專利名稱：一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法
技術領域：
本發明涉及一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法，具體講是通過數字電位器反饋調節傳輸光路電信號放大倍數自動補償由于環境因素(除氣體吸收以夕卜)帶來的傳輸光光功率波動的方法。
背景技術：
微水含量的檢測在電力工業中有著重要的作用。80年代中期以來，隨著電力工業的迅速發展，六氟化硫(SF6)電氣設備得到了廣泛的應用，具體包括SF6斷路器，GIS封閉組合電器，SF6絕緣的變壓器、電壓互感器、電流互感器及各類高壓套管等。并且目前在建電壓等級IlOkv及以上的項目中，基本上都使用SF6開關設備。這些電氣設備在電力系統中，起著非常重要的作用，其運行的可靠性不僅關系到SF6電氣設備本身，而且影響其他設備，甚至整個電網的安全。在運行中，SF6氣體受電弧放電或高溫后，會分解成單體的氟、硫和氟硫化合物，電弧消失后會又化合成穩定的SF6氣體。但是當氣體中含有水分時，氟硫化合物會與水反應生成腐蝕性很強的氫氟酸、硫酸和其他毒性很強的化學物質等，從而腐蝕電氣設備，降低設備絕緣能力，危及維護人員的生命安全。要完全清除儀器內SF6氣體的水分是不可能的，但是時刻掌握SF6氣體微水含量，采取相應的預防控制措施，減少SF6氣體中的水分，可以保證和提高斷路器的安全運行可靠性。除電力系統高壓開關柜中微水含量，變壓器油中的水氣體濃度檢測也是不可缺少的。利用紅外光譜吸收技術對SF6斷路器中水分含量進行檢測，其優點是反應速度快，靈敏度高，并可實現在線檢測。但是由于光器件如激光器、耦合器，準直器，光纖容易受到溫度，應力環境因素變化的影響而改變光發生功率和光耦合效率，使通過氣室后的傳輸光光強發生變化，從而與氣體吸收損耗帶來的光強變化混淆，帶來測量誤差。影響了紅外光譜吸收技術的測量精度與長期穩定性。論文“溫度對光纖準直器的角度偏移影響分析”[孫鳴捷光子學報第35卷第10期2006年10月1509-1512頁]中提到溫度對光線準直器的影響；論文“熔錐光纖耦合器的溫度響應”[李川，張以謨，劉鐵根，丁勝傳感技術學報第14卷第3期2001年9月196-198頁]中提到溫度對光纖耦合器的影響。
發明內容
為克服現有技術中存在的不足和缺陷，本發明提出了一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法，數字電位器反饋調節放大電路中的電信號放大倍數來自動補償由于環境因素(除氣體吸收以外)帶來的傳輸光路中光功率的波動，克服了由此帶來的系統測量誤差。本發明的技術方案是按以下方式實現的:一種紅外氣體檢測系統，包括溫控電路、電流驅動電路、DFB激光器、氣室、光電探測器、參考電路、放大電路、數字電位器、差分電路、濾波電路和微處理器；其特征在于DFB激光器位于氣室之前，氣室另一端接光電探測器的輸入端，光電探測器的輸出端與放大電路連接，放大電路的輸出端與參考電路的輸出端分別連接到差分電路的輸入端，差分電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接微處理器，溫控電路連接到DFB激光器，電流驅動電路一邊連接微處理器，另一邊連接DFB激光器，電流驅動電路的驅動信號由微處理器發出，利用溫控電路與電流驅動電路對DFB激光器進行電流驅動及溫度驅動；數字電位器的輸入端連接微處理器，數字電位器的輸出端連接到放大電路的負反饋增益控制端，通過微處理器動態控制調節數字電位器的電阻值來改變放大電路的負反饋增益，從而控制放大電路的放大倍數；所述的溫控電路是由設置在DFB激光器內部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在DFB激光器上的半導體制冷器(Tec)相連接；所述的放大電路為集成雙運放芯片0PA2604 ；所述的電流驅動電路由微處理器的DA與集成運放LM358芯片連接而成；所述的參考電路由微處理器的DA與集成雙運放芯片0PA2604連接而成。所述的光電探測器是PIN光電探測器。所述的差分電路為精密儀表運放8221芯片。所述的濾波電路為通用有源濾波器芯片UAF42，是低通濾波器結構。所述的微處理器為LPC1758芯片。所述的DFB 激光器是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封裝(Distributed FeedbackLaser)分布式反饋激光器,波長為1370±2nm。