CN110057778A - 一种气体浓度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体浓度检测装置及方法，包括依次循环连接的主控单元、光发射单元、气室单元、光接收单元；所述主控单元包括控制器、数据存储器以及DA/AD转换器；所述光发射单元包括与被检测气体吸收光谱相适应的特定波长的激光器、以及该激光器的驱动电路；所述气室单元包括全反射镜和漫反射镜；所述光接收单元包括光探测器和将所述光探测器输出的微小电压放大的放大电路。本发明使用接收到的多个锯齿波电压信号的平均值并作数字滤波和二次求导后得到的二次谐波数据，作为解算气体浓度值的基础数据，能够克服激光器受外部环境影响产生的轻微波长波动，以及克服不同激光器由于生产工艺造成的中心波长的轻微差异，保证气体浓度解算的精度和稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度检的技术领域，尤其涉及一种气体浓度检测装置及方法。
背景技术
在石油、化工、冶金等重要工业领域，气体浓度检测是生产过程控制自动化***的重要组成部分；在采矿、燃气和天然气行业中，气体浓度检测广泛应用于管道的泄漏检测；随着对环境保护措施的不断深入，大气质量的监测也广泛需要气体浓度检测的技术和装置。
气体浓度检测技术的实现有生物、化学、光学检测等多种方式，其中光谱分析领域的可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性，实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。该技术应用于气体浓度检测具有响应率高、灵敏度高、实时性好的特性，是当前广泛应用的一种技术。
当前基于TDLAS技术的气体浓度检测装置，对激光器波长的一致性和稳定性要求高，环境温度、气压等外界因素对检测准确度和精度的影响较大，同时在矿井、地下通道等难以使用市电供电的地方，检测装置只能使用电池供电，降低功耗也成为需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种气体浓度检测装置及方法，能够克服激光器波长不稳定性和环境温度、气压等外界因素变化对检测准确度和精度造成的影响，并且能够以低功耗方式运行于只能使用电池供电的使用条件。
为达到上述目的，本发明提供了一种气体浓度检测装置，包括依次循环连接的主控单元、光发射单元、气室单元、光接收单元；
所述主控单元包括控制器、数据存储器以及DA/AD转换器；
所述光发射单元包括与被检测气体吸收光谱相适应的特定波长的激光器、以及该激光器的驱动电路；
所述气室单元包括全反射镜和漫反射镜；
所述光接收单元包括光探测器和将所述光探测器输出的微小电压放大的放大电路。
作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，还包括与所述主控单元连接的温度和气压检测单元，用于向所述主控单元提供温度和气压信息。
可选的，所述控制器上电之后延迟一段时间，待所述激光器工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动所述激光器工作和解算气体浓度。
可选的，所述主控单元以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过所述光发射单元的激光器的驱动电路施加于光发射单元的激光器。
进一步的，所述主控单元在发射一次锯齿波信号序列之后，将控制器进入睡眠模式并保持一段时间，之后再次进入正常模式并发射下一次锯齿波信号序列。
由上，能够有效降低电池供电条件下的功耗。
优选的，所述锯齿波信号序列由前M个短周期锯齿波和后N个长周期锯齿波构成；
所述前M个短周期锯齿波用于预热激光器，使间歇式工作的激光器状态稳定；
所述后N个长周期锯齿波信号电压经所述激光器的驱动电路转换后产生电流，覆盖激光器正常工作电流的全范围，其产生电流的起点从激光器的阈值电流开始，以一定步长逐渐增加至激光器正常工作电流的上限附近。
可选的，所述主控单元在发射一次锯齿波信号序列之后，将所述光接收单元收到的M个短周期锯齿波电压信号丢弃，使用后N个长周期锯齿波电压信号的平均值，采用滑动窗口平均的方法做数字滤波，之后的数据再二次求导取出二次谐波，作为解算气体浓度值的基础数据。
进一步的，所述气室单元还包括用于将保证所述激光器的出射光和所述光探测器的入射光在同一水平面和同一垂直方向上的机械结构件；
所述激光器的出射光以45度角入射到所述全反射镜，所述全反射镜的出射光以45度角入射到所述漫反射镜。
由上，使激光器和光探测器能够紧凑地在PCB上布局布线，整体占用的空间较小，从而能够实现小型化的气体探测装置。
本发明还提供了一种气体浓度检测方法，包括以下步骤：
