CN108535215A - 一种基于tdlas技术的无机气体分析仪 - Google Patents
一种基于tdlas技术的无机气体分析仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于TDLAS技术的无机气体分析仪，包括微处理芯片、DA模块、激光驱动模块、激光二极管、激光分束器、测试气室、光电检测头、AD模块、锁相放大器。微处理芯片分别与DA模块电连接，DA模块、激光驱动模块、激光二极管和激光分束器分别依次连接。激光分束器分两束输出，一束通过测试气室的气腔检测气体浓度，另一束则作为参考光束。两束光分别经过光电检测，再依次经过AD模块、锁相放大器，最后经过微处理芯片得到所测气体浓度。本发明结构简单，产品寿命时间长，对气体的检测精度高，可远程操控移动，提高了电网工作人员在检测工作上的效率，也保护电网工作人员的人身安全。
Description
技术领域
本发明涉及TDLAS技术领域，更具体地，涉及一种基于TDLAS技术的无机气体分析仪。
背景技术
吸收光谱理论是现代兴起的一种探测技术，可以运用于气体分子的运动状态分析以及气体种类鉴别和含量确定。TDLAS （可调谐半导体激光吸收光谱）气体检测理论主要是基于气体吸收光谱理论，通过气体的吸收光谱来推断被测气体的浓度，同时在激光器驱动部分使用可调谐半导体激光器的波长调制技术，结合在接收端使用的锁相放大二次谐波提取技术，实现高精度检测气体浓度。
在电网运行和维护中工作人员不可避免遇到各类不同的气体，这些气体有些是无害的如CO2，H2，SF6等，而有些是有害的如CO，SO2，乙炔等烃类气体，这些气体有些是设备正常运行时所产生的，有些气体则是发生了异常状况才会产生。因此能够对各类气体进行监测，并且通过研制不同的气体分析装置将有助于工作人员对设备运行状况进行分析，还可通过对所处环境气体成分的分析来保护人身安全。采用 TDLAS技术对气体进行分析，当特定波长的激光通过所测气体气室（气体腔）时，气体将对激光进行吸收，而通过的路径越长，气体对激光吸收的程度不同，因此针对具体气体设置气室可以直接决定气体吸收激光的路径，从而为后续气体浓度的检测提供必要的条件。因此，一个简易的无机气体简易分析仪是十分有益的。
发明内容
本发明克服了上述现有的电网检测气体的缺陷，提供了一种新的基于TDLAS技术的无机气体分析仪，本发明结构简单，产品寿命时间长，检测精度高，可远程操控移动。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于TDLAS技术的无机气体分析仪，包括微处理芯片、第一DA模块、第二DA模块、激光驱动模块、激光二极管、激光分束器、测试气室、第一光电检测头、第二光电检测头、第一AD模块、第二AD模块、2个锁相放大器，其中，
所述的2个锁相放大器定义为第一锁相放大器和第二锁相放大器；
所述的微处理芯片的第一输出端与第一DA模块的输入端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第二DA模块的输入端电连接；
所述的激光驱动模块用于提供激光二极管的驱动光源；
所述的第一DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
所述的第二DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
所述的激光驱动模块的输出端与激光二极管的阳极电连接；
所述的激光二极管的阴极与激光分束器的光输入端电连接；
所述的激光分束器的第一光输出端设置在测试气室的光输入端上；
所述的激光分束器的第二光输出端与第二光电检测头的光输入端光连接；
所述的第一光电检测头的光输入端设置在测试气室的光输出端上；
所述的第一光电检测头的输出端与第一AD模块的输入端电连接；
所述的第二光电检测头的输出端与第二AD模块的输入端电连接；
所述的第一AD模块的输出端与第一锁相放大器的第一输入端电连接；
所述的第二AD模块的输出端与第二锁相放大器的第一输入端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第一锁相放大器的参考信号端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第二锁相放大器的参考信号端电连接；
所述的第一锁相放大器的输出端与微处理芯片的第一输入端电连接；
所述的第二锁相放大器的输出端与微处理芯片的第二输入端电连接。
本发明工作过程如下：
微处理芯片的第一输出端输出锯齿波，第二输出端输出正弦波，正弦波的频率远远高于锯齿波。锯齿波用于激光二极管产生气体特征谱，而正弦波作为载波则用于将激光二极管产生的气体光谱调制成二次谐波。二次谐波的气体光谱通过激光分束器分成两束，一束通过测试气室的气腔检测气体浓度，另一束则作为参考光束。两束光分别经过光电探测器转变为两路电信号，两路电信号通过对比形成差分输入减少干扰，两路信号再分别经由AD模块进入锁相放大器通过与正弦波解调后取出其中的二次谐波信息，锁相放大器输出的二次谐波情况送入到微处理芯片，经运算后转化为所测气体的浓度，完成对所测气体的浓度的探测。
