收躍遷譜線。在實驗中，首先通過調整激光器的工作溫度，使激光器的輸出的光波長在吸收躍遷的中心波長位置附近，然后，調節驅動激光器的電流再對波長進一步地精細調節，目的是使激光器發射的中心波長盡可能與吸收譜線中心對準。在確定了工作溫度與直流偏置電流
后，需要使直流電流周期性地緩慢變化，以實現激光波長對整個躍遷譜線的掃描。為了減小系統中的1/f 噪聲，采用頻率調制技術將待測信號頻率調制到高頻區域；為了消除強度調制以及光強波動等因素的干擾，采用了除法運算與一般的空間雙光路差分檢測法相結合的技術；采用鎖相放大技術是為了提取二次諧波信號，根據二次諧波信號與氣體濃度的線性關系，實現對氣體濃度的檢測。本發明的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，由激光器(內部集成了一個激光二極管，一個熱敏電阻和一個熱電制冷器)、激光器驅動電路、溫度控制電路、帶有光學腔體的光學系統、兩個紅外探測器(一個主探測器和一個參考探測器)、強度調制消除電路、鎖相放大電路和數據采集與顯示電路組成，其中激光器驅動電路連接激光器，并對激光器進行調制和調諧，使激光器的輸出波長能夠掃描待測氣體的吸收躍遷譜線，同時也減小了系統的1/f噪聲；溫度控制電路與激光器相連接，并能夠在(TC 70°C范圍內調節激光器的溫度，防止激光器因溫度過高或過低而損壞；帶有光學腔體的光學系統的一端連接激光器，另一端連接紅外探測器，激光器發出的光在光學系統中被等分成兩束，一路經過光學腔體被光學腔體內的待測氣體吸收后，傳送到主探測器，一路直接傳送到參考探測器；紅外探測器將接收到的光信號轉變成電流信號；強度調制消除電路連接紅外探測器，將紅外探測器輸出的電流信號轉換成電壓信號，同時利用除法運算與一般的空間雙光路差分檢測法相結合的技術，消除因波長掃描和調制而引起的激光功率的變化，即強度調制對電壓信號的影響；鎖相放大電路連接強度調制消除電路，主要是提取二次諧波信號，并將信號放大20倍左右；數據采集與顯示電路連接鎖相放大電路，根據二次諧波信號的峰值與氣體濃度的線性對應關系，利用最小均方誤差準則，將二次諧波信號峰值與光學腔體內待測氣體的濃度值進行擬合，最終通過顯示電路顯示測得的氣體濃度。其中，激光器為分布反饋半導體量子級聯激光器或者分布反饋半導體量子阱激光器，它還包括一個熱敏電阻和一個熱電制冷器TEC;熱敏電阻作為溫度感應元件，感應量子級聯激光器或者量子阱激光器的溫度。熱電制冷器作為溫度調節元件，主要用于改變量子級聯激光器或者量子阱激光器的溫度。其中，激光器驅動電路包括波形產生電路、加法電路和壓控恒流源電路。波形產生電路的輸出端連接加法電路，加法電路將波形產生電路輸出的電壓信號疊加，加法電路的輸出端與壓控恒流源電路相連接，壓控恒流源電路的輸出端連接激光器，驅動激光器發光。基于上述，波形產生電路包括三角波產生電路和正弦波產生電路，產生波長掃描的三角波與波長調制的正弦波，同時還產生兩個分別與三角波和正弦波同頻的方波，作為數據采集的觸發源以及鎖相放大電路的參考頻率，利用單片集成函數發生器ICL8038實現三角波和正弦波產生電路。其中，溫度控制電路包括溫度采集與控制單元、溫度顯示單元、鍵盤單元、溫度存儲單元，溫度采集與控制單元作為溫度控制電路的核心，分別連接溫度顯示單元、鍵盤單元以及溫度存儲單元。其中，光學系統由光纖適配器、光隔離器、光分束器、光衰減器、準直器、光學腔體、光纖連接而成。激光器發出的光經過光纖適配器進入光學系統，光纖適配器的一端連接光隔離器，光隔離器的另一端連接光分束器；光分束器的一個輸出端通過準直器連接光學腔體，光學腔體的輸出通過準直器連接光纖適配器，該光纖適配器連接測量光路的紅外探測器(主探測器)；光分束器的另一個輸出端連接光衰減器，光衰減器連接另一個光纖適配器，該光纖適配器連接參考光路的紅外探測器(參考探測器)，其中光學系統各部分之間通過光纖連接。 