所述的數字電位器為maxin生產的max5388，256位，50K歐量程數字電位器。利用上述檢測系統對氣室進行水氣檢測的過程，步驟如下:I)將檢測系統連接好；接通各電路模塊與單片機的電源，調試光路與電路使其正常工作；待測氣體沖入氣室；2)將溫控電路中電橋電阻設定為一固定值后不變以實現對DFB激光器的恒溫控制:利用微處理器產生在0.03S內電流變化48mA，變化過程從24mA由低到高升溫到72mA，然后再從72mA由高到低到24mA往復進行，設定的電流變化范圍是以在微處理器中對應的輸出電壓為三角波的形式來實現的；由于DFB激光器驅動電流變化會導致DFB激光器的輸出波長的變化，在微處理器中設置的電壓變化輸出使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含即24mA到72mA之間的電流變化使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含了水汽吸收峰1368.597nm的波長；3)調節傳輸光電路的放大電路及差分電路的放大倍數，調整時用示波器觀察其輸出信號，使輸出電壓在吸收峰之外的幅度為Omv到IOOmv范圍內，在吸收峰處的電壓在3V以下，以滿足微處理器采集的信號幅值要求；4)放大倍數調整好之后，經濾波電路由微處理器采集出經水汽吸收后在波長1368.597nm處與無吸收處產生的信號，經過微處理器計算出這兩個信號的差值并存儲該差值，上述采集、計算及存儲過程重復1000次，取平均值后用微水儀擬合出的差值與水汽含量的關系即可用微處理器計算出水氣濃度；5)待測氣體檢測完畢，關閉電源。本發明的系統檢測的最終吸收峰波形是由兩路三角波信號通過差分電路相減后獲得，一路為光信號通過光電探測器后轉換為的電信號，另一路為參考電路產生的模擬電信號，圖1上半部分表示正常情況下相減后的最終吸收峰波形，A，B點均為無吸收的波長位置，應在同一水平線上，當環境因素(如溫度，應力)變化時，通過氣室的信號光強度會發生增強或者衰減，即進入差分電路的一路三角波(光信號轉換的一路)會增大或減小，而參考電路產生的模擬三角波電信號始終不變(純電信號受環境影響很小，變化可以忽略)，這就導致了最終吸收峰波形發生畸變，如光強增強時，相當于被減得三角波增大，微處理器采集到的最終波形信號會由圖1的上部分波形變化為下部分波形，波形發生畸變會使微處理器計算差值發生變化，從而給測量系統帶來測量誤差，為了解決該問題，采用基于數字電位器實時補償環境因素變化對檢測系統的影響。一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法，步驟如下:1)，數字電位器的輸入端連接到微處理器，數字電位器的輸出端連接到放大電路的負反饋增益控制端，利用微處理器實時改變數字電位器電阻來改變放大電路的放大倍數，通過放大電路放大倍數的反向同比例變化補償光強的變化，使得放大電路輸入差分電路中的一路三角波信號保持不變；2)兩路三角波電信號,包括一路為參考電路產生的模擬三角波電信號，另一路為傳輸光光電轉換后經放大電路放大的三角波信號，經過差分電路差分后得到的吸收峰波形為微處理器最終采集的波形，系統工作在正常狀態時，即無環境因素改變時，最終采集波形中氣體吸收峰兩側應在同一水平位置(氣體吸收峰兩側對應波長均不在特征吸收區域，無吸收衰減)，當環境因素變化時，傳輸光光強變化，該路進入差分電路的三角波變化，波形畸變，氣體吸收峰兩側在水平方向上發生錯位；在微處理器芯片中進行判斷；3)當環境因素改變，傳輸光光強減弱時，通過微處理器增大數字電位器阻值，使放大電路放大倍數增大，用反向同比例增大電路放大倍數的方法補償光強的衰減，氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止；4)當環境因素改變，傳輸光光強增強時，通過微處理器減小數字電位器阻值，使放大電路放大倍數減小，用反向同比例減小電路放大倍數的方法補償光強的增強，使氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止；5)上述調整I分鐘進行一次，能實時消除環境因素變化對系統影響，改善系統穩定性。本發明具有以下的優點:本發明方便安裝，結構簡單。通過控制放大器放大倍數的數字電位器實時反饋調節，消除了環境變化以及光源的不穩定的影響，在溫差較大的環境也可以運行，精確度與靈敏度高，響應時間短，能及時監控水汽濃度，操作簡便，無污染，只要改變波長范圍，這種辦法同時可以應用到其他種類氣體濃度的檢測中去，應用十分廣泛。
