一种基于TDLAS的多气体浓度参数检测系统

一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统
技术领域
1.本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统。

背景技术：

2.可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术是一种非侵入式光谱测量技术，具有高选择性，高灵敏度，高分辨率，信号高保真的特点；可以同时检测气体的浓度，温度，压强等多参数流场信息。
3.利用tdlas技术测量气体浓度参数的方法有：直接吸收光谱技术(das)和波长调制光谱技术(wms)。在直接吸收光谱技术(das)中，气体吸收率函数通过入射光强和透射光强的比值直接拟合气体吸收率函数，进而获得测量气体的浓度参数。波长调制光谱技术(wms)采用高频正弦信号和低频锯齿波信号相互叠加方式，通过检测输出信号中二次谐波峰值来推测待测气体的浓度参数。
4.然而，采用das或wms的tdlas技术能够较好的实现单一气体的浓度参数测量，但当气体为多种气体混合时，单个气体检测通路无法实现多种气体同步测量，需要将多个气体检测通路进行串联或并联进行测量。但是这种方式使得同一时间所有的检测通路必须同时参与工作,会产生较大的系统冗余。
5.总之，现有技术存在将多个气体检测通路进行串联或并联以测量多种混合气体浓度参数时，系统冗余较大的问题。

技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.分时信号发生器，用于分时产生锯齿波和正弦波电压信号；
9.驱动电路，其输入端与所述分时信号发生器的输出端连接；用于将所述分时信号发生器产生的电压信号转换成电流信号；
10.开关阵列1，包括多个第一开关，所述第一开关的输入端与所述驱动电路的输出端连接；
11.气体检测模块，包括多个气体检测通路；所述多个气体检测通路的输入端分别与所述多个第一开关的输出端一一对应连接；所述气体检测模块用于吸收待测气体并输出气体检测信号；
12.开关阵列2，包括多个第二开关，所述多个第二开关的输入端分别与所述多个气体检测通路的输出端一一对应连接；
13.前置放大器，其输入端与所述开关阵列2输出端相连接，所述前置放大器用于将气体检测信号进行放大，满足锁相放大器需求。
14.锁相放大器，其输入端与所述前置放大器的输出端、分时信号发生器的输出端相连接，用于将气体检测信号和分时信号发生器发生器发出的倍频信号进行合成获得所需要的二次谐波信号信息；
15.微处理器，其输入端与所述锁相放大器的输出端连接，用于对二次谐波信号进行处理，得到气体浓度参数。
16.进一步，所述气体检测通路包括：dfb激光器，其输入端与所述第一开关的输出端相连；
17.多光程吸收池，其输入端与dfb激光器的输出端相连；
18.光电探测器，其输入端与所述多光程吸收池的输出端相连，其输出端与所述开关阵列2的输入端相连；用于将光信号转化为电信号。
19.进一步，所述多光程吸收池顶部两侧设有进气口与出气口，用于待测气体的输入和输出，所多光程吸收池内部设有反射镜，用于将激光进行多次反射从而放大光程。
20.进一步，还包括：译码器，其输入端与所述微处理器的输出端相接，输出端与所述开关阵列1和开关阵列2的输入端相接；用于控制开关阵列1和开关阵列2的开关同步通断。
21.进一步，所述分时信号发生器包括：时序开关电路,其输入端与所述微处理器的输出端相连；
22.锯齿波信号产生电路，其输入端与所述时序开关电路的输出端相连；
23.正弦波信号产生电路，其输入端与所述时序开关电路的输出端相连；
24.信号合成电路，其输入端与所述锯齿波信号产生电路、正弦波信号产生电路相连接，输出端与所述驱动电路相连接。
25.倍频信号产生电路，其输入端与正弦波信号产生电路相连接，输出端与所述锁相放大器电路相连接。
26.进一步，所述微处理器的输出端与所述分时信号发生器的输入端连接；用于控制所述分时信号发生器在不同时序产生的锯齿波信号和正弦波电压信号的幅度及频率。
27.本发明提供的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统具有以下有益效果：
28.设有分时信号发生器，用于在不同时刻发出产生tdlas所需要的锯齿波和正弦波电压信号及其倍频信号；设有开关阵列1，用于分时段将单个气体检测通路的输入端与共享通道模块中的驱动电路的输出端相接通；开关阵列2用于分时段将单个气体检测通路的输出端与前置放大器相接通，锁相放大器将处理后的信号输入到微处理器以计算并储存被测气体浓度值。
