專利名稱：光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒ㄅc裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種傳感器，具體地講是一種采用光譜吸收原理進行氣體濃度測量的光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒ㄅc裝置。
背景技術(shù)：
光譜吸收式光纖氣體傳感原理是特定氣體對某些特定長的光具有吸收作用。當一束光強為I0的輸入平行光透過該氣體時，如果光源光譜覆蓋該氣體的一個或多個吸收線，光穿透氣體時其透射光強便會發(fā)生衰減。根據(jù)比爾-朗伯特定律，出射光強I與入射光強I0氣體的體積分數(shù)C、吸收光程L之間的關(guān)系為I(t)＝I0(t)exp[-α(v)CL]因此，檢測出透射光強的變化可以確定瓦斯氣體的濃度。但是，由于這種方法是通過檢測透射光強的變化間接計算氣體濃度，所以計算結(jié)果不可避免地會受到光源發(fā)光光強漂移、氣體吸收室粉塵、光路對光的衰減變化等諸多因素的影響。為了消除這些影響，必須進行必要的補償。
通常的光路補償方法是引入?yún)⒖細馐胰鐖D1所示，通過光分路器進行分光，兩束光分別經(jīng)過參考氣室和檢測氣室，通過光電二極管接收后檢測出二次諧波分量。待測氣體信號的二次諧波分量為kdCdLdI0d，參考氣室信號的二次諧波分量為krCrLrI0r。
其中Cd是待測氣體濃度，Cr為參考氣體濃度，kd，kr為二次諧波系數(shù)，I0d，I0r分別是檢測氣室和參考氣室的光強的信號幅值。Ld和Lr分別是檢測氣室和參考氣室的光程。將兩式相除得y＝kdCdLdI0d/krCrLrI0r將上式變形為Cd＝k*y(CrLrI0r)/(LdI0d)(1)
式(1)中y可以通過測量計算得出，k＝kr/kd是個定值，Cr，Lr， Ld是已知值，I0r/I0d由分路器決定，這樣當入射光強改變的時候I0r/I0d不會改變，從而消除了入射光強變化的影響。然而，這種方法并不理想。其局限性主要存在于如下幾個方面(1)發(fā)光管發(fā)光后需要用光分路器分光，這樣會減弱光強，降低檢測靈敏度；(2)增加一條參考通道就提高了產(chǎn)品費用；(3)參考氣室和檢測氣室必須放在同一環(huán)境下，否則環(huán)境溫度和水氣的差異會造成I0r/I0d的變化；(4)在相同環(huán)境中，由于光分路器之后的光纖不是同一根光纖，任何一邊的光纖發(fā)生了形變都會造成I0r/I0d的變化；(5)在測量含有粉塵的氣體濃度時，現(xiàn)場中粉塵會影響氣室的透光率。由于參考氣室是全密閉的不會受到粉塵的影響，而檢測氣室必須是全開放的，會受到粉塵的影響，從而造成I0r/I0d的改變；綜上所述，采用參考光路補償方法很難滿足實際需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既能滿足實際需求，又經(jīng)濟實用的光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒ㄅc裝置，以克服上述的不足。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括嵌入式微處理器、DFBLD光源、溫度控制電路、信號產(chǎn)生與調(diào)制電路、光電二極管、前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換，所采用的方法是在信號產(chǎn)生與調(diào)制電路的控制下，DFB LD光源依次循環(huán)發(fā)射三個光信號，分別是用于標志檢測信號的起始信號A；一個穩(wěn)定的激勵電流的直流信號B；一個交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C，三個光信號通過被測氣室后，光電二極管接收三個光信號，光信號通過前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換后，由嵌入式微處理器計算出結(jié)果。
上述交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C加上直流偏置B后，使交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C中心點對應(yīng)的激光器發(fā)光波長剛好和待測氣體的吸收峰相吻合。
本發(fā)明還提供一種光纖氣體傳感器光路自補償裝置，包括嵌入式微處理器完成波形發(fā)生控制和信號的采樣與處理；DFBLD光源激光器發(fā)光；溫度控制電路對激光器的溫度進行閉環(huán)控制，保證激光器發(fā)光波長的穩(wěn)定性；信號產(chǎn)生與調(diào)制電路產(chǎn)生對DFBLD光源的調(diào)制波形信號；光電二極管接收激光信號；前置放大將光電二極管的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大；諧波檢測對接收的信號進行高通濾波，濾掉基波，然后進行鎖相放大，得到二次諧波信號；直流量檢測對接收信號進行低通濾波，得到直流分量；多路AD轉(zhuǎn)換對諧波信號和直流量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明光路自補償方法是通過控制光源發(fā)光按照特定規(guī)律變化來實現(xiàn)光路自身補償，具有如下幾方面的優(yōu)點(1)采用光路自身補償，光路簡單；(2)不僅能補償氣體吸收室中粉塵、水汽等的影響，而且也消除了光路折彎等諸多因素的影響；(3)消除了溫度變化引發(fā)的光源發(fā)光波長變化對測量結(jié)果的影響。


圖1為現(xiàn)有光路補償方法及裝置原理框圖。
圖2為本發(fā)明對光源的周期性交流調(diào)制信號圖。
圖3為本發(fā)明光路補償方法及裝置原理框圖。
圖4為本發(fā)明的軟件流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
本發(fā)明對光源的周期性交流調(diào)制信號見圖2，其中A為起始信號，用于標志檢測信號；B為直流信號，給光源一個穩(wěn)定的激勵電流，此時光源帶寬很窄；C是一個鋸齒波激勵，給光源一個交流調(diào)制信號，經(jīng)氣室吸收后可得到二次諧波信號。