基于上述，光學腔體是一個長方體，高度和寬度相同，內部設計為圓柱形，頂端有一個進氣口(外螺紋)、一個出氣口(外螺紋)以及一個氣壓計接口(內螺紋)，為了防止腐蝕與生銹，整個氣室采用不銹鋼材料制成。其中，強度調制消除電路包括光電轉換電路、減法電路、除法電路、同步信號累積電路，光電轉換電路連接紅外探測器，光電轉換電路的輸出連接減法電路，減法電路的輸出連接除法電路，除法電路的輸出連接同步信號累積電路。光電轉換電路將電流信號轉換成電壓信號，減法電路的主要作用是提取待測電壓信號(主探測器)和參考電壓信號(參考探測器)的差值即變化量，進而消除背景噪聲，而除法電路對電壓信號差值和參考信號值進行除法運算，進一步消除光源自身波動以及驅動電路的波動引入的干擾。本發明引入同步信號累積電路，則是利用待測信號的周期性和噪聲的隨機性，用采樣時間極短的采樣積分器周期地采樣。這樣，對于待測信號，由于間隔固定時間，每次采到的數值相同，它的積分平均值仍然為該信號此刻的瞬時值；而對于噪聲信號，由于其具有隨機性，隨著采樣次數的增加，其平均值將變小。從而弱化了隨機噪聲，大大地提高了信噪t匕。而周期性噪聲干擾則在相關檢測過程中被抑制，這樣周期與非周期性噪聲都得到了削弱。其中，鎖相放大電路主要包括相敏檢波電路和低通濾波電路。相敏檢波電路的輸出連接低通濾波電路，低通濾波電路的輸出連接數據采集與顯示電路的輸入端。鎖相放大電路利用待測信號與參考信號相關，而噪聲與參考信號不相關的特性，很好地抑制了噪聲。其中，數據采集與顯示電路包括模數(Analog to Digital,A/D)轉換電路、按鍵控制電路、微控制器(Micro Control Unit，MCU，單片機)和顯示電路，其中微控制器分別連接A/D轉換電路、按鍵控制電路和顯示電路。本發明的有益效果是，在檢測氣體濃度時，采用簡單的方法消除了強度調制的影響，很大程度地提高了測量的精度。本發明采用鎖相放大技術，鎖相放大是基于相關檢測技術的信號處理方法，能有效地提取微弱信號。本發明具有溫度控制電路，可以有效的控制激光器的溫度，避免因溫度過高或過低而損壞紅外光源。本發明分別對激光器和探測器進行供電，避免因電源電壓的不穩定而對紅外光強帶來影響。本發明在測量待測氣體濃度時，是取一定范圍內的已知濃度的氣體，然后根據二次諧波信號的峰值與氣體濃度的線性對應關系，利用最小均方誤差準則，將測得的二次諧波信號峰值與氣體濃度值進行擬合，得到二次諧波信號峰值與氣體濃度值的關系曲線。在進行具體的測量時，根據測得的二次諧波信號峰值和關系曲線，線性插值，最終得到待測氣體的濃度。
圖I :紅外氣體分析儀的整體結構圖； 圖2 :激光器的驅動電路圖；圖3 :激光器溫度控制電路結構圖；圖4 :光學系統結構圖；圖5:光學腔體結構圖；圖6 :強度調制消除電路圖；圖7 :鎖相放大電路圖；圖8 :數據采集與顯示電路圖；圖9 :甲烷2v3泛頻帶的R (3)支帶的精細結構圖；圖10 :二次諧波信號與氣體濃度的關系圖。
具體實施例方式現結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細的說明。圖I為紅外氣體分析儀的整體結構示意圖；其中三角波產生電路1，正弦波產生電路2，加法電路3，壓控恒流電路4是激光器6的驅動電路，控制激光器發光；溫度控制電路5通過激光器6中的熱敏電阻和熱電制冷器調節激光器的溫度，避免激光器因溫度過高或過低而損壞；從激光器6中發出的光經過光學系統7傳送到主探測器8和參考探測器9中，通過強度調制消除電路10將接收到的光信號轉換為電壓信號；電壓信號依次通過鎖相放大電路11，A/D電路12，單片機(MCU)電路13的處理，最終將測得的濃度值在液晶14上顯