圖1為環境因素發生改變前后，微處理器采集到波形的變化圖，上部分為系統正常工作時的波形，下部分為環境因素發生變化時的畸變波形。圖2是本發明系統的結構示意圖。其中:1、電流驅動電路，2、溫控電路，3、DFB激光器，4、氣室，5、光電探測器，6、放大電路，7、差分電路，8、參考電路，9、濾波電路，10、微處理器，11、數字電位器。圖3是數字電位器電路。CS為片選端，CLK為SPI總線時鐘端，DIN為數值輸入端。分別連接在微處理器對應GPIO管腳或者SPI總線管腳，通過微處理器控制數字電位器阻值。W、L為數字電位器電阻輸出端連接到圖4所示的放大電路W，L兩端作為增益電阻。5V電源供電與接地處均加入104電容進行濾波。圖4為放大電路電路圖，采用集成雙運放2604放大芯片完成兩級放大，光電探測器D4的負極與限流電阻R38相連接，D4的正極連接到第一級放大器的負輸入端，第一級放大器的輸出端連接反饋電阻R39作為增益控制電阻，反饋電阻R39的另一端連接到第一級放大器的負輸入端，第一級放大器的正輸入端接地，第一級放大器輸出端通過電阻R40與第二級放大器的負輸入端相接，第二級放大器的正輸入端通過IK電阻R42接地，第二級放大器的負輸入端和輸出端分別和圖3所示的數字電位器的電阻輸出端W、L端相連接，第二級放大器的輸出端連接圖5所示的差分電路的負輸入端(即Rg電阻上);放大電路的4、8腳分別連負、正12V電源，負、正12V電源與接地處之間分別連接電容C35、C33進行濾波。圖5為差分電路與濾波電路電路圖，差分電路采用運放8221芯片，其負輸入端連接電阻Rg，正輸入端連接電阻Rh，8221芯片的3腳連接電位器R的中間端和一端，電位器R的另一端連接8221芯片的2腳，電位器R能夠對差分電路進行增益控制；8221芯片的5、8腳分別連接負、正12V電源，負、正12V電源與接地處之間分別連接電容C41、C40進行濾波；8221芯片的輸出端7腳連接電阻Rm，Rm的另一端連接電阻Rn之后接地，Rm和Rn的公共端連接到濾波電路；濾波電路是有源濾波芯片UAF構成的低通濾波器，其中電阻Ri連接在濾波芯片UAF的8腳和16腳，電阻Rk連接到濾波芯片UAF的9腳和14腳，其I腳連接微處理器的A / D端進行數據采集，2腳、15腳接地，10腳、11腳分別連接負、正12V電源，負、正12V電源與接地處之間分別連接電容C43、C42進行濾波；低通濾波器中由Ri，Rk, Rm, Rn的阻值來決定濾波截止頻率。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。實施例1:本發明實施例1如圖2所示:一種紅外氣體檢測系統，包括電流驅動電路1、溫控電路2、DFB激光器3、氣室4、光電探測器5、放大電路6、差分電路7、參考電路8、濾波電路9、微處理器10、數字電位器11，其特征在于DFB激光器3位于氣室4之前，氣室4另一端接光電探測器5的輸入端,光電探測器5的輸出端與放大電路6連接,放大電路6的輸出端與參考電路8的輸出端分別連接到差分電路7的輸入端，差分電路7的輸出端連接濾波電路9的輸入端，濾波電路9的輸出端連接微處理器10，溫控電路2連接到DFB激光器3，電流驅動電路I 一邊連接微處理器10，另一邊連接DFB激光器3，電流驅動電路I的驅動信號由微處理器10發出，利用溫控電路2與電流驅動電路I對DFB激光器3進行電流驅動及溫度驅動；數字電位器11的輸入端連接微處理器10，數字電位器11的輸出端連接到放大電路6的負反饋增益控制端，通過微處理器10動態控制調節數字電位器11的電阻值來改變放大電路6的負反饋增益，從而控制放大電路6的放大倍數；所述的溫控電路2是由設置在DFB激光器3內部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在激光器上的半導體制冷器(Tec)相連接；所述的放大電路6為集成雙運放芯片0PA2604 ；所述的電流驅動電路I由微處理器的DA與集成運放LM358芯片連接而成；所述的參考電路8由微處理器的DA與集成雙運放芯片0PA2604連接而成。所述的光電探測器5是PIN光電探測器。所述的差分電路7為精密儀表運放8221芯片。所述的濾波電路9為通用有源濾波器芯片UAF42，是低通濾波器結構。所述的微處理器10為LPC1758芯片。所述的DFB 激光器 3 是 WSLS-137010C1424-20 蝶型封裝(Distributed FeedbackLaser)分布式反饋激光器,波長為1370±2nm。