給上述的交流信號加上直流偏置后，使C中心點對應(yīng)的激光器發(fā)光波長剛好和待測氣體的吸收峰相吻合。當波長有稍微漂移時吸收峰仍然在C的范圍內(nèi)，這樣鋸齒波C就能消除發(fā)光管受溫度影響波長發(fā)生漂移的誤差。鋸齒波C能使發(fā)光管波長帶寬為0.2nm，加上恒溫控制的DFB LD的波長漂移一般不會超過0.1nm，基本上能完全消除波長漂移的影響。
信號B段加上直流偏置后，發(fā)光管在B段發(fā)光波長遠離氣體吸收峰，這樣當氣體濃度發(fā)生變化時，通過氣室后在B段的光強不會發(fā)生改變。當環(huán)境溫度，水汽，灰塵，光纖變形等造成光強發(fā)生變化時，B和C將相同程度的衰減和增強。因此只需把檢測出來的二次諧波分量kdCdLdIc除上B段的光強Ib就能完全消除光強的影響。那么得到算式y(tǒng)＝kdCdLdIc/Ib則Cd＝y(tǒng)Ib/kdLdIc其中kd為二次諧波系數(shù)，Ld為測量氣室光程，Ib為B段光強，Ic為C段光強。因為B段光強不受氣體吸收的影響，所以B段光強不僅能起到消除光強變化產(chǎn)生的影響，還能很好的反映透光率(接收光強與原始光強的比)。當透光率低于一定標準時，可產(chǎn)生報警，提醒檢查光纖是否有很大的形變，氣室的光路上是否沾有灰塵。
本發(fā)明的采用光路自補償方法的氣體濃度測量裝置組成框圖如圖3所示，其中嵌入式微處理器是本裝置的核心控制和信號處理部分，完成波形發(fā)生和信號的采樣與處理。嵌入式微處理器控制信號產(chǎn)生與調(diào)制電路產(chǎn)生如圖2所示的對DFBLD光源的調(diào)制波形信號。信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生交流電流，調(diào)制電路使得交流電流的幅值和直流分量精確可調(diào)，調(diào)整直流分量，使得LD光源在C段發(fā)光的中心波長正好對準被測氣體的吸收峰，使得LD光源發(fā)出的光的周期性波長掃描范圍覆蓋氣體的某一個吸收峰。
溫度控制部分采用硬件電路對激光器的溫度進行閉環(huán)控制，保證激光器發(fā)光波長的穩(wěn)定性。由溫度傳感器采集激光器的溫度，跟預(yù)置的溫度相比較，采用PI調(diào)節(jié)電路對溫度精確控制。
前置放大部分將光電二極管的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大。
諧波檢測部分首先對接收的信號進行高通濾波，濾掉基波，然后進行鎖相放大，得到二次諧波信號。
直流量檢測部分是對接收信號進行低通濾波，得到直流分量。
多路AD轉(zhuǎn)換部分對諧波信號和直流量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，供微處理器選擇B段透射光強數(shù)據(jù)和C段二次諧波數(shù)據(jù)進行氣體濃度計算。
圖4所示是本發(fā)明的軟件框圖，微處理器是ARM系列的S3C44B0X。
本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒ǎㄇ度胧轿⑻幚砥?、DFBLD光源、溫度控制電路、信號產(chǎn)生與調(diào)制電路、光電二極管、前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換，所采用的方法是在信號產(chǎn)生與調(diào)制電路的控制下，DFB LD光源依次循環(huán)發(fā)射三個光信號，分別是用于標志檢測信號的起始信號A；一個穩(wěn)定的激勵電流的直流信號B；一個交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C，三個光信號通過被測氣室后，光電二極管接收三個光信號，光信號通過前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換后，由嵌入式微處理器計算出結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒?，其特征在于交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C加上直流偏置B后，使交流調(diào)制信號的鋸齒波激勵信號C中心點對應(yīng)的激光器發(fā)光波長剛好和待測氣體的吸收峰相吻合。
3.一種光纖氣體傳感器光路自補償裝置，包括嵌入式微處理器完成波形發(fā)生和信號的采樣與處理；DFBLD光源激光器發(fā)光；溫度控制電路對激光器的溫度進行閉環(huán)控制，保證激光器發(fā)光波長的穩(wěn)定性；信號產(chǎn)生與調(diào)制電路產(chǎn)生對DFBLD光源的調(diào)制波形信號；光電二極管接收激光信號；前置放大將光電二極管的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大；諧波檢測對接收的信號進行高通濾波，濾掉基波，然后進行鎖相放大，得到二次諧波信號；直流量檢測對接收信號進行低通濾波，得到直流分量；多路AD轉(zhuǎn)換對諧波信號和直流量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖氣體傳感器光路自補償?shù)姆椒ㄅc裝置，包括嵌入式微處理器、DFBLD光源、溫度控制電路、信號產(chǎn)生與調(diào)制電路、光電二極管、前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換，所采用的方法是DFBLD光源依次循環(huán)發(fā)射三個光信號，分別是用于標志檢測信號；直流信號B；鋸齒波激勵信號C，三個光信號通過被測氣室后，光信號通過前置放大、諧波檢測、直流量檢測及多路AD轉(zhuǎn)換后，由嵌入式微處理器計算出結(jié)果。本發(fā)明是通過控制光源發(fā)光按照特定規(guī)律變化來實現(xiàn)光路自身補償，具有光路簡單；能補償氣體吸收室中粉塵、水汽的影響，也消除了光路折彎的影響和溫度變化引發(fā)的光源發(fā)光波長變化對測量結(jié)果的影響的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/01GK1995977SQ20061016651
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者周祖德, 李方敏, 劉泉, 王洪海, 程松林 申請人:武漢理工大學