/Jn o上述紅外氣體分析儀的激光器驅動電路的具體電路圖如圖2所示。掃描三角波通過改變激光器的發射波長使其光譜掃描待測氣體的吸收躍遷譜線；調制正弦波利用頻率調制技術將待測信號頻率調制到高頻區域，根據1/f 噪聲的特性，頻率越高，噪聲越小，從而達到減小1/f噪聲的效果。掃描三角波和調制正弦波的產生使用的是集成函數發生器ICL8038芯片(Ul和U2)，只需要很少的外圍器件就可以在0. OOlHz 300KHz的頻率范圍內產生三角波(3腳輸出)、正弦波(2腳輸出)、方波(9腳輸出)。它的輸出信號頻率由4腳和5腳連接的電阻以及10腳連接的電容共同確定。其中圖a是正弦波產生電路，正弦波的輸出幅值為2.63V，頻率為5KHz，芯片外圍電路包括電阻 Rl, R2, R3, R4, R5, Rll, R12, R13, R14 和電容 Cl, C2,電阻 Rl, R2, R5 和電容Cl主要負責正弦波的輸出頻率。芯片Ul的(I)腳和(12)腳分別連接電位器Rll和R14的調節端，通過調整圖c中Rll和R14的阻值，可以減小正弦波的失真度。芯片Ul的(2)腳連接C2的一端，C2的另一端與R4相連，C2的另一端輸出的是正弦波信號；R16的一端與C2的輸出端連接，用于調節正弦波信號的電壓值；(4)腳、(5)腳分別連接電阻R1、R2的一端，R1、R2的另一端分別連接R5的兩端，(6)腳連接R5的調節端，(7)腳和(8)腳相連，(9)腳與R3相連，(9)腳處輸出的Urefl是與正弦波同頻的方波信號，Urefl作為相敏檢波的參考信號，(10)腳通過電容Cl和(11)腳相連。其中圖b是三角波產生電路，三角波的輸出幅值為3. 95V，頻率為10Hz，芯片外圍電路包括電阻R6，R7，R8，R9，RlO和電容C3，C4，電阻R6，R7和電容C3主要負責三角波的輸出頻率。芯片U2的(3)腳連接C4的一端，C4的另一端與RlO相連，C4的另一端輸出的是三角波信號，R15的一端與C4的輸出端連接，用于調節三角波信號的電壓值，(4)腳、(5)腳分別連接電阻R6，R7的一端，R6，R7的另一端與(6)腳相連，(7)腳和(8)腳相連，(9)腳與R8相連，(9)腳處輸出的Uref2是與三角波同頻的方波信號，Uref2作為信號采樣開始與結 束的標志信號。(10)腳連接電容C3的一端，(11)腳連接電容C3的另一端，(12)腳通過電阻R9和(11)腳相連。其中圖c是正弦波失真度調節電路，Rll與R12串聯，R13與R14串聯，通過調整Rll和R14的電阻值，可以進一步減小正弦波的失真度。其中圖d是一個分壓電路，R16和R17串聯，R15，R18和R17相連，函數發生器Ul和U2產生的信號以及基準電壓源所產生的3. 3V基準電壓首先要經過電位器R15，R16，R18進行分壓，圖中tri，sine分別代表信號產生電路所輸出的三角波信號和正弦波信號。而tun.mod與dc分別是三角波、正弦波與3. 3V直流電壓經過分壓之后產生的掃描、調制與直流偏置電壓。其中圖e是一個加法電路，將tun、mod與dc進行疊加，qout是三者疊加后用于驅動激光器發光的電壓信號。電路采用芯片0P07 (U3)和電阻R19，R20，R21，R22實現，U3的