在一种优选的方案中，所述的锁相放大器包括电流转电压模块、信号放大电路、第一乘法器、第二乘法器、延迟单元、2个低通滤波电路、第三乘法器、第四乘法器、加法器、开方运算电路，其中，
所述的2个低通滤波电路定义为第一低通滤波电路、第二低通滤波电路；
所述的电流转电压模块的输入端作为锁相放大器的输入端，电流转电压模块的输出端与信号放大电路的输入端电连接；
所述的信号放大电路的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接；
所述的第一乘法器的第二输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
所述的信号放大电路的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接；
所述的延迟单元用将输入信号延迟周期时间，延迟单元的输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
所述的延迟单元的输出端与第二乘法器的第二输入端；
所述的第一乘法器的输出端与第一低通滤波电路的输入端电连接；
所述的第二乘法器的输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；
所述的第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接；
所述的第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第二输入端电连接；
所述的第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接；
所述的第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第二输入端电连接；
所述的第三乘法器的输出端与加法器的第一输入端电连接；
所述的第四乘法器的输出端与加法器的第二输入端电连接；
所述的加法器的输出端与开方运算电路的输入端电连接，开方运算电路的输出端作为锁相放大器的输出端。
在一种优选的方案中，所述的低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和运算放大器，其中，
所述的第一电阻的一端作为低通滤波器的输入端，第一电阻的另一端与第二电阻的一端电连接；
所述的第一电阻的另一端与第一电容的一端电连接；
所述的第二电阻的另一端与第二电容的一端电连接；
所述的第二电容的另一端接地；
所述的第一电容的另一端与运算放大器的输出端电连接；
所述的第二电阻的另一端与运算放大器的同相输入端电连接；
所述的运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端电连接；
所述的运算放大器的输出端与第三电阻的一端电连接；
所述的第三电阻的另一端作为低通滤波器的输出端。
在一种优选的方案中，所述的激光二极管是可调谐激光二极管。
在一种优选的方案中，所述的无机气体分析仪还包括温度传感器，所述的可调谐激光二极管的气体光谱随着温度传感器的温度检测信号的变化而跟随变化。
在一种优选的方案中，所述的测试气室包括气室框体、2块反射镜、第一透镜和第二透镜，其中，
所述的气室框体的两侧分别开设有通孔，分别定义为第一通孔和第二通孔，
所述的入射光线通过第一通孔从外部环境进入气室框体的气体腔，反射光线通过第二通孔从气室框体的气体腔进入外部环境；
所述的第一透镜嵌入到第一通孔，第二透镜嵌入到第二通孔；
所述的气室框体的相对的内侧分别设置有一块反射镜，所述的反射镜与气室框体固定连接。
本优选方案中，入射激光通过第一通孔从外部环境进入气室框体的气体腔，通过反射镜的多次反射，由于气体腔中充满了被测气体，被测气体会对入射激光进行吸收，然后通过第二通孔从气室框体的气体腔进入外部环境，然后通过光电探测仪进行探测。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室还包括橡胶充垫，所述的橡胶充垫设置在反射镜与气室框体之间，橡胶充垫的一侧与气室框体的内测固定连接，橡胶充垫的另一侧与反射镜的非反射面固定连接，橡胶充垫用于对反射镜提供保护作用。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室还包括支撑脚，所述的支撑脚设置在气室框体的内侧的底端，支撑脚与反射镜的底端连接，支撑脚用于对反射镜提供保护作用。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室还包括支撑锥、可调弹簧和调节器，其中，
所述的调节器对可调弹簧的伸缩程度进行调节，从而改变支撑锥与气室框体之间的夹角；
所述的支撑锥设置在气室框体一侧的底端。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室的气室框体的特定内侧设置有黑色贴纸，所述的黑色贴纸与气室框体固定连接；所述的特定内侧是没有设置反射镜的内侧。
