本發(fā)明屬于氣體檢測，具體涉及一種氣體檢測光模塊及其控溫自設(shè)定、波長、光強(qiáng)自校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

1、tdlas技術(shù)（tunable?diode?laser?absorption?spectroscopy，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜）和光聲光譜技術(shù)（pas）均是基于可調(diào)諧二極管激光器，利用被測氣體分子的“選頻”特性，實(shí)現(xiàn)對被測氣體特征的測量。氣體分子對光波的“選頻”特性規(guī)避了其他無關(guān)氣體組分的交叉干擾，成為當(dāng)前精準(zhǔn)實(shí)時在線氣體檢測系統(tǒng)方案的優(yōu)選，其相應(yīng)速度快，測量下限低、可實(shí)現(xiàn)自我校準(zhǔn)整定的特點(diǎn)，特別適用于危險(xiǎn)氣體的測量，其中包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、氨氣、硫化氫、乙炔、乙烯等氣體。

2、基于光譜檢測技術(shù)的氣體檢測方案及設(shè)備大量涌現(xiàn)，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)固定式測試系統(tǒng)、分布式測試系統(tǒng)、遙測式測試系統(tǒng)等多種測量方式。

3、目前現(xiàn)有的針對tdlas技術(shù)和光聲光譜技術(shù)（pas）實(shí)現(xiàn)氣體在線檢測的裝置存在有以下主要技術(shù)問題：

4、（1）當(dāng)前市面上實(shí)時在線檢測儀使用的光模塊，不具備激光器控溫溫度自檢測，自設(shè)定功能。即每一顆激光器在搭配光模塊時，均需要人工調(diào)試尋找其對應(yīng)被測氣體吸收的波長的控溫溫度點(diǎn)，大大降低了傳感器生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本。

5、（2）前市面上實(shí)時在線檢測儀使用的光模塊，不具備激光器光強(qiáng)波長自校準(zhǔn)功能。根據(jù)比爾-朗伯定律?(beer-lambert?law)?可知。波長變化、本征光強(qiáng)變化均會帶來吸收光強(qiáng)的變化，從到導(dǎo)致反演后的氣體濃度發(fā)生改變，然而激光器由于使用溫度變化以及激光器壽命老化，均會帶來波長的漂移，輸出光強(qiáng)斜效率的變化。因此當(dāng)前氣體傳感器所使用的光模塊都需要定期返廠校準(zhǔn)，無法做到長期穩(wěn)定可靠的工作。

6、（3）前市面上實(shí)時在線檢測儀使用的光模塊，不具備激光器光強(qiáng)小幅度變化的算法濾除功能。因此造成傳感器示值穩(wěn)定度差，或用多次平均算法后的響應(yīng)速度慢等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，提出了一種氣體檢測光模塊及其控溫自設(shè)定、波長、光強(qiáng)自校準(zhǔn)方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：本發(fā)明公開了一種氣體檢測光模塊的控溫自設(shè)定方法，包括如下步驟：控制激光器驅(qū)動電路輸出對應(yīng)周期性連續(xù)調(diào)制信號來調(diào)諧激光器，其中，所述調(diào)制信號的單個周期信號包括用于波長校準(zhǔn)及實(shí)時測量的第一部分信號以及用于光強(qiáng)校準(zhǔn)的第二部分信號；

3、控制激光器溫控電路按照設(shè)定的掃描范圍對激光器進(jìn)行設(shè)定溫度掃描；

4、接收參考探測器輸出的電信號并解算，當(dāng)信號存在符合設(shè)定要求的吸收峰值或過零點(diǎn)λc時，得到信號對應(yīng)的溫度tc；

5、控制激光器溫控電路對激光器進(jìn)行溫度設(shè)定，激光器溫度設(shè)定點(diǎn)為tc。

6、進(jìn)一步地，所述第一部分信號為低頻半鋸齒波疊加高頻正弦波后形成的第一疊加信號；

7、所述第二部分信號為高電平恒壓信號疊加高頻正弦波后形成的第二疊加信號、低電平恒壓信號疊加高頻正弦波后形成的第三疊加信號、第一疊加信號的前段未被吸收部分、第一疊加信號的后段未被吸收部分中的其中一個，或，所述第二部分信號為低電平恒壓信號、高電平恒壓信號、第二疊加信號、第三疊加信號、第一疊加信號的前段未被吸收部分、第一疊加信號的后段未被吸收部分這六種信號的任意組合，且各組合包括第二疊加信號、第三疊加信號、第一疊加信號的前段未被吸收部分、第一疊加信號的后段未被吸收部分中的至少一個；

