一种激光气体分析仪的制作方法

1.本发明属于气体检测、分析技术领域，具体涉及一种激光气体分析仪。


背景技术：

2.现有技术中的激光气体分析仪大致分为两种结构，包括原位对穿式和采样多反腔式，其中原位对穿式可实时对气体进行监测，但其测量光程较短；采样多反腔式在腔体内设有多个反射镜，激光光路在腔体内实现光路的来回反射，从而在较小结构实现较长光程，但是采样多反腔式相对于一些高浓度、高粉尘等恶劣工况需要进行样气的预处理，操作繁杂。
3.但是不论哪一种激光气体分析仪，所要测量的气体与对应波长激光功率的吸收量非常小，容易造成测量结果准确度不够，存在较大的误差。


技术实现要素：

4.本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种激光气体分析仪，包括信号发生器、恒流电源、激光光源、气室、感光模块、前置放大器、混频器、滤波模块、模数转换模块、微控制模块；信号发生器用于生成扫描信号、调制信号及解调信号；恒流电源用于为激光光源提供高稳定度低噪声的电流，使激光光源发光；气室用于充入气体，通过气体对激光的吸收以检测分析所充入的气体；感光模块用于接收穿过气室后的激光信号；前置放大器用于将感光模块接收到的激光信号转换成电压信号，同时调整使其幅度能够满足模数转换的要求；混频器用于接收信号发生器产生的解调信号以及经过前置放大器放大后的光信号进行混频；滤波模块用于将经过混频器处理的混频信号进行滤波处理生成二次微分曲线；模数转换模块用于将滤波处理生成的二次微分曲线经模数转换为数字量；微控制模块用于将模数转换模块转换后的数字量二次微分曲线进行拟合、解析，从而得到待分析的气体含量；信号发生器分别电连接恒流电源、混频器，所述恒流电源电连接激光光源，所述激光光源发光穿过气室后由感光模块接收，所述感光模块电连接前置放大器，所述前置放大器电连接滤波模块，所述滤波模块电连接模数转换模块，所述模数转换模块电连接微控制模块；信号发生器将调制信号、扫描信号输送至恒流电源，所述信号发生器将调解信号输送至混频器，所述滤波模块将滤波处理生成的二次微分曲线输送至模数转换模块；将低噪声高稳定恒流电源产生的电流通入激光光源，其即可发出恒定波长的激光；为了使激光波长改变时的分辨率更高，不使用改变电流值大小的方案，而是利用扫描信号使激光波长发生连续改变；因此可以通过配置权值电阻的方法，使得扫描信号转变的电流分辨率更高，因此，需要信号发生器来产生扫描信号和调制信号，同时，信号发生器还要产生一路调制信号频率2倍的信号供后级解调使用；这样，激光光源发出的激光就是带有调制信号和扫描信号的三角波信号，将该激光信号通过光路进行光斑整形和扩束之后，通入被测气体的气室，通过气室的激光会在气体能够吸收的激光波长的位置有个凹陷；利用感光模块将激光信号转换成电流信号，再利用前置放大器将电流信号转变成幅度一定的电压信号，将该信号与信号发生器输送至混频器的解调信号混频后，通过滤波模块滤除高次谐波，得到信号即为反映气体含量的二
次微分曲线，将二次微分曲线经模数转换模块转换为数字量后进入微控制模块进行拟合、解析，从而得到实际的气体含量；为了保证测量的准确性，还采用标准气体同样生成二次微分曲线进行校准。
5.优选的，所述气室包括相互独立的被测气室和标准气室。
6.优选的，所述激光气体分析仪还包括人机交互模块，人机交互模块用于控制指令的输入、气体分析结果的显示和输出，人机交互模块与微控制模块电连接。
7.优选的，所述激光光源为可调谐的分布式反馈的半导体激光二极管。
8.优选的，所述激光气体分析仪还包括温度控制模块，温度控制模块用于调整激光光源的加热或者制冷，使得激光光源的温度达到设定值；对激光光源进行精密控温使得其发出激光的波长不因外界温度的改变而改变。
