本實(shí)用新型涉及光纖傳感探測技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)，特別涉及一種基于波長調(diào)制光譜的高分辨率紅外微量水蒸氣檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水是我們賴以生存的重要物質(zhì)，檢測水蒸氣濃度在很多領(lǐng)域都有重要意義。例如特高壓輸變電系統(tǒng)設(shè)備中介質(zhì)氣體SF₆中含有水分時(shí)，會生成毒性和腐蝕性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，腐蝕絕緣設(shè)備，甚至發(fā)生爆炸。在食品加工行業(yè)，包裝袋內(nèi)的水含量超標(biāo)，會直接影響食品質(zhì)量。變壓器油中含水量越多，油質(zhì)本身老化、設(shè)備絕緣老化及金屬部件腐蝕速度越快；天然氣中水的存在會引起管線水堵，腐蝕管線、儀表和設(shè)備，影響天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度，給天然氣的安全生產(chǎn)和使用造成極大危害?，F(xiàn)如今使用的檢測微量氣體的方法有露點(diǎn)法、電解法、阻容法等。而這些檢測方法存在反應(yīng)速度慢，精確度低，壽命短并且成本很高。因此，迫切需要一種新的有效精確的方法來解決此類問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實(shí)用新型提供一種基于波長調(diào)制光譜的高分辨率紅外微量水蒸氣檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)的目的之一是利用二次信號解調(diào)一次的調(diào)制信號，成功規(guī)避一次諧波帶來的直流偏置的影響，大大提高信噪比，使得電路簡化，減少電路冗雜帶來的多余噪聲。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種基于波長調(diào)制光譜的高分辨率紅外微量水蒸氣檢測系統(tǒng)，包括用于暫存待測氣體的氣室,所述氣室連接激光發(fā)生組件和激光接收組件，所述激光發(fā)生組件輸出激光進(jìn)入所述氣室，所述激光進(jìn)入所述氣室內(nèi)與所述待測氣體中的水蒸氣反應(yīng)后的激光信號被所述激光接 收組件接收，所述激光發(fā)生組件向所述激光接收組件發(fā)送二次解調(diào)參考信號，所述激光接收組件籍由所述二次參考信號對在所述氣室內(nèi)接收的若干所述激光信號中解調(diào)得到二次諧波信號，所述激光接收組件連接信號采集模塊，并將所述二次諧波信號傳輸?shù)剿鲂盘柌杉K，所述信號采集模塊對所述二次諧波信號檢測并平均后輸出。

前述結(jié)構(gòu)根據(jù)二次諧波法，利用二次信號解調(diào)一次的調(diào)制信號，成功規(guī)避一次諧波帶來的直流偏置的影響，大大提高信噪比。

優(yōu)選的，所述激光接收組件包括光電探測器、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊和鎖相解調(diào)模塊；所述光電探測器接收所述激光在所述氣室內(nèi)與所述待測氣體中的水蒸氣反應(yīng)后的激光信號，所述激光信號包括經(jīng)過水蒸氣吸收峰處和無吸收處的多種波長，所述光電探測器將所述激光信號轉(zhuǎn)換為光電流，所述光電流被送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊；所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊將所述光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號被送至所述鎖相解調(diào)模塊；所述鎖相解調(diào)模塊籍由所述二次解調(diào)參考信號從若干所述電壓信號中選取所述二次諧波信號。

通過利用鎖相放大技術(shù)，有效且精確地測量出微量水蒸氣濃度，通過單路鎖相電路，利用二次信號解調(diào)一次的調(diào)制信號，成功規(guī)避一次諧波帶來的直流偏置的影響，大大提高信噪比，使得電路簡化，減少電路冗雜帶來的多余噪聲。

在某些優(yōu)選的實(shí)施例中，所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊連接光強(qiáng)自動控制模塊，所述光強(qiáng)自動控制模塊在所述光電探測器接收的所述光信號光強(qiáng)不穩(wěn)導(dǎo)致所述電壓信號幅值漂移時(shí)穩(wěn)定所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的所述電壓信號。

所述光強(qiáng)自動控制模塊輸出端連接所述鎖相解調(diào)模塊，對輸出信號進(jìn)行鎖相，所述鎖相解調(diào)模塊籍由二次參考信號進(jìn)行解調(diào)，得到與所述低頻掃描信號相同頻率的二次諧波信號。通過信號采集模塊采得二次諧波幅值信息，根據(jù)水蒸氣濃度與幅值關(guān)系，計(jì)算得出水蒸氣濃度信息。

優(yōu)選的，所述二次解調(diào)參考信號的頻率是所述電壓信號的頻率的兩倍。

優(yōu)選的，所述激光發(fā)生組件包括波形發(fā)生模塊，激光器驅(qū)動模塊和DFB激光器，所述波形發(fā)生模塊向所述激光器驅(qū)動模塊發(fā)送所述一次調(diào)制信號，同時(shí)向所述激光接收組件發(fā)送所述二次解調(diào)參考信號。

優(yōu)選的，所述二次解調(diào)參考信號由所述波形發(fā)生模塊產(chǎn)生低頻掃描信號疊加于所述一次調(diào)制信號上形成，所述二次解調(diào)參考信號的頻率是所述一次調(diào)制信號的頻率的兩倍。