所述的數字電位器11為maxin生產的max5388，256位，50K歐量程數字電位器。實施例2:利用上述檢測系統對氣室進行水氣檢測的過程，步驟如下:I)將檢測系統連接好；接通各電路模塊與單片機的電源，調試光路與電路使其正常工作；待測氣體沖入氣室；2)將溫控電路中電橋電阻設定為一固定值后不變以實現對DFB激光器的恒溫控制:利用微處理器產生在0.03S內電流變化48mA，變化過程從24mA由低到高升溫到72mA，然后再從72mA由高到低到24mA往復進行，設定的電流變化范圍是以在微處理器中對應的輸出電壓為三角波的形式來實現的；由于DFB激光器驅動電流變化會導致DFB激光器的輸出波長的變化，在微處理器中設置的電壓變化輸出使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含即24mA到72mA之間的電流變化使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含了水汽吸收峰1368.597nm的波長；3)調節傳輸光電路的放大電路及差分電路的放大倍數，調整時用示波器觀察其輸出信號，使輸出電壓在吸收峰之外的幅度為Omv到IOOmv范圍內，在吸收峰處的電壓在3V以下，以滿足微處理器采集的信號幅值要求；4)放大倍數調整好之后，經濾波電路由微處理器采集出經水汽吸收后在波長1368.597nm處與無吸收處產生的信號，經過微處理器計算出這兩個信號的差值并存儲該差值，上述采集、計算及存儲過程重復1000次，取平均值后用微水儀擬合出的差值與水汽含量的關系即可用微處理器計算出水氣濃度；5)待測氣體檢測完畢，關閉電源。一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法，步驟如下:I)數字電位器的輸入端連接到微處理器，數字電位器的輸出端連接到放大電路的負反饋增益控制端，利用微處理器實時改變數字電位器電阻來改變放大電路的放大倍數，通過放大電路放大倍數的反向同比例變化補償光強的變化，使得放大電路輸入差分電路中的一路三角波信號保持不變；2)兩路三角波電信號,包括一路為參考電路產生的模擬三角波電信號，另一路為傳輸光光電轉換后經放大電路放大的三角波信號，經過差分電路差分后得到的吸收峰波形為微處理器最終采集的波形，系統工作在正常狀態時，即無環境因素改變時，最終采集波形中氣體吸收峰兩側應在同一水平位置(氣體吸收峰兩側對應波長均不在特征吸收區域，無吸收衰減)，當環境因素變化時，傳輸光光強變化，該路進入差分電路的三角波變化，波形畸變，氣體吸收峰兩側在水平方向上發生錯位；在微處理器芯片中進行判斷；3)當環境因素改變，傳輸光光強減弱時，通過微處理器增大數字電位器阻值，使放大電路放大倍數增大，用反向同比例增大電路放大倍數的方法補償光強的衰減，氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止；4)當環境因素改變，傳輸光光強增強時，通過微處理器減小數字電位器阻值，使放大電路放大倍數減小，用反向同比例減小電路放大倍數的方法補償光強的增強，使氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止；5)上述調整I分鐘進行一次，能實時消除環境因素變化對系統影響，改善系統穩定性。
權利要求
1.一種紅外氣體檢測系統，包括溫控電路、電流驅動電路、DFB激光器、氣室、光電探測器、參考電路、放大電路、數字電位器、差分電路、濾波電路和微處理器；其特征在于DFB激光器位于氣室之前，氣室另一端接光電探測器的輸入端，光電探測器的輸出端與放大電路連接，放大電路的輸出端與參考電路的輸出端分別連接到差分電路的輸入端，差分電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接微處理器，溫控電路連接到DFB激光器，電流驅動電路一邊連接微處理器，另一邊連接DFB激光器，電流驅動電路的驅動信號由微處理器發出，利用溫控電路與電流驅動電路對DFB激光器進行電流驅動及溫度驅動；數字電位器的輸入端連接微處理器，數字電位器的輸出端連接到放大電路的負反饋增益控制端，通過微處理器動態控制調節數字電位器的電阻值來改變放大電路的負反饋增益，從而控制放大電路的放大倍數； 所述的溫控電路是由設置在DFB激光器內部的集成的熱敏電阻和外接電阻組成的電橋、電壓比較、溫控芯片及MOS管電路組成，其中電橋連接到電壓比較器的輸入端，電壓比較器的輸出端連接到溫控芯片，溫控芯片和MOS管電路相連接，MOS管電路的輸出端和封裝在DFB激光器上的半導體制冷器相連接； 所述的放大電路為集成雙運放芯片0PA2604 ； 所述的電流驅動電路由微處理器的DA與集成運放LM358芯片連接而成； 所述的參考電路由微處理器的DA與集成雙運放芯片0PA2604連接而成。