9.更优的，所述温度控制模块包括温度感应电桥、信号调理模块、温度微控制器、温度工作点设定模块、模拟pid运算模块、功率放大模块，温度感应电桥电连接至信号调理模块，信号调理模块分别电连接温度微控制器和温度工作点设定模块，温度工作点设定模块电连接至模拟pid运算模块，模拟pid运算模块电连接至功率放大模块。
10.优选的，所述激光气体分析仪还包括模拟量输出模块，模拟量输出模块用于待测气体的实际含量，控制继电器实现报警等功能或者实现工业4-20ma的电流输出，模拟量输出模块电连接微控制模块。
11.本发明的有益效果是：本发明提供的激光气体分析仪，通过设置可输出不同频率的光源，使得该激光气体分析仪能够根据检测的气体不同，调节光源输出与气体吸收率最大的激光，从而提高激光气体分析仪检测气体的精度；另外，通过温度控制系统对光源的温度进行精密控制，使得光源发出的光的波长固定在设定的频率，不会因为温度改变而发生变化，从而使得光源发出恒定波长的光，进一步提高激光气体分析仪检测气体的精度。
附图说明
12.图1是激光气体分析仪的系统示意图；
13.图2是温度控制模块设计的示意图；
14.图3是恒流电源设计的示意图；
15.图4是信号发生器设计的示意图；
16.图5是前置放大器设计的示意图；
17.图6是二次微分曲线生成原理框图；
18.图7气体含量检测流程图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的相关技术进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
20.参考图1～7，一种激光气体分析仪，包括信号发生器、恒流电源、激光光源、气室、感光模块、前置放大器、混频器、滤波模块、模数转换模块、微控制模块；信号发生器用于生
成扫描信号、调制信号及解调信号；恒流电源用于为激光光源提供高稳定度低噪声的电流，使激光光源发光；气室用于充入气体，通过气体对激光的吸收以检测分析所充入的气体；感光模块用于接收穿过气室后的激光信号；前置放大器用于将感光模块接收到的激光信号转换成电压信号，同时调整使其幅度能够满足模数转换的要求；混频器用于接收信号发生器产生的解调信号以及经过前置放大器放大后的光信号进行混频；滤波模块用于将经过混频器处理的混频信号进行滤波处理生成二次微分曲线；模数转换模块用于将滤波处理生成的二次微分曲线经模数转换为数字量；微控制模块用于将模数转换模块转换后的数字二次微分曲线进行拟合、解析，从而得到待分析的气体含量；信号发生器分别电连接恒流电源、混频器，所述恒流电源电连接激光光源，所述激光光源发光穿过气室后由感光模块接收，所述感光模块电连接前置放大器，所述前置放大器电连接滤波模块，所述滤波模块电连接模数转换模块，所述模数转换模块电连接微控制模块；信号发生器将调制信号、扫描信号输送至恒流电源，所述信号发生器将调解信号输送至混频器，所述滤波模块将滤波处理生成的二次微分曲线输送至模数转换模块；将低噪声高稳定恒流电源产生的电流通入激光光源，其即可发出恒定波长的激光；为了使激光波长改变时的分辨率更高，不使用改变电流值大小的方案，而是利用扫描信号使激光波长发生连续改变；因此可以通过配置权值电阻的方法，使得扫描信号转变的电流分辨率更高，因此，需要信号发生器来产生扫描信号和调制信号，同时，信号发生器还要产生一路调制信号频率2倍的信号供后级解调使用；这样，激光光源发出的激光就是带有调制信号和扫描信号的三角波信号，将该激光信号通过光路进行光斑整形和扩束之后，通入被测气体的气室，通过气室的激光会在气体能够吸收的激光波长的位置有个凹陷；利用感光模块将激光信号转换成电流信号，再利用前置放大器将电流信号转变成幅度一定的电压信号，将该信号与信号发生器输送至混频器的解调信号混频后，通过滤波模块滤除高次谐波，得到信号即为反映气体含量的二次微分曲线，将二次微分曲线经模数转换模块转换为数字量后进入微控制模块进行拟合、解析，从而得到实际的气体含量；为了保证测量的准确性，还采用标准气体同样生成二次微分曲线进行校准。