S10、主控单元的控制器上电之后延迟一段时间，待光发射单元的激光器工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动所述激光器工作和解算气体浓度；
S20、主控单元以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过光发射单元的激光器的驱动电路施加于光发射单元的激光器；
S30、主控单元在发射一次锯齿波信号序列之后，将控制器进入睡眠模式并保持一段时间，之后再次进入正常模式并发射下一次锯齿波信号序列；
S40、将光接收单元收到的M个短周期锯齿波电压信号丢弃，使用后N个长周期锯齿波电压信号的平均值，采用滑动窗口平均的方法做数字滤波，之后的数据再二次求导取出二次谐波，作为解算气体浓度值的基础数据。
由上，使用接收到的多个锯齿波电压信号的平均值并作数字滤波和二次求导后得到的二次谐波数据，作为解算气体浓度值的基础数据，能够克服激光器受外部环境影响产生的轻微波长波动，以及克服不同激光器由于生产工艺造成的中心波长的轻微差异，保证气体浓度解算的精度和稳定度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明的气体浓度检测装置的原理框图；
图2为本发明的主控单元产生的锯齿波序列示意图；
图3为本发明的气室单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-3所示，本发明提供了一种气体浓度检测装置，包括依次连接的主控单元10、光发射单元20、气室单元30、光接收单元40，再连接回主控单元10，形成闭环回路。
所述气体浓度检测装置还包括连接到主控单元10的温度和气压检测单元50，用于向主控单元提供温度和气压信息。
其中，所述主控单元10包括控制器(CPU)、数据存储器以及DA/AD转换器等***设备；所述光发射单元20包括与被检测气体吸收光谱相适应的特定波长的激光器21，以及该激光器的驱动电路；所述气室单元30包括全反射镜31、漫反射镜32及固定所述全反射镜31和漫反射镜32的机械结构件；所述光接收单元40包括光探测器41，和将光探测器输出的微小电压放大的放大电路。
本发明的主控单元中的控制器(CPU)在上电之后延迟一段时间，待激光器工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动激光器工作和解算气体浓度，以保证装置在上电之后工作稳定，及解算浓度数据的准确性。主控单元10以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过光发射单元20的激光器驱动电路施加于光发射单元20的激光器21。主控单元10在发射一次锯齿波信号序列之后，将控制器(CPU)进入睡眠模式并保持一段时间，之后再次进入正常模式并发射下一次锯齿波信号序列，其作用在于降低电池供电条件下的功耗，使本气体浓度检测装置能够适用于矿井、下水管道等不适合市电工作的场合。
如图2所示，本发明的锯齿波信号序列由前M个短周期锯齿波和后N个长周期锯齿波构成，前M个短周期锯齿波用于预热激光器，使间歇式工作的激光器状态稳定，后N个长周期锯齿波信号电压经激光器驱动电路转换后产生电流，能够覆盖激光器正常工作电流的全范围，其产生电流的起点从激光器的阈值电流开始，以一定步长逐渐增加至激光器正常工作电流的上限附近，起到微调激光器中心波长的作用，从而克服激光器受外部环境影响产生的轻微波长波动，以及克服不同激光器由于生产工艺造成的中心波长的轻微差异，保证一定产生被测气体的吸收峰。
如图3所示，本发明的气室单元的机械结构件满足激光器21的出射光和光探测器41的入射光在同一水平面和同一垂直方向上，其中激光器出射光以45度角入射到全反射镜31，全反射镜31的出射光以45度角入射到漫反射镜32，从而使激光器21和光探测器41能够紧凑地在PCB上布局布线，同时气室所占用的空间较小，从而能够实现小型化的气体探测装置。
另外，主控单元10在发射一次锯齿波信号序列之后，将光接收单元40收到的M个短周期锯齿波电压信号丢弃，使用后N个长周期锯齿波电压信号的平均值，采用滑动窗口平均等方法做数字滤波，之后的数据再二次求导取出二次谐波，作为解算气体浓度值的基础数据，并根据温度和气压检测单元提供的信息，实施浓度解算的温度和气压补偿，保证气体浓度解算的精度和稳定度。
相应地,本发明还提供了一种气体浓度检测方法，包括以下步骤：
S10、主控单元10的控制器上电之后延迟一段时间，待光发射单元20的激光器21工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动所述激光器21工作和解算气体浓度；
S20、主控单元10以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过光发射单元20的激光器的驱动电路施加于光发射单元的激光器；