在一种优选的方案中，所述的反射镜是Thorlabs公司的镀金反射镜。
本优选方案中，镀金反射镜在对CO，CO2等气体激光波长范围内的反射率高达95%以上，经研究让激光在气室中反射8~12次，气体可对激光进行充分吸收，而且还能保证激光在输出后被光电探测仪探测到。
在一种优选的方案中，所述的透镜是Thorlabs公司的N-BK7窗口片。
本优选方案中，Thorlabs公司的N-BK7窗口片对CO，CO2等气体激光范围内的透射率高达90%以上。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室还包括4个滚轮，所述的滚轮分别设置在气室框体的外侧的四个角，所述的滚轮用于推动可调镜面反射气室。
本优选方案中，滚轮有利于对可调镜面反射气室进行移动，不需要人工的方式提起来在进行移动。
在一种优选的方案中，所述的可调镜面反射气室还包括受控电机和远程控制模块，所述的受控电机与滚轮传动连接，远程控制模块的输出端与受控电机的控制端电连接。
本优选方案中，通过远程控制模块控制受控电机带动滚轮旋转，避免人为推动管轮，进一步节省力气，提高工作效率。
在一种优选的方案中，所述的无机气体分析仪还包括显示模块，所述的显示模块的输入端与微处理芯片的第三输出端电连接。
在一种优选的方案中，所述的无机气体分析仪还包括数据存储器，所述的数据存储器的输入端于微处理芯片的第四输出端电连接。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明结构简单，产品寿命时间长，对气体的检测精度高，可远程操控移动，提高了电网工作人员在检测工作上的效率，也保护电网工作人员的人身安全。
附图说明
图1为实施例结构图。
图2为实施例中测试气室的剖视图。
图3为实施例中的锁相放大器模块图。
图4为实施例中的低通滤波电路图。
标号说明：1.输入端；2.运算放大器；3.输出端。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种基于TDLAS技术的无机气体分析仪，包括STM32系列芯片、第一DA模块、第二DA模块、激光驱动模块、可调谐激光二极管、激光分束器、温度传感器、测试气室、第一光电检测头、第二光电检测头、第一AD模块、第二AD模块、第一锁相放大器、第二锁相放大器、LCD显示屏和TF卡，
STM32系列芯片的第一输出端输出锯齿波，STM32系列芯片的第一输出端与第一DA模块的输入端电连接；
STM32系列芯片的第二输出端输出正弦波，STM32系列芯片的第二输出端与第二DA模块的输入端电连接；
激光驱动模块用于提供可调谐激光二极管的驱动光源；
第一DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
第二DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
激光驱动模块的输出端与可调谐激光二极管的阳极电连接；
可调谐激光二极管的气体光谱随着温度传感器的温度检测信号的变化而跟随变化；
可调谐激光二极管的阴极与激光分束器的光输入端电连接；
激光分束器的第一光输出端设置在测试气室的光输入端上；
激光分束器的第二光输出端与第二光电检测头的光输入端光连接；
第一光电检测头的光输入端设置在测试气室的光输出端上；
第一光电检测头的输出端与第一AD模块的输入端电连接；
第二光电检测头的输出端与第二AD模块的输入端电连接；
第一AD模块的输出端与第一锁相放大器的第一输入端电连接；
第二AD模块的输出端与第二锁相放大器的第一输入端电连接；
STM32系列芯片的第二输出端与第一锁相放大器的参考信号端电连接；
STM32系列芯片的第二输出端与第二锁相放大器的参考信号端电连接；
第一锁相放大器的输出端与STM32系列芯片的第一输入端电连接；
第二锁相放大器的输出端与STM32系列芯片的第二输入端电连接；
STM32系列芯片的第三输出端与LCD显示屏的输入端电连接；
STM32系列芯片的第四输出端与TF卡的输入端电连接。
其中，如图2所示，测试气室包括气室框体、2块Thorlabs公司的镀金反射镜、第一Thorlabs公司的N-BK7窗口片、第二Thorlabs公司的N-BK7窗口片、橡胶充垫、支撑脚、支撑锥、可调弹簧、调节器、4个滚轮、受控电机和远程控制模块，其中，
气室框体为长方体，长为500mm，内径为50mm；气室框体的两侧分别开设有通孔，分别定义为第一通孔和第二通孔；
入射光线通过第一通孔从外部环境进入气室框体的气体腔，反射光线通过第二通孔从气室框体的气体腔进入外部环境；
第一Thorlabs公司的N-BK7窗口片嵌入到第一通孔，第二Thorlabs公司的N-BK7窗口片嵌入到第二通孔；
橡胶充垫的一侧与气室框体的内测固定连接，橡胶充垫的另一侧与Thorlabs公司的镀金反射镜的非反射面固定连接，橡胶充垫用于对Thorlabs公司的镀金反射镜提供保护作用；