(2)腳連接R19，R20的一端，(2)腳通過R22和(6)腳相連，(6)腳為輸出端口，(3)腳連接R21的一端，R19，R20, R21的另一端連接電位器R15，R16，R18的調節端。其中圖f是壓控恒流源電路，由AD820芯片(U4和U5)，金屬一氧化物一半導體(metal-oxid-semiconductor, M0S)場效應晶體管，R23, R24, R25, C5, C6 組成，利用 MOS 晶體管源極輸出電流受柵極電位影響的特性驅動激光器。輸入信號通過U4的同向端進入壓控恒流電路，圖中R23負責采集注入激光器的電流并將其變成電壓值，R23的一端連接R25的一端，R23的另一端與U5的同向輸入端相連,U5的反向輸入端分別連接R24,R25的一端，U5與R24，R25 一起形成了同相輸入比例放大電路，放大R23上的電壓值，放大后的電壓會從反向端輸入U4并和代表目標電流的預設電壓進行比較，比較后的電壓值進入MOS晶體管的柵極，控制導通程度，從而達到了調整源極輸出電流的目的，MOS晶體管的漏極與激光器相連接。MOS晶體管柵極和源極之間的電容C6是為了避免自激現象的產生。圖3所示為上述紅外氣體分析儀激光器的溫度控制電路結構圖。本發明的激光器溫度控制電路，利用美國德州儀器(TI)公司生產的TMS320F28335型數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)芯片24作為核心，控制各個單元的工作。其中，激光器6，T/V變換15，A/D 16，TEC驅動電路17，D/A 18是溫度采集與控制單元，熱敏電阻作為溫度感應原件，阻值隨溫度的變化而變化，恒定電流流過熱敏電阻產生電壓變化，從而實現激光器(LD)的溫度-電壓轉換，然后將此電壓信號經過模數轉換(A/D)送入DSP等待處理，DSP將熱敏電阻采集到的表征當前溫度的數字量與表征預置溫度的數字量進行比對，調用內部的算法輸出控制量，通過數模轉換(D/A)輸出模擬量使TEC加熱或者制冷，改變激光器溫度；液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD) 19是溫度顯示單元，DSP控制IXD1602完成兩行顯示,一行為預置溫度,一行為當前溫度；BC7281鍵盤接口專用控制芯片20與矩陣鍵盤21構成鍵盤單元，設置LD的溫度、傳送加熱、制冷、啟動與停止命令給DSP，矩陣鍵盤通過BC7281鍵盤接口專用控制芯片與DSP相連；AT24C08 22和溫度碼表23組成溫度數據存儲單元，把有限多個整數溫度點以數據表的形式，存入8Kb的電可擦可編程只讀存儲器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPR0M)AT24C08 中，AT24C08 與 DSP 以 I2C 總線連接。圖4所示為上述紅外氣體分析儀的光學系統。其中，從激光器發出的光經過光纖適配器25進入光學系統。然后，經過光隔離器 26進入按照I :1分束的光纖分束器27中一分為二, 一路為主光路,另一路為參考光路,主光路的光束經準直器28耦合進入光學腔體29中，再從另一側準直器輸出由光纖適配器進入光電探測器中，轉為待處理的電流信號。參考光路的光束進入光衰減器30中，從光衰減器30輸出的光經過光纖適配器接頭進入參考光電探測器中，轉為電流信號。圖中，光纖適配器25的主要作用是負責對光纖的兩個端口進行精確對準，從而保證發射端光纖輸出的光波能以最低的衰減耦合到接收端的光纖中，使整個系統的鏈路損耗達到最小化。光隔離器26的作用是只允許光單向傳輸，也是為了減小反射損耗。參考光路的引入是為了進行信號參比以消除光強波動以及系統其他共性噪聲對檢測所造成的影響。準直器28可以將光纖斷面入射的發散光轉變成平行光，或對外部的平行光束進行聚焦，最終達到減少光傳輸過程中衰減的目的。