S30、主控单元10在发射一次锯齿波信号序列之后，将控制器进入睡眠模式并保持一段时间，之后再次进入正常模式并发射下一次锯齿波信号序列；
S40、将光接收单元40收到的M个短周期锯齿波电压信号丢弃，使用后N个长周期锯齿波电压信号的平均值，采用滑动窗口平均的方法做数字滤波，之后的数据再二次求导取出二次谐波，作为解算气体浓度值的基础数据。
本发明使用接收到的多个锯齿波电压信号的平均值并作数字滤波和二次求导后得到的二次谐波数据，作为解算气体浓度值的基础数据，能够克服激光器受外部环境影响产生的轻微波长波动，以及克服不同激光器由于生产工艺造成的中心波长的轻微差异，保证气体浓度解算的精度和稳定度。主控单元采用间歇式工作方式，能够有效降低电池供电条件下的功耗，使本装置能够适用于矿井、下水管道等不适合市电工作的场合。本发明的气室单元的机械结构设计使激光器和光探测器能够紧凑地在PCB上布局布线，整体占用的空间较小，从而能够实现小型化的气体探测装置。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种气体浓度检测装置，其特征在于，包括依次循环连接的主控单元、光发射单元、气室单元、光接收单元；
所述主控单元包括控制器、数据存储器以及DA/AD转换器；
所述光发射单元包括与被检测气体吸收光谱相适应的特定波长的激光器、以及该激光器的驱动电路；
所述气室单元包括全反射镜和漫反射镜；
所述光接收单元包括光探测器和将所述光探测器输出的微小电压放大的放大电路。
2.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，还包括与所述主控单元连接的温度和气压检测单元，用于向所述主控单元提供温度和气压信息。
3.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述控制器上电之后延迟一段时间，待所述激光器工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动所述激光器工作和解算气体浓度。
4.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述主控单元以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过所述光发射单元的激光器的驱动电路施加于光发射单元的激光器。
5.如权利要求4所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述主控单元在发射一次锯齿波信号序列之后，将控制器进入睡眠模式并保持一段时间，之后再次进入正常模式并发射下一次锯齿波信号序列。
6.如权利要求5所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述锯齿波信号序列由前M个短周期锯齿波和后N个长周期锯齿波构成；
所述前M个短周期锯齿波用于预热激光器，使间歇式工作的激光器状态稳定；
所述后N个长周期锯齿波信号电压经所述激光器的驱动电路转换后产生电流，覆盖激光器正常工作电流的全范围，其产生电流的起点从激光器的阈值电流开始，以一定步长逐渐增加至激光器正常工作电流的上限附近。
7.如权利要求5所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述主控单元在发射一次锯齿波信号序列之后，将所述光接收单元收到的M个短周期锯齿波电压信号丢弃，使用后N个长周期锯齿波电压信号的平均值，采用滑动窗口平均的方法做数字滤波，之后的数据再二次求导取出二次谐波，作为解算气体浓度值的基础数据。
8.如权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，所述气室单元还包括用于将保证所述激光器的出射光和所述光探测器的入射光在同一水平面和同一垂直方向上的机械结构件；
所述激光器的出射光以45度角入射到所述全反射镜，所述全反射镜的出射光以45度角入射到所述漫反射镜。
9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述的气体浓度检测装置的气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、主控单元的控制器上电之后延迟一段时间，待光发射单元的激光器工作稳定、被测气体均匀分布于气室单元之后，再驱动所述激光器工作和解算气体浓度；
S20、主控单元以间歇工作方式将锯齿波信号序列，通过光发射单元的激光器的驱动电路施加于光发射单元的激光器；
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