支撑脚设置在气室框体的内侧的底端，支撑脚与Thorlabs公司的镀金反射镜的底端连接，支撑脚用于对Thorlabs公司的镀金反射镜提供保护作用；
调节器对可调弹簧的伸缩程度进行调节，从而改变支撑锥与气室框体之间的夹角，使其在8~12次之间进行次数选择；
支撑锥设置在气室框体一侧的底端；
气室框体的没有Thorlabs公司的镀金反射镜的内侧设置有黑色贴纸，黑色贴纸与气室框体固定连接；
可调镜面反射气室还包括4个滚轮，滚轮分别设置在气室框体的外侧的四个角；
受控电机与滚轮传动连接，远程控制模块的输出端与受控电机的控制端电连接。
其中，如图3所示，锁相放大器包括电流转电压模块、信号放大电路、第一乘法器、第二乘法器、延迟单元、2个低通滤波电路、第三乘法器、第四乘法器、加法器、开方运算电路，其中，
电流转电压模块的输入端作为锁相放大器的输入端，电流转电压模块的输出端与信号放大电路的输入端电连接；
信号放大电路的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接；
第一乘法器的第二输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
信号放大电路的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接；
延迟单元用将输入信号延迟周期时间，延迟单元的输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
延迟单元的输出端与第二乘法器的第二输入端；
第一乘法器的输出端与第一低通滤波电路的输入端电连接；
第二乘法器的输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；
第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接；
第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第二输入端电连接；
第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接；
第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第二输入端电连接；
第三乘法器的输出端与加法器的第一输入端电连接；
第四乘法器的输出端与加法器的第二输入端电连接；
加法器的输出端与开方运算电路的输入端电连接，开方运算电路的输出端作为锁相放大器的输出端。
其中，如图4所示，低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和运算放大器，其中，
第一电阻的一端作为低通滤波器的输入端1，第一电阻的另一端与第二电阻的一端电连接；
第一电阻的另一端与第一电容的一端电连接；
第二电阻的另一端与第二电容的一端电连接；
第二电容的另一端接地；
第一电容的另一端与运算放大器2的输出端电连接；
第二电阻的另一端与运算放大器2的同相输入端电连接；
运算放大器2的反相输入端与运算放大器2的输出端电连接；
运算放大器2的输出端与第三电阻的一端电连接；
第三电阻的另一端作为低通滤波器的输出端3。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于TDLAS技术的无机气体分析仪，其特征在于，包括微处理芯片、第一DA模块、第二DA模块、激光驱动模块、激光二极管、激光分束器、测试气室、第一光电检测头、第二光电检测头、第一AD模块、第二AD模块、2个锁相放大器，其中，
所述的2个锁相放大器定义为第一锁相放大器和第二锁相放大器；
所述的微处理芯片的第一输出端与第一DA模块的输入端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第二DA模块的输入端电连接；
所述的激光驱动模块用于提供激光二极管的驱动光源；
所述的第一DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
所述的第二DA模块的输出端与激光驱动模块的输入端电连接；
所述的激光驱动模块的输出端与激光二极管的阳极电连接；
所述的激光二极管的阴极与激光分束器的光输入端电连接；
所述的激光分束器的第一光输出端设置在测试气室的光输入端上；
所述的激光分束器的第二光输出端与第二光电检测头的光输入端光连接；
所述的第一光电检测头的光输入端设置在测试气室的光输出端上；
所述的第一光电检测头的输出端与第一AD模块的输入端电连接；
所述的第二光电检测头的输出端与第二AD模块的输入端电连接；
所述的第一AD模块的输出端与第一锁相放大器的第一输入端电连接；
所述的第二AD模块的输出端与第二锁相放大器的第一输入端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第一锁相放大器的参考信号端电连接；
所述的微处理芯片的第二输出端与第二锁相放大器的参考信号端电连接；