29.本发明通过分时序同步控制开关阵列1和开关阵列2中相应开关的通断，将气体检测模块与驱动电路和前置放大器分时序相接通，使得单个时段仅有一个气体检测通路参与工作。有效解决了现有技术中将多个气体检测通路并联、串联测量多气体浓度，导致系统冗余较大的问题。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
31.图1为本发明实施例的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统示意图；
32.图2为本发明实施例的时序控制图。
33.图3为本发明实施例的co2浓度检测具体实施图
34.图4为本发明实施例的分时信号发生器示意图
具体实施方式
35.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
36.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
37.实施例：
38.本发明提供了一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，具体如图1所示，包括共享通道模块，共享通道模块包括：分时信号发生器，用于产生可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)所需要的锯齿波信号和正弦波信号。分时信号发生器包括：时序开关电路,其输入端与微处理器的输出端相连；锯齿波信号产生电路，其输入端与时序开关电路的输出端相连；正弦波信号产生电路，其输入端与时序开关电路的输出端相连；信号合成电路，其输入端与锯齿波信号产生电路、正弦波信号产生电路相连接，输出端与驱动电路相连接；倍频信号产生电路，其输入端与所述正弦波信号产生电路相连接，输出端与所述锁相放大器电路相连接。
39.驱动电路，其输入端与分时信号发生器的输出端连接；用于将分时信号发生器产生的电压信号转换成电流信号，并输送给对应通道dfb激光器。开关阵列1，包括多个第一开关，第一开关的输入端与驱动电路的输出端连接。开关阵列2，包括多个第二开关。前置放大器，其输入端与所述开关阵列2输出端相连接，所述前置放大器用于将气体检测信号进行放大，满足锁相放大器需求。锁相放大器，其输入端与所述前置放大器的输出端、分时信号发生器的输出端相连接，用于将气体检测信号和分时信号发生器发生器发出的倍频信号进行合成获得所需要的二次谐波信号信息；译码器，其输入端与微处理器的输出端相接，输出端与开关阵列1和开关阵列2的输入端相接；用于控制开关阵列1和开关阵列2的开关同步通断。
40.气体检测模块，包括多个气体检测通路，气体检测通路包括：dfb激光器，其输入端与第一开关的输出端相连；多光程吸收池，其输入端与dfb激光器的输出端相连；光电探测器，其输入端与多光程吸收池的输出端相连，其输出端与开关阵列2的输入端相连；用于将光信号转化为电信号。气体检测通路的输入端与第一开关的输出端相连接，气体检测通路的输出端与第二开关的输入端相连接；用于输出气体检测信号；
41.微处理器，其输入端与锁相放大器的输出端连接，用于对二次谐波信号进行处理，
得到气体浓度；其输出端与分时信号发生器的输入端连接；用于控制分时信号发生器在不同时序产生的锯齿波信号和正弦波电压信号的幅度及频率。
42.在本实施例中，分时信号发生器包括锯齿波信号产生电路，正弦信号产生电路，信号合成电路，时序开关电路。锯齿波信号电路产生一定频率的锯齿波信号，正弦信号电路产生khz级别的正弦信号，两种信号幅度按照一定比例进行合成，合成后输出信号输出到驱动电路；驱动电路用于将分时信号发生器产生的电压信号转换成电流信号，并输送给对应的dfb激光器；开关阵列1和开关阵列2保持同步通断，保证选用通路工作，用于实现某一时刻将某一气体检测通路与共享通道模块相接通；前置放大器用于将光电检测器输出信号进行放大，满足后续锁相放大器需求；锁相放大器将前置放大器输出的信号和分时信号发生器发生器发出的信号进行合成获得所需要的二次谐波信号，保证输出的二次谐波信号和气体浓度之间成线性关系；译码器用于将微处理发出的对应数据信息转换成需要的开关控制码，并输送给开关阵列1和开关阵列2。
43.dfb激光器用于接收驱动电路电流信号，并发出和此电流信号呈定量关系的不同波长和光强的光谱信号；多光程吸收池设有进气口和出气口，用于待测气体输入和输出，其内部反射镜可以将激光进行多次反射从而放大光程。光电探测器接收经过多次反射的光信号，将其转换成电信号并输出给前置放大器。
44.微处理器能够根据标定和不同时序测量气体数据通过最小二乘法等方法实现多气体浓度拟合；根据不同气体测试要求设置分时复用周期的时长，并设置分时信号发生电路不同时序单元长度，控制信号发生电路在不同时序产生的锯齿波信号以及正弦波信号的幅度及频率；