8、第一疊加信號的正弦波的幅值、頻率與第二疊加信號或/和第三疊加信號的正弦波幅值、頻率保持一致；

9、所述第二部分信號的低電平恒壓信號或/和第三疊加信號的低電平恒壓信號的電平與第一部分信號的第一疊加信號的起點(diǎn)低電平相同；

10、所述第二部分信號的高電平恒壓信號或/和第二疊加信號的高電平恒壓信號的電平與第一部分信號的第一疊加信號的終點(diǎn)高電平相同。

11、進(jìn)一步地，控制激光器溫控電路按照設(shè)定的掃描范圍對激光器進(jìn)行設(shè)定溫度掃描，具體包括：按照設(shè)定的掃描范圍改變激光器溫度設(shè)定點(diǎn)來使得所接收參考探測器輸出的電信號經(jīng)過解算后出現(xiàn)符合要求的吸收峰值點(diǎn)或過零點(diǎn)λc。

12、進(jìn)一步地，控制激光器溫控電路按照設(shè)定的掃描范圍對激光器進(jìn)行設(shè)定溫度掃描，具體包括：按照設(shè)定的掃描范圍改變激光器溫度設(shè)定點(diǎn)來使得所接收參考探測器輸出的電信號經(jīng)過解算后出現(xiàn)符合要求的吸收峰值點(diǎn)或過零點(diǎn)λc，且使得λc位置位于直接吸收信號或者諧波信號的單周期信號中心；

13、參考探測器輸出的電信號為原始吸收信號，原始吸收信號經(jīng)過濾波、擬合、解算后得到直接吸收信號，原始吸收信號經(jīng)過鎖相濾波解算后得到諧波信號。

14、本發(fā)明還公開了一種氣體檢測光模塊的波長自校準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

15、控制激光器驅(qū)動電路輸出對應(yīng)周期性連續(xù)調(diào)制信號來調(diào)諧激光器，其中，所述調(diào)制信號的單個周期信號包括用于波長校準(zhǔn)及實(shí)時測量的第一部分信號以及用于光強(qiáng)校準(zhǔn)的第二部分信號；

16、接收參考探測器輸出的電信號并解算，得到直接吸收信號，當(dāng)直接吸收信號的峰值aθ對應(yīng)的橫坐標(biāo)位置λθ1偏離設(shè)定要求的λc時，調(diào)整激光器溫度設(shè)定點(diǎn)，用以校正直接吸收信號的位置λθ1，使位置λθ1回到λc位置；

17、或

18、接收參考探測器輸出的電信號并解算，得到一次諧波信號，當(dāng)其一次諧波過零點(diǎn)位置λθ偏離λc時，調(diào)整激光器溫度設(shè)定點(diǎn)，用以校正一次諧波過零點(diǎn)位置λθ，使諧波過零點(diǎn)位置λθ回到λc位置；

19、或

20、接收參考探測器輸出的電信號并解算，得到二次諧波信號，當(dāng)其二次諧波峰值對應(yīng)的橫坐標(biāo)位置λθ2偏離λc時，調(diào)整激光器溫度設(shè)定點(diǎn)，用以校正二次諧波信號的位置λθ2，使位置λθ2回到λc位置。

21、本發(fā)明還公開了一種氣體檢測光模塊的光強(qiáng)自校準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

22、控制激光器驅(qū)動電路輸出對應(yīng)周期性連續(xù)調(diào)制信號來調(diào)諧激光器，其中，所述調(diào)制信號的單個周期信號包括用于波長校準(zhǔn)及實(shí)時測量的第一部分信號以及用于光強(qiáng)校準(zhǔn)的第二部分信號；

23、接收參考探測器或測量探測器輸出的電信號即原始吸收信號，當(dāng)檢測到原始吸收信號的第二部分信號中的正弦波電平相較第一設(shè)定值發(fā)生變化時，控制激光器驅(qū)動電路調(diào)整調(diào)制信號的正弦波電平幅度，使調(diào)制信號中的正弦波電平回到第一設(shè)定值；

