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原文传递基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法

专利名称：	基于波长调制光谱技术的实时监测气体浓度的系统和方法
摘要：	一种监测气体浓度的系统，包括分布式反馈激光器、信号发生模块、角锥棱镜、离轴抛物面镜、光电探测模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块，其中：所述分布式反馈激光器输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中心孔和目标气体的待测区域，由角锥棱镜反射回至离轴抛物面镜，返回的激光汇聚到所述光电探测模块的光敏区；信号传输模块将所述光电探测模块采集到的电信号传输给锁相放大模块；锁相放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解调；所述信号处理模块通过滤波器提取2f信号，并利用滤波器对所述提取的信号进行平滑滤波，从而为后续的算法处理提供2f信号和直流信号。
专利类型：	发明专利
申请人：	天津同阳科技发展有限公司
发明人：	李永刚;张涛;李洪刚;魏莹莹
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T20:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
申请号：	CN201911326880.0
公开号：	CN110987870A
代理机构：	中科专利商标代理有限责任公司
代理人：	吴梦圆
分类号：	G01N21/39;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/39
申请人地址：	300384 天津市滨海新区华苑产业区兰苑路五号A座-702
主权项：	1.一种监测气体浓度的系统，其特征在于，包括分布式反馈激光器、信号发生模块、角锥棱镜、离轴抛物面镜、光电探测模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块，其中：所述分布式反馈激光器输出的激光经准直后通过离轴抛物面镜中的中心孔和目标气体的待测区域，由角锥棱镜反射回至离轴抛物面镜，返回的激光汇聚到所述光电探测模块的光敏区；信号传输模块将所述光电探测模块采集到的电信号传输给锁相放大模块；锁相放大模块利用所述信号发生模块提供的参考信号将所述光电探测模块采集到的电信号进行解调；所述信号处理模块通过滤波器提取2f信号，并利用滤波器对所述提取的信号进行平滑滤波，从而为后续的算法处理提供2f信号和直流信号。 2.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号发生模块产生锯齿信号和正弦信号，并将正弦信号调制到锯齿信号上作为所述分布式反馈激光器的驱动信号；所述光电探测模块用于将接收到的光信号转换为含有气体浓度信息的电信号，得到直接吸收信号。 3.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述系统还包括温度控制模块，所述温度控制模块用于控制所述分布式反馈激光器的工作温度，内部的二级温控可将温度准确控制在所需的温度，误差为±0.001℃，有效保证了所述分布式反馈激光器输出波长的稳定性；所述系统还包括电流驱动模块，所述电流驱动模块将调制后的电压信号转为电流信号，并对所述分布式反馈激光器进行电流调谐，保证所述分布式反馈激光器发出激光的波长范围完全覆盖目标气体的吸收波长。 4.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述系统利用直流信号对2f信号进行归一化处理，内部无需设置参考气室和参考光路，系统复杂度低。 5.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号处理模块利用FIR滤波器提取气体的吸收谱线。 6.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号处理模块利用直流信号对2f信号进行归一化处理，并通过建立归一化后2f信号峰值与浓度的二阶关系式，快速反演浓度。 7.根据权利要求6所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述反演具体步骤如下：预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f吸收峰的峰值，记为2fpeak；由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段直接吸收信号，并对该段直接吸收信号求均值，记为dcmean；利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到归一化的2f值，记为2fmean；建立浓度与2fmean的非线性关系式；将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。 8.根据权利要求1所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述信号发生模块、信号传输模块、锁相放大模块和信号处理模块集成在同一电路板上。 9.根据权利要求3所述的监测气体浓度的系统，其特征在于，所述温度控制模块和电流驱动模块集成在同一电路板上。 10.一种采用如权利要求1～9任一所述的监测气体浓度的系统进行气体浓度监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述系统上电自启，信号发生模块产生波形的电压，电流驱动模块将电压信号转换为电流，驱动激光器产生激光信号；激光信号通过离轴抛物面镜的中心孔，穿过待测气体的目标区域，角锥棱镜将激光信号反射至离轴抛物面镜；离轴抛物面镜将激光汇聚在光电探测模块上，光电探测模块将光信号转换为电压信号，信号传输模块采集电压信号传输给锁相放大模块，锁相放大模块解析出2f信号；判断光强是否满足要求，若不满足要求，则报警，并判断光强是否满足要求；若满足要求，则采集2f信号，并采用快速反演步骤可得到气体浓度。其中，快速反演包括如下步骤：预采集待测气体区域不同浓度的2f信号和直接吸收信号，进行如下处理：在已知为吸收峰的位置处提取2f波峰的最大值，并在吸收峰两翼的位置处提取2f波谷的左翼最小值和右翼最小值，将最大值减去左翼最小值和右翼最小值的平均值得到2f吸收峰的峰值，记为2fpeak；由于直接吸收信号的点数与2f信号的点数已知相等，选取无吸收峰位置处的某段直接吸收信号，并对该段直接吸收信号求均值，记为dcmean；利用直接吸收信号的均值dcmean对2f吸收峰的峰值2fpeak进行归一化处理，得到归一化的2f值，记为2fmean；建立浓度与2fmean的非线性关系式；将待测浓度的气体冲入待测气体区域中，计算得到所述归一化的2f值，并将该值代入已建立的非线性关系式，即求得待测气体浓度的真值。
所属类别：	发明专利