2.如權利要求1所述的一種 紅外氣體檢測系統，其特征在于所述的光電探測器是PIN光電探測器。
3.一種利用權利要求1所述系統對氣室進行水氣檢測的過程，步驟如下: 1)將檢測系統連接好；接通各電路模塊與單片機的電源，調試光路與電路使其正常工作；待測氣體沖入氣室； 2)將溫控電路中電橋電阻設定為一固定值后不變以實現對DFB激光器的恒溫控制:利用微處理器產生在0.03S內電流變化48mA，變化過程從24mA由低到高升溫到72mA，然后再從72mA由高到低到24mA往復進行，設定的電流變化范圍是以在微處理器中對應的輸出電壓為三角波的形式來實現的；由于DFB激光器驅動電流變化會導致DFB激光器的輸出波長的變化，在微處理器中設置的電壓變化輸出使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含即24mA到72mA之間的電流變化使得DFB激光器的輸出波長變化，輸出波長的變化范圍包含了水汽吸收峰1368.597nm的波長； 3)調節傳輸光電路的放大電路及差分電路的放大倍數，調整時用示波器觀察其輸出信號，使輸出電壓在吸收峰之外的幅度為Omv到IOOmv范圍內，在吸收峰處的電壓在3V以下，以滿足微處理器采集的信號幅值要求； 4)放大倍數調整好之后，經濾波電路由微處理器采集出經水汽吸收后在波長1368.597nm處與無吸收處產生的信號，經過微處理器計算出這兩個信號的差值并存儲該差值，上述采集、計算及存儲過程重復1000次，取平均值后用微水儀擬合出的差值與水汽含量的關系即可用微處理器計算出水氣濃度； 5)待測氣體檢測完畢，關閉電源。
4.一種基于數字電位器對權利要求1所述紅外氣體檢測系統穩定性進行改善的方法，步驟如下:1)，數字電位器的輸入端連接到微處理器，數字電位器的輸出端連接到放大電路的負反饋增益控制端，利用微處理器實時改變數字電位器電阻來改變放大電路的放大倍數，通過放大電路放大倍數的反向同比例變化補償光強的變化，使得放大電路輸入差分電路中的一路三角波信號保持不變； 2)兩路三角波電信號,包括一路為參考電路產生的模擬三角波電信號，另一路為傳輸光光電轉換后經放大電路放大的三角波信號，經過差分電路差分后得到的吸收峰波形為微處理器最終采集的波形，系統工作在正常狀態時，即無環境因素改變時，最終采集波形中氣體吸收峰兩側應在同一水平位置，當環境因素變化時，傳輸光光強變化，該路進入差分電路的三角波變化，波形畸變，氣體吸收峰兩側在水平方向上發生錯位；在微處理器芯片中進行判斷； 3)當環境因素改變，傳輸光光強減弱時，通過微處理器增大數字電位器阻值，使放大電路放大倍數增大，用反向同比例增大電路放大倍數的方法補償光強的衰減，氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止； 4)當環境因素改變，傳輸光光強增強時，通過微處理器減小數字電位器阻值，使放大電路放大倍數減小，用反向同比例減小電路放大倍數的方法補償光強的增強，使氣體吸收峰兩側回到同一水平位置后，說明差分電路中光信號轉換的三角波幅值恢復到環境因素變化前三角波的大小，數字電位器阻值不再發生改變，調整停止； 5)上述調整1 分鐘進行一次，能實時消除環境因素變化對系統影響，改善系統穩定性。
全文摘要
一種基于數字電位器改善紅外氣體檢測系統穩定性的方法，屬于氣體檢測領域。包括溫控電路、電流驅動電路、DFB激光器、氣室、光電探測器、參考電路、放大電路、數字電位器、差分電路、濾波電路、微處理器。其特征在于利用數字電位器作為放大電路的增益電阻，通過微處理器采集到的最終波形的變化經過軟件處理后，反饋調節數字電位器的阻值來改變傳輸光路電信號的放大倍數，達到自動補償由于環境因素(除氣體吸收以外)帶來的通過氣室的傳輸光光功率波動的目的，克服了由此帶來的系統測量誤差。本發明結構簡單，實現容易，具有長期穩定性高，對系統環境變化不敏感的特點，可以廣泛的應用于自由光路與光纖氣體檢測領域。
文檔編號G01N21/35GK103149172SQ20131006419
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者常軍, 朱存光, 王朋朋, 王強, 劉永寧, 魏巍, 高婷, 王福鵬 申請人:山東大學