21.进一步的，所述气室包括相互独立的被测气室和标准气室。
22.进一步的，所述激光气体分析仪还包括人机交互模块，人机交互模块用于控制指令的输入、气体分析结果的显示和输出，人机交互模块与微控制模块电连接。
23.进一步的，所述激光光源为可调谐的分布式反馈的半导体激光二极管。
24.进一步的，所述激光气体分析仪还包括温度控制模块，温度控制模块用于调整激光光源的加热或者制冷，使得激光光源的温度达到设定值；对激光光源进行精密控温使得其发出激光的波长不因外界温度的改变而改变。
25.更进一步的，所述温度控制模块包括温度感应电桥、信号调理模块、温度微控制器、温度工作点设定模块、模拟pid运算模块、功率放大模块，温度感应电桥电连接至信号调理模块，信号调理模块分别电连接温度微控制器和温度工作点设定模块，温度工作点设定模块电连接至模拟pid运算模块，模拟pid运算模块电连接至功率放大模块。
26.进一步的，所述激光气体分析仪还包括模拟量输出模块，模拟量输出模块用于待测气体的实际含量，控制继电器实现报警等功能或者实现工业4-20ma的电流输出，模拟量输出模块电连接微控制模块。
27.实施例
28.本实施例中，对激光气体分析仪进行了模块化设计，共分为精密温度控制、低噪高稳恒流源、信号发生器、前置放大器、二次微分曲线生成、气体浓度解析、人机交互、模拟量输出、光路、电源等10个功能模块。
29.1.精密温度控制。
30.温度变化，热敏电阻的阻值便发生变化，通过温度感应电桥转换为输出电压，该电压经过信号调理后分成两路，一路通过模数转换进入微控制器，微控制器根据电压值计算实时温度。另外一路和微控制器控制的数模转换设定的温度工作点做差分运算，差分运算的结果经过模拟pid运算得到一个温度纠正电压信号，该信号通过功率放大电路转变成电流信号。将此电流信号馈入半导体制冷片，对激光二极管进行加热或者制冷，调整其温度达到设定值。
31.这里，我们采用了模拟pid运算，其优点是反应迅速，用在热容量较小的激光二极管控温较为合适。而且由于激光二极管后期要增加扫描信号和调制信号，也需要能够迅速反应扫描等信号引起的温度变化。而数字pid运算速度较慢，且有一定梯度，对扫描等信号引起的温度变化反应较慢。
32.指标要求：
33.a)温度设定范围：20℃——30℃。
34.b)控温精度：
±
0.002℃。
35.c)显示分辨率：0.01℃。
36.d)设定步进：0.01℃。
37.2.低噪高稳恒流源。
38.低噪高稳恒流源的功能是为激光二极管提供高稳定度低噪声的电流，使激光二极管发光，且调制信号和扫描信号均需通过该恒流源馈入激光管。该电路设计的电流相对稳定度在10-5
量级，即电流输出100ma时，变化量在为几个ua。如图3所示。
39.微控制器控制dac产生电压信号，电压信号经过vi变换将电压信号转变为电流，考虑到vi信号的驱动能力有限，需要将电流信号进行扩流后供给激光二极管。采样电阻和dac的电压信号共同决定了电流的大小。将采样电阻的压降取出来，供给adc部分，adc再将结果传送给数字部分，以确定实际电流的大小。其他信号通过vi变换处的运算放大器馈入。
40.指标要求：
41.a)输出电流范围：0-100ma。
42.b)电流相对纹波系数：≤5
×
10-5
(纹波起伏≤5ua、100ma)。
43.c)电流显示精度：0.01ma。
44.d)电流调整步进：0.01ma。
45.e)电流噪声≤5mv(1ω负载、100ma输出)。
46.3.信号发生器。
47.信号发生器生成扫描信号、调制信号及解调信号，使激光波长发生连续变化并带上调制。在经过被测气体后，激光转换的电信号和解调信号混频并滤波，生成需要的二次微分曲线。如图4所示。
48.由于信号发生器需要连续运行，对时间要求比较高，因此，我们采用了与其他场合不同的微控制器cpld。该控制器接收通讯信号，按要求生成三个信号，并可以对信号的幅
度、频率等参数进行设置。