加可變光衰減器30的目的有兩個一是為了調整參考光強對系統進行調零校準，使無氣體時輸出信號為零；二是為了對光強進行必要衰減避免它對參考探測器的光敏面造成損傷。圖5所示為上述紅外氣體分析儀的光學腔體。其中，的光學腔體是一個長方體，高度和寬度相同，內部設計為圓柱形，頂端有一個進氣口 31 (外螺紋)、一個出氣口 33 (外螺紋)以及一個氣壓計接口 32 (內螺紋)，待測氣體通過進氣口進入光學腔體，為了防腐蝕與生銹，整個氣室采用不銹鋼材料制成。圖6所示為上述紅外氣體分析儀的強度調制消除電路。利用空間雙光路差分檢測法與除法運算相結合的技術，消除強度調制以及光強波動等因素的干擾。包括探測器偏置電路、減法電路、除法電路和同步信號累積電路。其中圖g為探測器的偏置電路，采用的是LF353 (U6)芯片，U6的⑴腳連接R26的一端，R26的另一端連接U6的(2)腳，U6的(2)腳和(3)腳之間連接探測器1，U6的(5)腳和(6)腳之間連接探測器2，U6的(7)腳連接R27的一端，R27的另一端連接U6的(6)腳，U6的⑴腳和(7)腳為輸出端。此電路的工作過程如下當兩個探測器接收光時，分別產生暗電流，暗電流分別流過取樣電阻R26、R27，形成電壓值，完成光電信號的轉換。兩路探測器的偏置電路集成在一個雙運放上，這樣最大程度地降低運放溫度系數不同所帶來的影響。
其中圖h是減法電路，采用AD620 (U7)芯片，主要作用是將待測電壓信號和參考電壓信號進行減法運算，提取參考通道和待測通道信號間的差值，消除系統中的背景噪聲。U7的輸入引腳(2)腳、(3)腳連接U6的(I)腳和(7)腳，R28的一端連接U7的(I)腳，另一端連接U7的⑶腳，U7的(6)腳為輸出端，與U4的⑴腳相連接。其中圖i，j分別為參考信號緩存電路和除法電路，分別采用的是AD708 (U8)和AD734 (U9)芯片，主要作用是對參考信號進行緩存，并對信號差值和參考信號值進行除法運算，除法電路輸入的信號是去除背景噪聲的電壓信號，輸出的信號是進一步消除光源自身波動以及驅動電路的波動引入干擾的電壓信號。U8的外圍電路包括電阻R29，R30, R31，U8的⑴腳和⑵腳之間通過R29相連，(6)腳和(7)腳通過R31相連，U8的⑵腳通過R30和U9的(7)腳相連，U8的(I)腳，(3)腳，(6)腳，(7)腳分別連接U9的(6)腳，(9)腳，(4)腳和(3)腳，U9的(7)腳和(8)腳相連，U9的(11)腳和(12)腳相連，作為輸出腳。其中圖k，1，m，n分別為鎖相與倍頻電路，放大電路，計數器電路，多路開關電路。此電路中，UlO采用的是0P07芯片，將消除噪聲的電壓信號放大兩倍，UlO的(2)腳通過R32 和U9的輸出端相連，通過R33與(6)腳相連，信號由UlO的(6)腳輸出，接入U13的(3)腳。Ull，U12，U13對信號進行同步累積，Ull是鎖相與倍頻模塊，對輸入信號進行鎖相與8倍頻處理。采用的是HEF4046芯片，它外接電阻R34，R35，R36和C15，C16。輸入Ull(14)腳的是與正弦波同頻的方波信號，由Ull (4)腳輸出倍頻信號，倍頻信號輸入計數器芯片CD4520(U12)的(I)腳作為時鐘信號，產生1、2、3……8點的順序門控脈沖來控制多路開關⑶4051(U13)，使其8個通道以ref I周期的1/8為時間間隔輪流導通，獲得8個點，再將這8個點的瞬間波形分別存儲于C7 C14中，進行求和與平均，由于掃描信號與有用信號頻率與相位相同，因此得到的波形穩定、清晰。圖中Ull的(3)腳和U12的(5)腳、U13的(9)腳相連，Ull的⑷腳和U12的⑴腳相連，Ull的(6)腳和(7)腳之間通過C15相連，Ull的