所述的第一锁相放大器的输出端与微处理芯片的第一输入端电连接；
所述的第二锁相放大器的输出端与微处理芯片的第二输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的锁相放大器包括电流转电压模块、信号放大电路、第一乘法器、第二乘法器、延迟单元、2个低通滤波电路、第三乘法器、第四乘法器、加法器、开方运算电路，其中，
所述的2个低通滤波电路定义为第一低通滤波电路、第二低通滤波电路；
所述的电流转电压模块的输入端作为锁相放大器的输入端，电流转电压模块的输出端与信号放大电路的输入端电连接；
所述的信号放大电路的输出端与第一乘法器的第一输入端电连接；
所述的第一乘法器的第二输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
所述的信号放大电路的输出端与第二乘法器的第一输入端电连接；
所述的延迟单元用将输入信号延迟周期时间，延迟单元的输入端与微处理芯片的第二输出端电连接；
所述的延迟单元的输出端与第二乘法器的第二输入端；
所述的第一乘法器的输出端与第一低通滤波电路的输入端电连接；
所述的第二乘法器的输出端与第二低通滤波电路的输入端电连接；
所述的第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第一输入端电连接；
所述的第一低通滤波电路的输出端与第三乘法器的第二输入端电连接；
所述的第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第一输入端电连接；
所述的第二低通滤波电路的输出端与第四乘法器的第二输入端电连接；
所述的第三乘法器的输出端与加法器的第一输入端电连接；
所述的第四乘法器的输出端与加法器的第二输入端电连接；
所述的加法器的输出端与开方运算电路的输入端电连接，开方运算电路的输出端作为锁相放大器的输出端。
3.根据权利要求2所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容和运算放大器，其中，
所述的第一电阻的一端作为低通滤波器的输入端，第一电阻的另一端与第二电阻的一端电连接；
所述的第一电阻的另一端与第一电容的一端电连接；
所述的第二电阻的另一端与第二电容的一端电连接；
所述的第二电容的另一端接地；
所述的第一电容的另一端与运算放大器的输出端电连接；
所述的第二电阻的另一端与运算放大器的同相输入端电连接；
所述的运算放大器的反相输入端与运算放大器的输出端电连接；
所述的运算放大器的输出端与第三电阻的一端电连接；
所述的第三电阻的另一端作为低通滤波器的输出端。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的测试气室包括气室框体、2块反射镜、第一透镜和第二透镜，其中，
所述的气室框体的两侧分别开设有通孔，分别定义为第一通孔和第二通孔，
所述的入射光线通过第一通孔从外部环境进入气室框体的气体腔，反射光线通过第二通孔从气室框体的气体腔进入外部环境；
所述的第一透镜嵌入到第一通孔，第二透镜嵌入到第二通孔；
所述的气室框体的相对的内侧分别设置有一块反射镜，所述的反射镜与气室框体固定连接。
5.根据权利要求4所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的可调镜面反射气室还包括橡胶充垫，所述的橡胶充垫设置在反射镜与气室框体之间，橡胶充垫的一侧与气室框体的内测固定连接，橡胶充垫的另一侧与反射镜的非反射面固定连接，橡胶充垫用于对反射镜提供保护作用。
6.根据权利要求5所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的可调镜面反射气室还包括支撑脚，所述的支撑脚设置在气室框体的内侧的底端，支撑脚与反射镜的底端连接，支撑脚用于对反射镜提供保护作用。
7.根据权利要求5或6所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的可调镜面反射气室还包括支撑锥、可调弹簧和调节器，其中，
所述的调节器对可调弹簧的伸缩程度进行调节，从而改变支撑锥与气室框体之间的夹角；
所述的支撑锥设置在气室框体一侧的底端。
8.根据权利要求7所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的可调镜面反射气室还包括4个滚轮，所述的滚轮分别设置在气室框体的外侧的四个角，所述的滚轮用于推动可调镜面反射气室。
9.根据权利要求1、2、3、5、6或8所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的无机气体分析仪还包括显示模块，所述的显示模块的输入端与微处理芯片的第三输出端电连接。
10.根据权利要求9所述的无机气体分析仪，其特征在于，所述的无机气体分析仪还包括数据存储器，所述的数据存储器的输入端与处理芯片的第四输出端电连接。
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