45.微处理器可以采用但不限于stc32l152c8t6系列单片机，stc32l152c8的30引脚连接于分时序信号发生器的控制字端，11、12引脚分别连接于译码器74ls138的0、1引脚，用于将控制时序和开关状态。微控制器单元内设置有最小二乘法算法，最小二乘法计算不同时序的锁相放大器输出信号幅度进行计算，并通过其幅度和浓度之间线性关系，完成气体浓度拟合。
46.本实施例以温室气体的co2、co、ch4三种气体探测为例，其具体实施方案如下：
47.根据待测气体为co2、co、ch4，从美国高分辨率光谱数据库(hitran数据库)中选用相应的吸收光谱，其中三种气体的中心频率依次为：6330.821cm-1、6381.620cm-1、6046.964cm-1。
48.将微处理器设定成标定模式，发送控制字给分时信号发生器，并产生开关控制码给译码器，在本实施案例中,co2气体测量分时信号发生器开关控制字为10011，co气体测量分时信号发生器开关控制字为10101，ch4气体测量分时信号发生器开关控制字为可以分别为10111。其中，控制字第一位和最后一位为标志位，第二位为状态位，第三、四位为分时信号发生器选择位；译码器可采用3线-8线译码器74ls138，在实施过程中译码器输入端口a2接低电平，而两个输入端口接微处理器端口。
49.分时信号发生器接收到微处理器输出信号，分别产生对应时序的低频锯齿波信号和50khz高频正弦波信号，并将两种信号通过信号发生器内部加法器叠加后送到驱动电路，同时产生100khz正弦波信号，并输送到锁相放大器。
50.驱动电路根据微处理器产生的控制信号，控制相应的气体探测通路接入到系统中
进行工作，同时译码器将开关控制码转换成相应开关码，开关阵列1、开关阵列2根据开关码实现相应通路导通。
51.相应气体检测通路的dfb激光器接收到驱动电路的电流信号产生激光，产生的激光在吸收光谱谱线频率处发生扫描和调制；激光的瞬时频率和激光强度的公式为
[0052][0053]
式中，v为激光的瞬时频率，i为激光强度，a为频率调制幅度，为激光频率的平均值，通常为其中心频率，为激光强度的平均值，δi为强度调制幅度，ω为调制信号交流，ψ为强度调制幅度和频率调制之间的相位差。
[0054]
对指定气体检测通路的多光程吸收池输入指定浓度待测气体，并在出气口对气体进行回收，如本实施案例中用于标定气体浓度为5％。
[0055]
对应激光通路dfb激光器发出激光进入多光程吸收池经过多次反射后进入光电探测器，光电探测器探测到激光信号并转换成相应电信号并输出。在本实施例中，多光程反射池可以采用但不限于3.3m有效光程长herriott长光程气体吸收池。
[0056]
前置放大器将输出的电信号进行放大，并输送给锁相放大器；锁相放大器采用正交锁相放大结构，接收对应时序的分时信号发生器输出两路正交二次谐波信号并和前置放大器输出到锁相放大器的电信号进行分别混频、滤波，并输送给微处理器。
[0057]
微处理器接收到锁相放大器输出信号并进行处理，调用其中的最小二乘法算法，计算其二次谐波幅度，并储存标定结果。
[0058]
完成上述标定后，将微处理器设定成测量模式，发送控制字给分时信号发生器，并产生开关控制码给译码器，在本实施案例中,测量co2的分时信号发生器开关控制字为11011，测量co的分时信号发生器开关控制字为11101，测量ch4的分时信号发生器开关控制字为11111。
[0059]
驱动电路根据微处理器产生的控制信号，控制时序相应的电路接入到系统中进行工作，同时译码器将不同时序开关控制码转换成相应开关码，开关阵列1、开关阵列2根据不同时序开关码实现指定时序导通相应通路。
[0060]
指定时序相应通路的dfb激光器接收到驱动电流信号，发射激光，产生的激光在吸收光谱谱线频率处发生扫描和调制。
[0061]
对气体测量通道进气口输入指定浓度待测气体，并在出气口对气体进行回收。
[0062]
指定时序相应通路的dfb激光器发出激光进入多光程反射池，多次反射后进入光电探测器，光电探测器探测到激光信号并转换成相应电信号。
[0063]
前置放大器将光电探测器输出的电信号进行放大，并输送给锁相放大器。
[0064]
锁相放大器接收对应时序的分时信号发生器输出二次谐波信号，并和前置放大器输出到锁相放大器的电信号进行混频、滤波，并输送给微处理器。
[0065]
微处理器接收到锁相放大器输出信号并进行处理，调用微处理器中的最小二乘法算法，计算其二次谐波幅度，并储存结果；
[0066]
微处理器对各个时序结果进行处理从而完成多气体检测；
[0067]
在本实施例中，如图2所示为不同时序的低频锯齿波，其中锯齿波频率分别为
20hz、25hz、30hz，在不同时序单元输出不同锯齿波，其锯齿波幅度和频率可以根据测量需要调整。
[0068]
