CN106990069A - 基于fpga单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法，装置包括激光驱动单元、FPGA、信号采集及程控放大单元，激光驱动单元路的输出端与激光器相连接，用于控制激光器输出激光光束给甲烷气室，信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接，能够根据甲烷浓度信号幅值，进行调节补偿，若甲烷浓度信号幅值过大，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值；若调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，FPGA进行软件补偿，大大增加了激光甲烷检测装置的适用范围，而且，保证激光甲烷检测精确度，具有良好的应用前景。

Description

基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法。
背景技术
目前，市面上的激光甲烷检测装置，虽然具有气体唯一性识别能力，但是，激光器的光强会因为光学镜片表面附着液态水而减小，导致检测精度下降。针对上述的问题，传统的解决方法是增加参考光路，导致成本增加，且生产过程会增加相关调试环节；还有使用单光路的解决方案是谐波检测方法，但是，当激光器的光强损失较大时，误差增大，且谐波检测范围有限，单光路的方案无法兼顾精度和量程，即光程小时，谐波检测对低浓度的检测有限，而光程大时，对高浓度的检测误差较大，具体介绍如下：
甲烷气体吸收遵循Lambert--Beer定律，即光强为I的一束激光，再通过光程为L的甲烷混合气体和，其透射光强I可以表示为
其中，I0为入射光强，α为吸收系数，C为甲烷浓度，
在已知I0和光程L的条件下，通过透射光强I即可得到甲烷浓度，谐波检测，则是基于DFB激光器的技术，增加调制信号v，
其中，为激光的中心频率，vm为频率调制幅度，经过气室吸收后光强公式的傅里叶展开式可近似表示为：
I(v)＝I0(v)(1+ηsinωt)exp(-α(v)CL)
通过谐波技术可以通过一次谐波作为参考信号，抵消掉光强衰弱的影响，其速度缺陷在于AD分辨率确定条件下，光强衰弱较大时，一次谐波呈线性衰减，误差变大；在傅里叶展开的前提是系数较小，所以光程L和C呈反比关系，即高浓测量需要光程小，而高精度测量要求光程L较大，形成矛盾。
发明内容
本发明的目的是克服现有的激光甲烷检测装置，单光路检测无法兼顾精度和量程的问题。本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法，能够根据甲烷浓度信号幅值，进行调节补偿，保证激光甲烷检测精确度，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，包括激光驱动单元、FPGA、信号采集及程控放大单元，所述激光驱动单元路的输出端与激光器相连接，用于控制激光器输出激光光束给甲烷气室，所述信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，所述信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接，
所述激光驱动单元，包括低频扫描信号输出电路、驱动电路、高频调整信号输出电路，所述低频扫描信号输出电路、高频调整信号输出电路分别与驱动电路的信号输入端相连接，所述驱动电路的输出端做为激光驱动单元的输出端与激光器相连接
所述信号采集及程控放大单元，包括光电检测电路、程控放大电路和前置放大电路，所述光电检测电路的输入端做为信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，所述光电检测电路的输出端通过程控放大电路与前置放大电路的输入端相连接，所述前置放大电路的输出端做为信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接。
前述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，所述激光驱动单元，还包括温度控制电路，所述温度控制电路与激光器的温度控制端相连接。
前述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，所述程控放大电路还接收FPGA的反馈信号。
前述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，所述低频扫描信号输出电路输出低频三角波信号。
一种基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的检测方法，包括以下步骤，
步骤(A)，通过激光驱动单元控制激光器输出激光光束给甲烷气室；
步骤(B)，甲烷气室输出甲烷浓度信号给信号采集及程控放大单元进行信号采集、程控放大、前置放大，并将处理后的甲烷浓度信号给FPGA；
步骤(C)，FPGA对甲烷浓度信号进行处理，判断甲烷浓度信号幅值的是否满足条件，若甲烷浓度信号幅值变化过大，则执行步骤(D)；若甲烷浓度信号幅值变化不大，则执行步骤(E)；
步骤(D)，FPGA输出反馈信号给程控放大电路，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤(F)；
步骤(E)，FPGA对甲烷浓度信号的幅值，进行软件补偿，通过记录非吸收点对应的光强与原始光强进行实时比较，得到实时的放大倍数，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤(F)；
步骤(F)，FPGA对幅值调整后的甲烷浓度信号进行处理，得到甲烷浓度，完成甲烷气室的甲烷检测。
前述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的检测方法，其特征在于：步骤(C)满足甲烷浓度信号幅值的条件当检测到的甲烷浓度信号幅值低于基准满量程的四分之一或高于基准满量程的四分之三时，执行步骤(D)；否则，执行步骤(E)。
本发明的有益效果是：本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法，能够根据甲烷浓度信号幅值，进行调节补偿，若甲烷浓度信号幅值过大，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值；若调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，FPGA进行软件补偿，大大增加了激光甲烷检测装置的适用范围，而且，保证激光甲烷检测精确度，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的***框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，包括激光驱动单元、FPGA、信号采集及程控放大单元，所述激光驱动单元路的输出端与激光器相连接，用于控制激光器输出激光光束给甲烷气室，所述信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，所述信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接，