24、接收參考探測器或測量探測器輸出的電信號即原始吸收信號，當(dāng)檢測到原始吸收信號的第二部分信號中的高電平恒壓信號或低電平恒壓信號相較第二設(shè)定值發(fā)生變化時，控制激光器驅(qū)動電路調(diào)整調(diào)制信號的低頻鋸齒波起點(diǎn)或終點(diǎn)電平，低頻鋸齒波電平幅值不做調(diào)整。

25、本發(fā)明還公開了一種氣體檢測光模塊，包括：

26、電源電路，所述電源電路用于給整個裝置供電；

27、激光器驅(qū)動電路，所述激光器驅(qū)動電路的輸出端與激光器連接，所述激光器驅(qū)動電路的輸入端與數(shù)據(jù)處理電路的第一輸出端連接；

28、激光器溫控電路，所述激光器溫控電路的輸出端與激光器的tec連接，所述激光器溫控電路的輸入端與數(shù)據(jù)處理電路的第二輸出端連接；

29、測量信號采集電路，所述測量信號采集電路包括測量端跨阻放大電路，所述測量端跨阻放大電路的輸入端與測量探測器連接，測量端跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端連接；

30、參考信號采集電路，所述參考信號采集電路包括參考端跨阻放大電路，所述參考端跨阻放大電路的輸入端與參考探測器連接，參考端跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端連接；

31、數(shù)據(jù)處理電路，所述數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端用于接收測量端跨阻放大電路輸出的電信號，所述數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端用于接收參考端跨阻放大電路輸出的電信號，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考端跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行溫度自設(shè)定以及波長實(shí)時自校準(zhǔn)，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用測量端跨阻放大電路輸出的電信號測量被測氣體濃度，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考端跨阻放大電路輸出的電信號或測量端跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行光強(qiáng)實(shí)時自校準(zhǔn)。

32、進(jìn)一步地，測量信號采集電路還包括測量端模擬鎖相濾波電路，測量端模擬鎖相濾波電路位于測量端跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端之間，所述測量端跨阻放大電路用于將測量探測器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號且放大信號，所述測量端模擬鎖相濾波電路用于將測量端跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行鎖相濾波，并輸出給數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換；

33、所述參考信號采集電路還包括參考端模擬鎖相濾波電路，參考端模擬鎖相濾波電路位于參考端跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端之間，所述參考端跨組放大電路用于將參考探測器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號且放大信號，所述參考端模擬鎖相濾波電路用于將參考端跨組放大電路輸出的電信號進(jìn)行鎖相濾波，并輸出給數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換；

34、所述數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端用于接收測量端模擬鎖相濾波電路輸出的電信號，得到測量端諧波信號，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用測量端諧波信號測量被測氣體濃度；

35、所述數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端用于接收參考端模擬鎖相濾波電路輸出的電信號，得到參考端諧波信號，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考端諧波信號進(jìn)行溫度自設(shè)定以及波長實(shí)時自校準(zhǔn)；

36、數(shù)據(jù)處理電路的第三輸入端用于接收測量端跨阻放大電路輸出的電信號或參考端跨阻放大電路輸出的電信號,得到測量端原始吸收信號或參考端原始吸收信號，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用測量端原始吸收信號或參考端原始吸收信號進(jìn)行光強(qiáng)實(shí)時自校準(zhǔn)。

37、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端用于接收測量端跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換，得到測量端原始吸收信號；

38、所述數(shù)據(jù)處理電路內(nèi)設(shè)有測量端數(shù)字鎖相濾波模塊和/或測量端數(shù)字濾波模塊，所述測量端數(shù)字鎖相濾波模塊用于對測量端原始吸收信號進(jìn)行數(shù)字鎖相濾波，得到測量端諧波信號，所述測量端數(shù)字濾波模塊用于對測量端原始吸收信號進(jìn)行濾波、擬合、解算，得到測量端直接吸收信號；

39、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用測量端諧波信號或/和測量端直接吸收信號測量被測氣體濃度；

40、所述數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端用于接收參考端跨組放大電路輸出的電信號進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換，得到參考端原始吸收信號；