49.cpld控制数模转换器生成三角波，经低通滤波后生成扫描信号。再生成频率分别为f和2f的方波，经低通滤波后生成正弦波，分别用做调制信号和解调信号。
50.指标要求；
51.a)扫描信号幅度：0—4000mv连续可调，步进100mv，显示精度100mv。
52.b)扫描信号频率：0—100hz连续可调，步进1hz，显示精度1hz。
53.c)调制信号幅度：0—1000mv连续可调，步进1mv，显示精度1mv。
54.d)调制信号频率：1khz—30khz连续可调，步进1khz，显示精度1khz。
55.e)解调信号幅度：0—1000mv连续可调，步进1mv，显示精度1mv。
56.f)解调信号频率：2khz—30khz连续可调，步进1khz，显示精度1khz。
57.g)附加：解调信号频率始终为调制信号频率2倍，如果一个改变，另外一个也自动改变。
58.h)所有信号的噪声≤5mv。
59.4.前置放大器。
60.经过气室的激光，已经携带了气体含量的特征，我们需要将其提取。而激光信号属于光信号，处理难度较大，需要我们将其转换成电压信号，同时调整使其幅度能够满足模数转换的要求。前置放大器作用即在于此。如图5所示。
61.光电传感器将激光信号转换为电流信号，再由运算放大器转换为电压信号，滤波后，进入反相放大器进行放大。同时，这里配置了一个消偏置电路，增加信号的动态范围。
62.指标要求：
63.a)截止频率：30khz(最大调制频率)
64.b)增益：≥2000v/mw(激光功率1mw时，输出电压不小于2v)
65.c)消偏范围：
±
10v
66.5.二次微分曲线生成。
67.二次微分曲线的幅度表征了气体含量的高低，根据仪表原理，该曲线是由气体吸收信号和解调信号混频后再经低通滤波器滤除高次谐波而成的。如图6所示。
68.6.气体浓度解析。
69.通过对二次微分曲线的采样和拟合，计算实际气体含量。该部分首先使用模数转换器对二次微分曲线进行采样，采样完毕之后，微控制器首先根据采样值重新拟合得到数字化的二次微分曲线，再根据二次微分曲线的幅度值，判断气体的实际含量。
70.该部分的核心在于算法的设计，且为使测量更为准确，一般需要根据标准气体的二次微分曲线对算法进行校准。
71.该部分设计框图较为简单，只需将二次微分曲线进行模数转换，然后将数据送入微控制器进行分析。算法则较为关键，其流程图如图7所示，其也是整个仪表主要运作流程。
72.前提：根据激光管测试参数确定温度工作点和电流工作点，也就是激光波长对应的电流值和温度值。
73.7.人机交互。
74.即仪器的输入和输出，利用键盘、旋转编码器、串口通讯等功能输入信息。将气体含量、激光管温度、激光管电流、仪器配置等信息利用lcd屏幕进行显示。
75.8.模拟量输出。
76.根据气体的实际含量，控制继电器实现报警等功能，或者实现工业4-20ma的电流输出。
77.9.光路。
78.对激光管输出激光的光斑进行整型、扩束，控制激光行进路径，能够从合适的角度进入被测气体的气室内，并使经过气室的激光能够进入光电传感器进行光信号和电信号的转换。
79.10.电源。
80.提供系统能源，为运算放大器、微控制器等所有芯片提供合适电压，并保证噪声和功率满足使用要求。因系统对噪声较为敏感，需线型电源方案，开关电源不能满足系统对噪声的要求。
81.综上所述，本发明提供了一种激光气体分析仪，通过设置可输出不同频率的光源，使得该激光气体分析仪能够根据检测的气体不同，调节光源输出的与气体吸收率最大的光，从而提高激光气体分析仪检测气体的精度；另外，通过温度控制系统对光源的温度进行精密控制，使得光源发出的光的波长固定在设定的频率，不会因为温度改变而发生变化，从而使得光源发出恒定波长的光，进一步提高激光气体分析仪检测气体的精度，因此本发明拥有广泛的应用前景。
82.需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。