所述激光驱动单元，包括低频扫描信号输出电路、驱动电路、高频调整信号输出电路，所述低频扫描信号输出电路、高频调整信号输出电路分别与驱动电路的信号输入端相连接，所述驱动电路的输出端做为激光驱动单元的输出端与激光器相连接，
所述低频扫描信号输出电路输出低频三角波信号，能够抗干扰，防止杂波输入，提高检测甲烷的精确度。
所述信号采集及程控放大单元，包括光电检测电路、程控放大电路和前置放大电路，光电检测电路的输入端做为信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，光电检测电路的输出端通过程控放大电路与前置放大电路的输入端相连接，前置放大电路的输出端做为信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接。
本发明还包括温度控制电路，所述温度控制电路与激光器的温度控制端相连接，能够控制激光器的温度，保证激光器良好稳定的输出。
所述程控放大电路还接收FPGA的反馈信号，调节程控放大电路放大补偿系数，用于改变输出甲烷浓度信号幅值的大小。
本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的检测方法，包括以下步骤，
步骤(A)，通过激光驱动单元控制激光器输出激光光束给甲烷气室；
步骤(B)，甲烷气室输出甲烷浓度信号给信号采集及程控放大单元进行信号采集、程控放大、前置放大，并将处理后的甲烷浓度信号给FPGA；
步骤(C)，FPGA对甲烷浓度信号进行处理，判断甲烷浓度信号幅值的是否满足条件，当检测到甲烷浓度信号幅值低于AD基准(如5V)满量程四分之一或大于四分之三倍时执行步骤(D)；否则，执行步骤(E)，举例为“非吸收点信号幅值正常条件下为AD基准(如5V)满量程的一半(2.5V)，当检测到的甲烷浓度信号幅值低于1.25V或高于3.75时执行步骤(D)；其它条件执行步骤(E)”
步骤(D)，FPGA输出反馈信号给程控放大电路，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤(F)；
步骤(E)，FPGA对甲烷浓度信号的幅值，进行软件补偿，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤(F)；
步骤(F)，FPGA对幅值调整后的甲烷浓度信号进行处理，得到甲烷浓度，完成甲烷气室的甲烷检测。
综上所述，本发明的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置及方法，能够根据甲烷浓度信号幅值，进行调节补偿，若甲烷浓度信号幅值过大，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值；若调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，FPGA进行软件补偿，大大增加了激光甲烷检测装置的适用范围，而且，保证激光甲烷检测精确度，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，其特征在于：包括激光驱动单元、FPGA、信号采集及程控放大单元，所述激光驱动单元路的输出端与激光器相连接，用于控制激光器输出激光光束给甲烷气室，所述信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，所述信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接，
所述激光驱动单元，包括低频扫描信号输出电路、驱动电路、高频调整信号输出电路，所述低频扫描信号输出电路、高频调整信号输出电路分别与驱动电路的信号输入端相连接，所述驱动电路的输出端做为激光驱动单元的输出端与激光器相连接
所述信号采集及程控放大单元，包括光电检测电路、程控放大电路和前置放大电路，所述光电检测电路的输入端做为信号采集及程控放大单元的输入端用于采集甲烷气室的浓度信号，所述光电检测电路的输出端通过程控放大电路与前置放大电路的输入端相连接，所述前置放大电路的输出端做为信号采集及程控放大单元的输出端与FPGA的信号输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，其特征在于：所述激光驱动单元，还包括温度控制电路，所述温度控制电路与激光器的温度控制端相连接。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，其特征在于：所述程控放大电路还接收FPGA的反馈信号。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置，其特征在于：所述低频扫描信号输出电路输出低频三角波信号。
5.基于权利要求1-4任一项所述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（A），通过激光驱动单元控制激光器输出激光光束给甲烷气室；
步骤（B），甲烷气室输出甲烷浓度信号给信号采集及程控放大单元进行信号采集、程控放大、前置放大，并将处理后的甲烷浓度信号给FPGA；
步骤（C），FPGA对甲烷浓度信号进行处理，判断甲烷浓度信号幅值的是否满足条件，若甲烷浓度信号幅值变化过大，则执行步骤（D）；若甲烷浓度信号幅值变化不大，则执行步骤（E）；
步骤（D），FPGA输出反馈信号给程控放大电路，调节程控放大电路放大补偿系数，减小甲烷浓度信号的幅值，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤（F）；
步骤（E），FPGA对甲烷浓度信号的幅值，进行软件补偿，通过记录非吸收点对应的光强与原始光强进行实时比较，得到实时的放大倍数，满足甲烷浓度信号幅值的条件后，并执行步骤（F）；
步骤（F），FPGA对幅值调整后的甲烷浓度信号进行处理，得到甲烷浓度，完成甲烷气室的甲烷检测。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA单光路信号补偿的激光甲烷检测装置的检测方法，其特征在于：步骤（C）满足甲烷浓度信号幅值的条件当检测到的甲烷浓度信号幅值低于基准满量程的四分之一或高于基准满量程的四分之三时，执行步骤（D）；否则，执行步骤（E）。
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