41、所述數(shù)據(jù)處理電路內(nèi)設(shè)有參考端數(shù)字鎖相濾波模塊和/或參考端數(shù)字濾波模塊，所述參考端數(shù)字鎖相濾波模塊用于對參考端原始吸收信號進(jìn)行數(shù)字鎖相濾波，得到參考端諧波信號，所述參考端數(shù)字濾波模塊用于對參考端原始吸收信號進(jìn)行濾波、擬合、解算，得到參考端直接吸收信號；

42、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考端諧波信號或參考端直接吸收信號進(jìn)行溫度自設(shè)定以及波長實(shí)時自校準(zhǔn)；

43、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用測量端原始吸收信號或參考端原始吸收信號進(jìn)行光強(qiáng)實(shí)時自校準(zhǔn)。

44、本發(fā)明還公開了一種氣體檢測光模塊，包括：

45、電源電路，所述電源電路用于給整個裝置供電；

46、激光器驅(qū)動電路，所述激光器驅(qū)動電路的輸出端與激光器連接，所述激光器驅(qū)動電路的輸入端與數(shù)據(jù)處理電路的第一輸出端連接；

47、激光器溫控電路，所述激光器溫控電路的輸出端與激光器的tec連接，所述激光器溫控電路的輸入端與數(shù)據(jù)處理電路的第二輸出端連接；

48、參考測量信號采集電路，所述參考測量信號采集電路包括參考測量跨阻放大電路，所述參考測量跨阻放大電路的輸入端與參考測量探測器連接，參考測量跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端連接；

49、數(shù)據(jù)處理電路，所述數(shù)據(jù)處理電路的第一輸入端用于接收參考測量跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換，得到參考測量原始吸收信號；

50、參考測量跨阻放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端之間設(shè)有參考測量模擬鎖相濾波電路，或者，所述數(shù)據(jù)處理電路內(nèi)設(shè)有參考測量數(shù)字鎖相濾波模塊和/或參考測量數(shù)字濾波模塊；

51、參考測量模擬鎖相濾波電路用于將參考測量跨阻放大電路輸出的電信號進(jìn)行鎖相濾波，并輸出給數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端進(jìn)行adc轉(zhuǎn)換，以供數(shù)據(jù)處理電路的第二輸入端接收參考測量模擬鎖相濾波電路輸出的電信號，得到參考測量諧波信號；

52、所述參考測量數(shù)字鎖相濾波模塊用于對參考測量原始吸收信號進(jìn)行數(shù)字鎖相濾波，得到參考測量諧波信號，所述參考測量數(shù)字濾波模塊用于對參考測量原始吸收信號進(jìn)行濾波、擬合、解算，得到參考測量直接吸收信號；

53、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考測量諧波信號或/和參考測量直接吸收信號測量被測氣體濃度；

54、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考測量諧波信號或參考測量直接吸收信號進(jìn)行溫度自設(shè)定以及波長實(shí)時自校準(zhǔn)；

55、所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用參考測量原始吸收信號進(jìn)行光強(qiáng)實(shí)時自校準(zhǔn)。

56、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理電路用于利用諧波信號或/和直接吸收信號測量被測氣體濃度，并用于在被測氣體的體積濃度小于預(yù)設(shè)值時，使用諧波信號測量的被測氣體濃度作為被測氣體濃度；在被測氣體的體積濃度大于預(yù)設(shè)值時，使用直接吸收信號測量的被測氣體濃度作為被測氣體濃度。

57、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

58、采用本發(fā)明的控溫自設(shè)定方法，使得本發(fā)明的氣體檢測光模塊可以實(shí)現(xiàn)任意激光器控溫溫度自檢測，自設(shè)定功能。即每一顆激光器在搭配光模塊時，無需要人工調(diào)試尋找其對應(yīng)被測氣體吸收的波長的控溫溫度點(diǎn)，大大提高了傳感器生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

59、采用本發(fā)明的光強(qiáng)波長自校準(zhǔn)方法，使得本發(fā)明的氣體檢測光模塊可以實(shí)現(xiàn)激光器光強(qiáng)實(shí)時自校正，波長實(shí)時自校準(zhǔn)功能，克服了激光器由于使用溫度變化以及激光器壽命老化均會帶來的波長的漂移、激光器閾值以及光強(qiáng)斜效率的變化，真正意義上實(shí)現(xiàn)了使用該光模塊傳感器的生命周期內(nèi)終身免維護(hù)，免校準(zhǔn)。大大提高了產(chǎn)品的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性。