調(diào)諧二極管吸收光譜的多通道高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于調(diào)諧二極管吸收光譜的多通道高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)方法主要以化學(xué)技術(shù)和吸氣取樣實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)。近年來(lái)涌現(xiàn)出許多單點(diǎn)測(cè)量的分析儀，如以半導(dǎo)體金屬氧化物為敏感材料的傳感器和電化學(xué)傳感器。這些傳感器在一定程度上滿足了氣體檢測(cè)的需要，但也有各自的缺陷。首先它們測(cè)量的范圍較小，只能測(cè)量接觸點(diǎn)附近的氣體濃度。其次這些方法在檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中容易受到溫度、濕度、天氣等因素的影響，檢測(cè)點(diǎn)每隔一段時(shí)間就要換探頭。
[0003]相比而言，利用吸收光譜技術(shù)測(cè)量環(huán)境中的氣體含量具有其它同類技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。采用可調(diào)諧二極管激光光譜傳感技術(shù)檢測(cè)氣體的主要優(yōu)點(diǎn)有:檢測(cè)范圍大，采用開(kāi)放光程模式，檢測(cè)距離可以從幾米到幾千米；檢測(cè)精度高，氣體濃度檢出限低于lppm(lppm為百萬(wàn)分之一);選擇性高，選擇合適的激光光譜波段，能夠有效地避免其它氣體的干擾；是一種完全非接觸式的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，相對(duì)于其它技術(shù)更安全可靠；響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間為0.05秒，對(duì)氣體濃度的變化能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)；不易受氣候環(huán)境的影響，不需要人工實(shí)時(shí)看護(hù)。
[0004]但是，就目前的國(guó)內(nèi)外研宄而言，還沒(méi)有人利用可調(diào)諧二極管吸收光譜技術(shù)同時(shí)進(jìn)行多通道的高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的研宄。這項(xiàng)研宄將會(huì)給環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來(lái)很大的方便，可以同時(shí)對(duì)空氣中多種污染氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的只能同時(shí)對(duì)一種氣體進(jìn)行檢測(cè)的限制和現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備采樣速率低、采樣精度差等問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種能夠同時(shí)進(jìn)行多通道高速采集和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的系統(tǒng)。
[0006]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種調(diào)諧二極管吸收光譜的多通道高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用2路激光器同時(shí)發(fā)射單色光，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同氣體的濃度進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，其特征在于，述系統(tǒng)包括:第一激光器(I)，第二激光器(2)，第一分光器(3)，第二分光器(4)，被測(cè)氣體(5)，反光器(6)，第一探測(cè)器(7)，第二探測(cè)器(8)，第三探測(cè)器(9)，第四探測(cè)器(10)，激光器驅(qū)動(dòng)模塊(11)，電源管理模塊(12)，信號(hào)處理模塊(13)，顯示模塊
(14)，A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)，上位機(jī)(16);
[0007]激光器驅(qū)動(dòng)模塊(11)同時(shí)產(chǎn)生2路激光器所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至第一激光器
(I)和第二激光器(2);第一激光器(I)和第二激光器(2)發(fā)出兩種不同波長(zhǎng)的單色光，分別送至第一分光器(3)和第二分光器(4)，每個(gè)分光器都輸出兩路信號(hào):一路通過(guò)被測(cè)氣體(5)后，投射到反光器(6)，反射后再次反向通過(guò)被測(cè)氣體(5)，并由第一探測(cè)器(7)和第二探測(cè)器⑶進(jìn)行檢測(cè)；一路直接送到第三探測(cè)器(9)和第四探測(cè)器(10);第一?四探測(cè)器(7)?(10)將輸入的激光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后送至信號(hào)處理模塊(13);信號(hào)處理模塊(13)對(duì)第一?四探測(cè)器(7)?(10)輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，消除在信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)，同時(shí)得到所需要的諧波信號(hào)，并輸出至A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15) ;A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)將信號(hào)處理模塊(13)輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行濃度計(jì)算，一路傳送到上位機(jī)(16)進(jìn)行分析運(yùn)算，一路送顯示模塊(14)對(duì)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；電源管理模塊(12)按照各模塊對(duì)電壓信號(hào)的需求，為不同模塊提供各正常運(yùn)行所需要的電壓。
[0008]可選的，所述第一激光器(I)和第二激光器(2)均采用能產(chǎn)生線寬遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體(5)單吸收譜線寬度的DFB激光器。
[0009]可選的，所述A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)的主控芯片采用的是TI的32位高性能浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335，能夠同時(shí)對(duì)4路探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，并完成氣體濃度計(jì)算。
[0010]可選的，所述A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)的采樣精度為12位，最高采樣頻率為12.5MHz ；
[0011]所述A/D采樣模塊(15)具有兩種采樣方式:內(nèi)置AD采樣和外置AD采樣。
[0012]可選的，所述A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)具有較寬的采樣范圍:內(nèi)置AD支持采樣范圍為O?3V，外置AD采樣范圍為-1OV?10V。
