CN204359684U - 一种高精度气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度气体浓度检测装置，包括激光发射装置和光电检测器，所述激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器，所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接，所述光电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接，所述检测滤波单元包括顺次相连接的电流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路，所述带通滤波电路的输出端其中一路顺次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接，另外一路顺次与有效值转换电路以及第二低通滤波电路连接，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与数据处理单元连接。本气体浓度检测装置可以精确测量气体的浓度，并消除电路和透光率变化对气体浓度测量产生的影响，使得检测精度得到提高。

Description

一种高精度气体浓度检测装置

技术领域

本实用新型属于气体浓度检测技术领域，具体地说，是涉及一种高精度气体浓度检测装置。

背景技术

光谱气体分析技术通过测量气体透光率来反演分析气体浓度，因此要准确测量被测气体浓度，必须精确测量气体的透光率。粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减变化等因素都会使测量气体透光率发生变化，消除透光率的影响需找到一个在透光率发生变化时，与吸收二次谐波峰峰值同步、同比例变化的影响因子，以吸收谐波峰峰值与该因子相除来消除透光率变化对仪器线性度的影响。如何找到与吸收谐波峰峰值同步、同比例变化的影响因子，成为本实用新型的关键。理论上讲，有多个因子可以选择，但是由于器件、电路等因素对所选因子的影响结果有很大的不确定性。

目前较多采用的检测方法是通过控制激光器的输入电流和工作温度使激光频率扫描被测气体的吸收谱线，在频率扫描范围内，可以测量得到二次谐波信号幅值和直流分量信号，由于气体的浓度是由透射光强的二次谐波信号与直流分量信号的比值来决定，二者比值为：

$S_{\mathrm{out}}\∝\frac{({2V}_{\mathrm{PP}\max }-V_{\mathrm{PP}\min 1}-V_{\mathrm{PP}\min 2})\·k}{(V_{\mathrm{DC}2}-V_{\mathrm{DC}1})\·k}=\frac{{2V}_{\mathrm{PP}\max }-V_{\mathrm{PP}\min 1}-V_{\mathrm{PP}\min 2}}{V_{\mathrm{DC}2}-V_{\mathrm{DC}1}}$

式中：k表示光路中的粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减变化等对两路信号的影响系数；V_DC1和V_DC2分别为二次谐波的两个谷值所对应的直流分量信号。上述公式默认为当激光传输光路中的粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减产生光强衰减时，两信号会等比例下降，也即影响系数k值相同，无论何种情况下激光传输光路中的粉尘、视窗污染以及激光器功率衰减造成的光强衰减， 二次谐波信号与直流分量信号的比值保持不变。如果测量出两个信号，并利用该比值来分析气体浓度，则粉尘、视窗污染和激光器功率变化等因素对于仪器的测量结果的影响可以消除。但是，当环境温度、气压发生变化时，吸收谱线的宽度会发生变化，吸收信号的二次谐波线型也会相应发生变化，表现为二次谐波的两个谷值所对应的直流分量值变化，也即， 此时利用二次谐波信号与直流分量信号的比值测量气体的浓度会产生测量偏差，也即，当环境温度、气压发生变化时，吸收谱线的宽度会发生变化，对k₁和k₂的影响是不同的，若采用目前的认为两者等比例变化的计算方法的话，计算结果将会产生较大偏差。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有气体浓度检测方法受到影响的因素多、检测结果不精确的技术问题，提供了一种高精度气体浓度检测装置，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种高精度气体浓度检测装置，包括激光发射装置和光电检测器，所述激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器，所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接，所述光电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接，所述检测滤波单元包括顺次相连接的电流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路，所述带通滤波电路的输出端其中一路顺次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接，另外一路顺次与有效值转换电路以及第二低通滤波电路连接，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与数据处理单元连接。

进一步的，在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控制电路。

进一步的，所述锁相放大电路的另外一输入端连接有移相倍频电路，用于接收高频正弦波调制信号。

又进一步的，所述数据处理单元包括A/D转换电路，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与所述A/D转换电路的输入端连接。

进一步的，在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控制电路。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的高精度气体浓度检测方法，利用了二次谐波信号和正弦波有效值的比值作为***输出，用于计算气体浓度，由于吸收谐波峰峰值与穿过被测气体的正弦波有效值均来源于高频正弦波调制信号，所受影响完全同步同比，在透光率衰减过大的时候，光衰对吸收谐波峰峰值与正弦波有效值的影响一致，因此本方法可以消除透光率变化对气体浓度测量产生的影响，使得检测精度得到提高。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型所提出的高精度气体浓度检测装置的一种实施例方框图；