在本实施例中，如图3所示，测量co2时序中完整检测通路包括：微处理器，分时信号发生器，驱动电路，开关阵列1，开关阵列2，待测气体或标定气体，中心频率6330.821cm-1的dfb激光器，3.3m有效光程的herriott长光程气体吸收池，光电探测器，前置放大器，锁相放大器。在co2规定时序，该通路完成标定和气体浓度探测工作。
[0069]
如图4所示，分时序信号发生器电路可以由采用但不限于单片机产生，分时序信号发生器电路包括：单片机1，单片机2，方波-正弦波转换电路，方波-锯齿波发生电路，合成器，二倍频器，90
°
移相器，其中，单片机1产生所需的低频方波20hz,25hz，30hz，单片机2产生50khz高频方波信号。
[0070]
本发明通过分时序控制相应开关通断，保证在对应时序将对应的气体探测通路接入共享通道模块，从而实现共享通道的复用。有效解决了现有多气体探测系统并联、串联结构的系统复杂，多气体实时探测困难问题。同时微处理通过执行指定时序气体二次谐波算法对系统进行同步反演，有效提高处理效率。
[0071]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，包括：分时信号发生器，用于分时产生锯齿波和正弦波电压信号；驱动电路，其输入端与所述分时信号发生器的输出端连接；用于将所述分时信号发生器产生的电压信号转换成电流信号；开关阵列1，包括多个第一开关，所述第一开关的输入端与所述驱动电路的输出端连接；气体检测模块，包括多个气体检测通路；所述多个气体检测通路的输入端分别与所述多个第一开关的输出端一一对应连接；所述气体检测模块用于吸收待测气体并输出气体检测信号；开关阵列2，包括多个第二开关，所述多个第二开关的输入端分别与所述多个气体检测通路的输出端一一对应连接；前置放大器，其输入端与所述开关阵列2输出端相连接，所述前置放大器用于将气体检测信号进行放大，满足锁相放大器需求。锁相放大器，其输入端与所述前置放大器的输出端、分时信号发生器的输出端相连接，用于将气体检测信号和分时信号发生器发生器发出的倍频信号进行合成获得所需要的二次谐波信号信息；微处理器，其输入端与所述锁相放大器的输出端连接，用于对二次谐波信号进行处理，得到气体浓度参数。2.根据权利要求1所述的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，所述气体检测通路包括：dfb激光器，其输入端与所述第一开关的输出端相连；多光程吸收池，其输入端与dfb激光器的输出端相连；光电探测器，其输入端与所述多光程吸收池的输出端相连，其输出端与所述开关阵列2的输入端相连；用于将光信号转化为电信号。3.根据权利要求2所述的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，所述多光程吸收池顶部两侧设有进气口与出气口，用于待测气体的输入和输出，所述多光程吸收池内部设有反射镜，用于将激光进行多次反射从而放大光程。4.根据权利要求1所述的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，还包括：译码器，其输入端与所述微处理器的输出端相接，输出端与所述开关阵列1和开关阵列2的输入端相接；用于控制开关阵列1和开关阵列2的开关同步通断。5.根据权利要求1所述的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，所述分时信号发生器包括：时序开关电路,其输入端与所述微处理器的输出端相连；锯齿波信号产生电路，其输入端与所述时序开关电路的输出端相连；正弦波信号产生电路，其输入端与所述时序开关电路的输出端相连；信号合成电路，其输入端与所述锯齿波信号产生电路、正弦波信号产生电路相连接，输出端与所述驱动电路相连接。倍频信号产生电路，其输入端与所述正弦波信号产生电路相连接，输出端与所述锁相放大器电路相连接。6.根据权利要求1所述的一种基于tdlas的多气体浓度参数检测系统，其特征在于，所述微处理器的输出端与所述分时信号发生器的输入端连接；用于控制所述分时信号发生器
在不同时序产生的锯齿波信号和正弦波电压信号的幅度及频率。

技术总结

本发明提供了一种基于TDLAS的多气体浓度参数检测系统，属于气体检测技术领域，包括：分时信号发生器；驱动电路，其输入端与分时信号发生器的输出端连接；开关阵列1，包括多个第一开关，第一开关的输入端与驱动电路的输出端连接；气体检测模块，包括多个气体检测通路；多个气体检测通路的输入端分别与多个第一开关的输出端一一对应连接；开关阵列2，包括多个第二开关，多个第二开关的输入端分别与多个气体检测通路的输出端一一对应连接；前置放大器，其输入端与开关阵列2输出端相连接；锁相放大器，其输入端与前置放大器的输出端、分时信号发生器的输出端相连接；微处理器，其输入端与锁相放大器的输出端连接。该系统可对多种混合气体的浓度进行分时序检测。的浓度进行分时序检测。