所述波形發(fā)生模塊產(chǎn)生高頻調(diào)制信號作為一次調(diào)制信號輸送到激光器驅(qū)動模塊用于調(diào)制激光器，另外所述波形發(fā)生模塊同時(shí)產(chǎn)生低頻掃描信號疊加于所述高頻調(diào)制信號上形成所述二次解調(diào)參考信號，所述低頻掃描信號疊加于所述高頻調(diào)制信號用來擴(kuò)大波長掃描范圍，更能進(jìn)一步抑制噪聲。

優(yōu)選的，所述DFB激光器連接激光器溫控模塊，所述激光器溫控模塊控制所述DFB激光器的溫度，并向所述DFB激光器提供水蒸氣吸收峰處的波長和無吸收處的波長的直流偏置信號，用于所述DFB激光器輸出中心波長的選擇。

在一些實(shí)施例中，所述水蒸氣吸收峰處的波長為1368.597nm，所述無吸收處的波長為1368.41nm。

優(yōu)選的，所述DFB激光器籍由3:7耦合器與所述氣室相連。

本實(shí)用新型的有益效果：

1、本實(shí)用新型基于光譜吸收理論，利用調(diào)制光譜技術(shù)和鎖相放大技術(shù)，有效且精確地測量出微量水蒸氣濃度。

2、本實(shí)用新型結(jié)合二次諧波法，通過單路鎖相電路，利用二次信號解調(diào)一次的調(diào)制信號，成功規(guī)避一次諧波帶來的直流偏置的影響，大大提高信噪比，使得電路簡化，減少電路冗雜帶來的多余噪聲。

2、本實(shí)用新型還添加光強(qiáng)自動控制模塊，用來消除光強(qiáng)變化帶來的測量誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，大幅提高探測精度，提高分辨率。

以下將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實(shí)用新型的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1示出的是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出的是本實(shí)用新型水蒸氣吸收的光譜圖波長選擇示意圖。

圖3示出的是本實(shí)用新型使用的激光器驅(qū)動信號波形圖。

圖4示出的是本實(shí)用新型檢測到的二次諧波信號波形圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，一種基于波長調(diào)制光譜的高分辨率紅外微量水蒸氣檢測系統(tǒng)，包括用于暫存待測氣體的氣室5，氣室5連接激光發(fā)生組件和激光接收組件，激光發(fā)生組件輸出激光進(jìn)入氣室5，激光進(jìn)入氣室5內(nèi)與待測氣體中的水蒸氣反應(yīng)后的激光信號被激光接收組件接收，激光發(fā)生組件向激光接收組件發(fā)送二次解調(diào)參考信號13，激光接收組件籍由二次參考信號13對在氣室5內(nèi)接收的若干激光信號中解調(diào)得到二次諧波信號，激光接收組件連接信號采集模塊11，并將二次諧波信號傳輸?shù)叫盘柌杉K11，信號采集模塊11對二次諧波信號檢測平均后輸出顯示。

在一些實(shí)施例中，激光接收組件包括光電探測器6、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8和鎖相解調(diào)模塊10；光電探測器6接收激光在氣室5內(nèi)與待測氣體中的水蒸氣反應(yīng)后的激光信號，激光信號包括經(jīng)過水蒸氣吸收峰處和無吸收處的若干波長，光電探測器6將激光信號轉(zhuǎn)換為光電流，光電流被送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8；電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號被送至鎖相解調(diào)模塊10；鎖相解調(diào)模塊10籍由二次解調(diào)參考信號13從若干電壓信號中選取二次諧波信號。

正是由于本實(shí)用新型采用了前述設(shè)計(jì)特征，通過鎖相解調(diào)模塊10的應(yīng)用，根據(jù)波長調(diào)制光譜與諧波檢測理論，在頻率調(diào)制信號模型的基礎(chǔ)上，采用頻率-強(qiáng)度調(diào)制信號，依據(jù)高斯線型和洛倫茲線型的各次諧波信號與波長調(diào)制系數(shù)的關(guān)系，確定各次諧波最佳的波長調(diào)制系數(shù)。以鎖相放大器的基本原理為基礎(chǔ)，利用鎖相放大器提取二次諧波的幅值信號，有效抑制移相調(diào)節(jié)誤差和模擬器件漂移對諧波幅值測量準(zhǔn)確性的影響，提高系統(tǒng)的檢測精度。

具體來說，本實(shí)用新型采用的檢測原理如哈爾濱工程大學(xué)張可可所寫論文《光譜吸收光纖氣體檢測理論及技術(shù)研究》，在一個(gè)大氣壓下，水蒸氣的吸收線性可由洛倫茲線型表示，在紅外波段，水蒸氣的吸收系數(shù)較小，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 下的輸出光強(qiáng)可表示為：

I(v)＝I₀(v)[1-α(v)CL] 1)