(11)腳和(12)腳之間通過R35，R36相連，Ull的(9)腳和(13)腳之間通過R34相連，Ull的(9)腳同時與電容C16連接。U12的(3)腳、⑷腳、(5)腳與U13的(11)腳、(10)腳、
(9)腳相連，U13的(I)腳，(2)腳，(4)腳，(5)腳，(12)腳，(13)腳，(14)腳，(15)腳分別和電容C7 C14的一端相連，電容的另一端連接到一起，并與UlO的(2)腳相連。圖7所示為上述紅外氣體分析儀鎖相放大電路的核心部分，包括相敏檢波電路P和低通濾波電路Q，利用鎖相放大技術提取二次諧波信號，根據二次諧波信號與氣體濃度的線性關系，實現對氣體濃度的檢測。其中U14采用平衡調制/解調器AD630來實現相敏檢波。將待測信號和參考信號輸入到相敏檢波器內部，在內部進行相關運算，具體作用是提取二次諧波信號。待測電壓從⑴腳和(16)腳輸入，(9)腳參考信號f2取自圖6中同步累積電路Ull的⑷腳，(10)腳與R37，R38相連，(13)腳輸出相關運算后的信號，(14)腳和(17)腳相連，(15)腳，(19)腳，(20)腳相連在一起。U15采用普通的CA3140E運放設計了一個二階壓控電壓源，低通濾波電路的截止頻率為6. 4KHz, R39、R40、C17、C18構成了兩階RC低通濾波環節，R4UR42構成的比例放大環節將輸入電壓信號放大兩倍，此放大倍數等于整個低通濾波電路的通帶增益。圖中輸入信號連接R39的一端，R39的另一端連接R40的一端，R40的另一端連接U15的(3)腳，R40的另一端同時連接C18，R39的另一端同時連接C17的一端，C17的另一端連接U15的(6)腳，U15的(6)腳連接R42的一端，R42的另一端連接U15的(2)腳和R41，U15的(6)腳為輸出端，連接控制器的模數轉換輸入端，進行后期的處理和顯示。圖8所示為上述紅外氣體分析儀的數據采集與顯示電路圖，包括控制電路R，顯示電路S，A/D電路T。其中U16為數據采集與顯示電路的控制芯片，采用的是STC89C51型號的單片機，U17為A/D轉換電路，使用的是ADC0809芯片，U18作為顯示電路，使用的是IXD1602液晶顯示器。通過在控制芯片U16內部編寫程序來驅動A/D轉換電路U17和顯示電路U18的正常工作，U16的I 8腳分別連接U18的7 14腳，作為IXD顯示的輸出腳，U16的10 14腳分別連接U17的6，9，7，10，22腳，作為A/D采樣的信號控制腳，U16的15 17腳連接U17的23 25腳，作為A/D轉換中信號輸入通道端口的選擇腳，U16的21 23腳連接U18的4 6腳，作為IXD顯示的控制引腳，U16的24，26腳分別連接兩個按鍵K2，K1，主要用來控制濃度的顯示，U16的28腳與U2的9腳相連，是信號采樣開始與結束的控制引腳，U16的 32 39腳分別連接U17的21，20，19，18，8，15，14，17腳，作為A/D采樣信號的輸入腳。U18的I腳和2腳通過可變電阻RVl相連，U18的3腳與可變電阻RVl的可變端相連。圖9所示是甲烷2%泛頻帶的R(3)支帶的精細結構圖本發明以甲烷氣體為例，進一步說明對氣體濃度的檢測過程。甲烷氣體在I IOym的光譜范圍內共有四個吸收帶。吸收最強的兩個是甲烷的基頻帶，中心波長分別為3. 31 ii m和7. 65 u m。吸收弱的是v3+v4組合帶和2v3泛頻帶，中心波長分別為2. 31iim和1.65iim。選擇2V3帶R(3)支帶，它包括3根譜線。圖10所示為上述紅外氣體分析儀的二次諧波信號峰值與氣體濃度的關系圖。本發明在常溫常壓,溫度為296K,壓力為I個大氣壓下,對濃度分別為50ppm 5000ppm范圍內的甲烷氣體進行了測量。其中50ppm 500ppm濃度范圍內，濃度步進量為50ppm, 500ppm 5000ppm范圍內，濃度步進量為500ppm。