图2是本实用新型所提出的高精度气体浓度检测装置的***光路基本构成图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一，本实施例提供了一种高精度气体浓度检测装置，如图1所示，包括激光发射装置和光电检测器，所述激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器，所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接，所述光电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接，所述检测滤波单元包括顺次相连接的电流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路，所述带通滤波电路的输出端其中一路顺次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接，另外一路顺次与有效值转换电路以及第二低通滤波电路连接，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与数据处理单元连接。

其中，如图1、图2所示，采用本实施例的提高调谐***体浓度检测精度的检测装置进行气体浓度检测的步骤是：

S1、运放加法器将低频三角波扫描信号、高频正弦波调制信号以及直流信号相加后作用到激光器驱动电路，作为激光器驱动电路的电流输入；

S2、激光驱动电路驱动激光器发射激光信号，穿过气室内的被测气体；

S3、光电检测器接收经过气室内相关气体吸收后输出的激光信号并进行光电检测，转换为电压信号并输入至检测滤波单元；

S4、检测滤波单元将转换后的电压信号进行带通滤波处理后输出的信号其中一路依次经前置放大、锁相放大、以及低通滤波处理后，得到二次谐波信号，另外一路经有效值转换电路得到有效值信号，以及将该有效值信号进行低通滤波处理并输出；

S5、数据处理单元接收二次谐波信号以及有效值信号，并进行A/D转换，采样计算其波峰值V_ppmax、波谷值V_ppmin、以及有效值V_RMS，所述有效值V_RMS为有效值信号在二次谐波信号的波峰采样时刻处的有效值；

S6、数据处理单元计算待测气体浓度X，其中，

$X\∝\frac{V_{\mathrm{pp}\max }-V_{\mathrm{pp}\min }}{V_{\mathrm{RMS}}}.$

本实施例的提高调谐***体浓度检测精度的检测装置，根据比尔-朗伯定律以及调制吸收光谱技术，在特定温度、压强下谐波信号的幅度与待测气体的浓度成正比，通过一系列的硬件电路，对检测信号进行处理，最终计算出测量待测气体的浓度。通过采用有效值转换电路计算正弦波有效值修正气体浓度结果，由于吸收谐波峰峰值与穿过被测气体的正弦波有效值V_RMS均来源于高频调制正弦波，所受无论是激光强度变化、电路暗电流等因素的影响完全同步同比，两者的比值与激光强度、透光率衰减大小均没有关系，因此，可以解决现有技术中气体浓度检测受激光强度、电路、暗电流等的影响的技术问题。

其中，所述的有效值转换电路可以采用有效值转换芯片实现。

作为一个优选实施例，在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控制电路。由于当激光器功率发生变化、粉尘、视窗污染等因素导致接收到的光功率发生变化时，自动增益控制会自动调整放大倍数，使得接收到的信号幅值基本稳定，本步骤是用于消除粉尘、视窗污染等因素引起的透光率变化的一种粗调。

所述锁相放大电路的另外一输入端连接有移相倍频电路，用于接收高频正弦波调制信号。输入至激光器驱动电路的电流信号中包含有高频正弦波调制信号，通过对激光器的调制可以将测量信号搬移到远离低频噪声的频率上，信号的放大在该频率段完成，锁相放大步骤即是通过锁相放大电路来解调恢复信号，降低噪声和干涉的影响。因此，为了确保信号的正确恢复，锁相放大步骤中输入的参考信号为高频正弦波调制信号的二倍频信号。

所述数据处理单元包括A/D转换电路，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与所述A/D转换电路的输入端连接。A/D转换电路用于采样计算其波峰值V_ppmax、波谷值V_ppmin、以及有效值V_RMS。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度气体浓度检测装置，其特征在于，包括激光发射装置和光电检测器，所述激光发射装置包括激光器驱动电路和激光器，所述激光器驱动电路的输入端与加法器连接，所述光电检测器与检测滤波单元和数据处理单元连接，所述检测滤波单元包括顺次相连接的电流-电压转换电路、带通滤波电路和前置放大电路，所述带通滤波电路的输出端其中一路顺次与前置放大电路、锁相放大电路和第一低通滤波电路连接，另外一路顺次与有效值转换电路以及第二低通滤波电路连接，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与数据处理单元连接。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在所述的电流-电压转换电路和带通滤波电路之间连接有自动增益控制电路。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述锁相放大电路的另外一输入端连接有移相倍频电路，用于接收高频正弦波调制信号。

4.根据权利要求1-3任一项所述的检测装置，其特征在于，所述数据处理单元包括A/D转换电路，所述第一低通滤波电路和第二低通滤波电路的输出端分别与所述A/D转换电路的输入端连接。