式中α(ν)為氣體在光頻率為ν處的吸收系數(shù)，L為光通過待測氣體的光程，C為待測氣體的體積濃度。調(diào)節(jié)激光器的溫度和直流驅(qū)動電流，使激光波長為定在水蒸氣的某一吸收峰處。然后，在激光器的驅(qū)動電流信號上疊加適當(dāng)頻率和幅度的正弦信號，對激光器的波長進(jìn)行調(diào)制，使其在吸收峰處按正弦規(guī)律變化,激光器瞬時(shí)輸出功率為：

v(t)＝v_c+Δv cosωt 2)

式中Δν為調(diào)制幅度，ω為調(diào)制角頻率，ν_c為激光器中心頻率。將激光器波長穩(wěn)定在吸收中心處，即有ν_c＝ν₀，歸一化頻率偏移x可利用譜線半寬γ和瞬時(shí)頻率ν表示：

式中：x₀＝(ν_c-ν₀)/γ；m＝Δν/γ為波長調(diào)制系數(shù)。通過氣體吸收后，檢測到的輸出信號為：

S(x)＝I(x)＝I(x₀+mcosωt) 4)

對4)進(jìn)行傅里葉展開，可得到直流及1、2、3次諧波的表達(dá)式，對于頻率調(diào)制的洛倫茲線型來說，在吸收線的中心頻率處的偶次諧波信號幅值中包含了待測氣體的濃度信息，可用于測量氣體濃度。然而各偶次諧波信號的最大幅值隨諧波次數(shù)的增大而減小，只有偶次諧波并且二次諧波信號是各次諧波中最強(qiáng)的，二次諧波表達(dá)式如下：

$S_2\left(x\right)=I_0{\mathrm{\α}}_{0}CL\[\frac{-4}{m^2}+\frac{\sqrt{2}}{m^2}\frac{(r+1-x^2)\sqrt{r+x}+2\left|x\right|\sqrt{r-x}}{r}\]---5)$

式中：X＝1-x²+m²；

如圖4所示，利用鎖相技術(shù)鎖定二次諧波頻率的信號濾除其他頻率的信號，二次諧波的幅值將決定水蒸氣的濃度，籍由檢測二次諧波頻率信號的幅值即可得出水蒸氣的濃度。

在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，可以將電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8連接光強(qiáng)自動控制模塊9，光強(qiáng)自動控制模塊9在光電探測器6接收的光信號光強(qiáng)不穩(wěn)導(dǎo)致電壓信號幅值漂移時(shí)穩(wěn)定電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8輸出的電壓信號。

在某些優(yōu)選實(shí)施方式中，二次解調(diào)參考信號13的頻率是電壓信號的兩倍。

在一些實(shí)施例中，激光發(fā)生組件包括波形發(fā)生模塊1，激光器驅(qū)動模塊2和DFB激光器3，波形發(fā)生模塊1向激光器驅(qū)動模塊2發(fā)送一次調(diào)制信號12，同時(shí)向激光接收組件發(fā)送二次解調(diào)參考信號13。

在一些優(yōu)選的實(shí)施例中，二次解調(diào)參考信號13由波形發(fā)生模塊1產(chǎn)生低頻掃描信號疊加于一次調(diào)制信號12上形成，二次解調(diào)參考信號13的頻率是一次調(diào)制信號12的兩倍。

在一些優(yōu)選的實(shí)施例中，DFB激光器3連接激光器溫控模塊7，激光器溫控模塊7控制DFB激光器3的溫度，并向DFB激光器提供水蒸氣吸收峰處的波長和無吸收處的波長的直流偏置信號，用于DFB激光器輸出中心波長的選擇。

如圖2所示，A處既是水蒸氣吸收峰處的波長為1368.597nm，B處既是無吸收處的波長為1368.41nm。

DFB激光器3籍由3:7耦合器4與氣室5相連。

以下描述本實(shí)用新型的使用方法：

如圖3所示梯形波為掃描信號，加粗部分是攜帶著高頻正弦調(diào)制信號，在實(shí)際的使用中，波形發(fā)生模塊1產(chǎn)生高頻一次調(diào)制信號12用于調(diào)制DFB激光器3，另外同時(shí)產(chǎn)生低頻掃描信號疊加于一次調(diào)制信號12上形成，二次解調(diào)參考信號13的頻率是一次調(diào)制信12的兩倍，用來擴(kuò)大波長掃描范圍，更能進(jìn)一步抑制噪聲。

DFB激光器3輸出激光到充滿待測氣體的氣室5，再由光電探測器6接收，之后由電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8轉(zhuǎn)換。

電流電壓轉(zhuǎn)換模塊8輸出端連接光強(qiáng)自動控制模塊9，籍由自增益電路使輸出的電壓值保持穩(wěn)定。

經(jīng)過光強(qiáng)自動控制模塊9穩(wěn)定的電壓信號進(jìn)入鎖相解調(diào)模塊10，對電信號進(jìn)行鎖相，籍由二次參考信號13進(jìn)行解調(diào)，得到與一次調(diào)制信號12相同頻率的二次諧波信號。通過信號采集模塊采得二次諧波幅值信息，根據(jù)水蒸氣濃度與幅值關(guān)系，計(jì)算得出水蒸氣濃度信息。

以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實(shí)用新型的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本實(shí)用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。