具體測量情況以500ppm的待測氣體為例，采用中心波長為I. 65um的半導體激光器，激光器的驅動電路驅動激光器發光，為了保證激光器的正常工作，溫度控制電路將激光器的溫度控制在25°C。待測甲烷氣體通過進氣口進入氣室中，經過吸收的紅外光被主探測器接收，未經過甲烷氣體吸收的紅外光直接被參考探測器吸收，兩者都轉換成電信號，經過強度調制消除電路，消除背景噪聲以及光強波動的影響，然后待測信號進入鎖相放大器，提取二次諧波信號，測得的二次諧波信號峰值為863. 42mv。在得到全部濃度對應的二次諧波信號峰值后，對二次諧波信號峰值和氣體濃度進行線性擬合，擬合方程為y=0. 6x-4. 5，其中X為二次諧波信號峰值，y為氣體濃度值。在測量未知濃度的氣體時，將測得的二次諧波信號峰值代入擬合方程，從而可以得到氣體的濃度，最終通過數據采集與顯示電路，將氣體濃度顯示在LCD上。
權利要求
1.一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，由激光器、激光器驅動電路、溫度控制電路、帶有光學腔體的光學系統、紅外探測器、強度調制消除電路、鎖相放大電路和數據采集與顯示電路組成，其特征在于激光器驅動電路連接激光器，并對激光器進行調制和調諧，使激光器的輸出波長能夠掃描待測氣體的吸收躍遷譜線，同時減小系統的1/f噪聲；溫度控制電路與激光器相連接，在0°c 70°C范圍內調節激光器的溫度，防止激光器因溫度過高或過低而損壞；帶有光學腔體的光學系統的一端連接激光器，另一端連接紅外探測器；紅外探測器包括主探測器和參考探測器；激光器發出的光在光學系統中被等分成兩束，一束經過光學腔體被光學腔體內的待測氣體吸收后，傳送到主探測器，另一束直接傳送到參考探測器，紅外探測器將接收到的光信號變成電流信號；強度調制消除電路連接紅外探測器，將紅外探測器輸出的電流信號轉換成電壓信號，同時利用除法運算與空間雙光路差分檢測法相結合的技術，消除因波長掃描和調制而引起的激光功率的變化即強度調制對電壓信號的影響；鎖相放大電路連接強度調制消除電路，提取二次諧波信號，并將該信號放大；數據采集與顯示電路連接鎖相放大電路，根據二次諧波信號的峰值與氣體濃度的線性對應關系，利用最小均方誤差準則，將二次諧波信號峰值與光學腔體內待測氣體的濃度值進行擬合，最終通過顯示電路顯示測得的氣體濃度。
2.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于激光器為分布反饋半導體量子級聯激光器或者分布反饋半導體量子阱激光器，它還包括一個熱敏電阻和一個熱電制冷器TEC;熱敏電阻作為溫度感應元件，感應量子級聯激光器或者量子阱激光器的溫度；熱電制冷器作為溫度調節元件，用于改變量子級聯激光器或者量子講激光器的溫度。
3.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于激光器驅動電路包括波形產生電路、加法電路和壓控恒流源電路；波形產生電路的輸出端連接加法電路，加法電路將波形產生電路輸出的電壓信號疊加，加法電路的輸出端與壓控恒流源電路相連接，壓控恒流源電路的輸出端連接激光器，驅動激光器發光；波形產生電路包括三角波產生電路和正弦波產生電路，產生波長掃描的三角波與波長調制的正弦波，同時還產生兩個分別與三角波和正弦波同頻的方波，作為數據采集的觸發源以及鎖相放大電路的參考頻率。