[0013]可選的，所述第三探測(cè)器(9)第四和探測(cè)器(10)用于探測(cè)激光器發(fā)出的單色光的原始光強(qiáng)信號(hào)，第一探測(cè)器(7)和探第二測(cè)器(8)用于探測(cè)激光器發(fā)出的單色光經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體(5)后的光強(qiáng)信號(hào)；這4路探測(cè)器得到的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理后得到被測(cè)氣體
(5)的濃度。
[0014]可選的，所述4個(gè)探測(cè)器(7)?(10)均采用工作波段與所述激光器發(fā)射波段相對(duì)應(yīng)的PIN光電二極管。
[0015]可選的，所述激光器驅(qū)動(dòng)模塊(11)選用AT89C52芯片；該芯片能夠產(chǎn)生5Hz的鋸齒波和5KHz的正弦波信號(hào)；所述鋸齒波信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)第一、二激光器(I)、(2)，所述正弦波信號(hào)用于對(duì)第一、二激光器(1)、(2)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制；所述正弦波和鋸齒波疊加后輸出至第一、二激光器⑴、⑵。
[0016]可選的，所述信號(hào)處理模塊(13)由前置放大電路、低通濾波電路、帶通濾波電路和鎖相放大電路組成；首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波和前置放大，消除信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)，隨后進(jìn)行帶通濾波得到一次諧波和二次諧波信號(hào)，并對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行鎖相放大得到直流分量；最后輸出一次諧波和二次諧波的直流分量，并送至A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊(15)。
[0017]可選的，所述電源管理模塊(12)采用4個(gè)XZR0OT12電源模塊，為系統(tǒng)提供所需的±12V、±5V 和 3.3V 電壓。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]本實(shí)用新型提供了一種用于調(diào)諧二極管吸收光譜的多通道高速采集和信號(hào)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備只能同時(shí)對(duì)一種氣體進(jìn)行檢測(cè)的問(wèn)題；同時(shí)利用TI的高速、高精度浮點(diǎn)DSP解決了現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備采樣速率低、采樣精度差等問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型所述系統(tǒng)組成框圖，圖中:1為第一激光器，2為第二激光器，3為第一分光器，4為第二分光器，5為被測(cè)氣體，6為反光器，7為第一探測(cè)器，8為第二探測(cè)器，9為第三探測(cè)器，10為第四探測(cè)器，11為激光器驅(qū)動(dòng)模塊，12為電源管理模塊，13為信號(hào)處理模塊，14為顯示模塊，15為A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊，16為上位機(jī)模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本實(shí)用新型進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的基本原理是，根據(jù)Lambert-Beer定律，強(qiáng)度為Id(v)、頻率為V的單色光，通過(guò)吸收氣體后光強(qiáng)變?yōu)?
[0022]I(V)^10(V)(1-O(V)CL)
[0023]即經(jīng)過(guò)吸收氣體后的光強(qiáng)與氣體濃度和吸收光程成線性關(guān)系。在上面公式中σ O)為頻率為V處氣體的吸收系數(shù)，C為氣體濃度，L為吸收路徑的長(zhǎng)度。
[0024]本實(shí)用新型所述系統(tǒng)包括:由第一、二激光器，第一、二分光器，被測(cè)氣體，反光器，第一?四探測(cè)器組成的光學(xué)系統(tǒng)，激光器驅(qū)動(dòng)模塊，電源管理模塊，信號(hào)處理模塊，顯示模塊，A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊，上位機(jī)。光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)第一、二激光器發(fā)出兩種不同波長(zhǎng)的單色光，兩束單色光同時(shí)照射被檢測(cè)氣體后被反光鏡反射給2路探測(cè)器；探測(cè)器接收到的信號(hào)傳輸給信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行低通濾波和前置放大，隨后進(jìn)行帶通濾波得到一次諧波和二次諧波信號(hào)，再對(duì)二次諧波信號(hào)進(jìn)行鎖相放大得到直流分量。一次諧波和二次諧波的直流分量就是所需要的信號(hào)；A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)信號(hào)處理模塊輸出的一次諧波和二次諧波的直流分量進(jìn)行采樣，并計(jì)算出檢測(cè)氣體的濃度，然后一路送至上位機(jī)進(jìn)行分析運(yùn)算，一路送顯示模塊對(duì)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；電源管理模塊提供給整個(gè)系統(tǒng)正常工作所需要的電壓。
[0025]所述系統(tǒng)對(duì)光源有嚴(yán)格要求，必須為嚴(yán)格的單色光，即光源線寬非常窄。而傳統(tǒng)的紅外光源線寬一般有數(shù)百GHz，由于線寬很大，得到的吸收譜通常同時(shí)包含被測(cè)氣體的吸收譜線和其它一些背景氣體的吸收譜線，這樣會(huì)造成干擾。為此第一、二激光器采用了 DFB激光器，該激光器線寬遠(yuǎn)小于被測(cè)氣體單吸收譜線寬度，從根本上避免了氣體交叉干擾的問(wèn)題。
[0026]述系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度主要取決于氣體吸收峰的選擇。根據(jù)Lambert-Beer定律，氣體對(duì)光的吸收與氣體的吸光度成正比，而不同頻率的氣體的吸光度不同。因此，為了獲得較高的檢測(cè)靈敏度，就要選擇氣體吸收峰高的頻段，并且還要避開(kāi)其它氣體在此頻段的干擾。
[0027]所述系統(tǒng)中，由DFB激光器發(fā)出的攜帶有氣體濃度信息的光，必須經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)才能獲取氣體的濃度。而且光電探測(cè)器的工作波段必須與激光器發(fā)射波段相對(duì)應(yīng)才能獲得較好的檢測(cè)效果。本實(shí)用新型選擇的光電探測(cè)器為PIN光電二極管。
[0028]所述系統(tǒng)中，采用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)對(duì)激光器的波長(zhǎng)(頻率)進(jìn)行調(diào)制。由于激光器的輸出波長(zhǎng)對(duì)溫度的變化非常敏感，所以本實(shí)用新型采用固定激光器的工作溫度改變電流的調(diào)制方法。
[0029]所述系統(tǒng)中，A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊采用的是TI的高精度、高速率的浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335。用于實(shí)時(shí)地處理采樣信號(hào)、計(jì)算氣體的濃度等。
[0030]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下:
[0031]本實(shí)用新型實(shí)施例