4.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于帶有光學腔體的光學系統由光纖適配器、光隔離器、光分束器、光衰減器、準直器、光學腔體和光纖連接組成，激光器發出的光經過光纖適配器進入光學系統，光纖適配器的一端連接光隔離器，光隔離器的另一端連接光分束器；光分束器的一個輸出端通過準直器連接光學腔體，光學腔體的輸出通過準直器連接光纖適配器，該光纖適配器連接紅外探測器的主探測器；光分束器的另一個輸出端連接光衰減器，光衰減器連接另一個光纖適配器，該光纖適配器連接紅外探測器的參考探測器；光學系統各部分之間通過光纖連接。
5.如權利要求I或4所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于光學腔體是一個長方體，高度和寬度相同，內部設計為圓柱形，頂端有一個帶有外螺紋的進氣口、一個帶有外螺紋的出氣口和一個帶有內螺紋氣壓計接口，整個氣室采用不銹鋼材料制成。
6.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀,其特征在于強度調制消除電路由光電轉換電路、減法電路、除法電路和同步信號累積電路組成，光電轉換電路的輸入連接紅外探測器，光電轉換電路的輸出連接減法電路，減法電路的輸出連接除法電路，除法電路的輸出連接同步信號累積電路；光電轉換電路將紅外探測器的電流信號轉換成電壓信號，減法電路提取主探測器的待測電壓信號和參考探測器的參考電壓信號的差值即變化量，進而消除背景噪聲，而除法電路對電壓信號差值和參考信號值進行除法運算，進一步消除光源自身波動以及驅動電路的波動引入的干擾；同步信號累積電路是利用待測電壓信號的周期性和噪聲信號的隨機性，使得隨著采樣次數的增加，噪聲的平均值將變小，從而弱化隨機噪聲，提高信噪比。
7.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于鎖相放大電路由相敏檢波電路和低通濾波電路組成，相敏檢波電路的輸出連接低通濾波電路，低通濾波電路的輸出連接數據采集與顯示電路的輸入端；鎖相放大電路利用待測電壓信號與參考電壓信號相關，而噪聲與參考電壓信號不相關的特性，起到很好地抑制噪聲的作用。
8.如權利要求I所述的一種基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀，其特征在于在測量待測氣體濃度時，是取一定范圍內的已知濃度的氣體，然后根據二次諧波信號的峰值與氣體濃度的線性對應關系，利用最小均方誤差準則，將測得的二次諧波信號峰值與氣體濃度值進行擬合，得到二次諧波信號峰值與氣體濃度值的關系曲線；然后在進行具體的測量時，根據測得的二次諧波信號峰值和上述關系曲線，線性插值，最終得到待測氣體的濃度。
全文摘要
本發明屬于氣體檢測技術領域，涉及一種對氯化氫、甲烷、一氧化碳和水蒸氣等氣體進行檢測的基于TDLAS-WMS的激光紅外氣體分析儀。包括激光器、激光器驅動電路、溫度控制電路、帶有光學腔體的光學系統、主探測器和參考探測器、強度調制消除電路、鎖相放大電路和數據采集與顯示電路；激光器驅動電路和溫度控制電路用于控制激光器發光，光學系統的兩端分別連接激光器和探測器，強度調制消除電路用于消除系統中強度調制的影響，鎖相放大電路用于提取諧波信號，數據采集與顯示電路用于顯示待測氣體的濃度。本發明與其他的檢測儀相比，優點是在強度調制消除電路中，引入除法運算，結合空間雙光路差分檢測法，能夠從根本上消除強度調制的影響。
文檔編號G01N21/39GK102706832SQ201210179110
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者叢夢龍, 于鑫, 葉瑋琳, 崔艷松, 張宇, 曹峰, 李黎, 王一丁, 許文佳, 鄭傳濤 申請人:吉林大學