專利名稱：一種氣體檢測無線傳感方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體檢測無線傳感方法及裝置。
技術(shù)背景
光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)?；诠饫w的光學(xué)檢測系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的光學(xué)傳感系統(tǒng)說有很多優(yōu)勢。最主要的一點是可以設(shè)計一個穩(wěn)定無源的探頭在惡劣環(huán)境中工作，遠(yuǎn)離監(jiān)測站，這在嚴(yán)酷環(huán)境的應(yīng)用中是非常具有優(yōu)勢的因素。 其次是可以開發(fā)復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過預(yù)設(shè)在光纜中的傳播媒介，單個的解調(diào)單元可以監(jiān)測多個低成本無源傳感頭。但是，常規(guī)的硅光纖存在一個問題，就是傳輸光譜受到限制只能從可見光到近紅外區(qū)域(600nm 2000nm)。通常來說氣體在中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域的吸收要強(qiáng)于近紅外區(qū)域，所以工作在近紅外區(qū)域?qū)⒂绊憵怏w的測量精度。很多文獻(xiàn)中都使用幾十米甚至上百米的長氣室，提高吸收信號的強(qiáng)度；或者控制被測氣體的壓力，降低氣壓使吸收譜線變窄信號變清晰。以上方法可以降低信號處理的難度，提高測量的精度，但是這些方法使檢測系統(tǒng)變得體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了該方法的實用性。
另外，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)小尺寸和短距離無線通信的傳感節(jié)點成為可能。無線傳感節(jié)點具有低成本、低功耗和多功能的特點，一般由傳感、數(shù)據(jù)處理和通信部分組成。大量分布在傳感區(qū)域內(nèi)的無線傳感節(jié)點組成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，它們可以是相對獨立工作的個體也能組成相互合作的網(wǎng)絡(luò)。一方面，無線傳感點自帶處理器，可在本地執(zhí)行運算并只傳輸測量結(jié)果，而不是原始的數(shù)據(jù)。另一方面，傳感節(jié)點間必須相互合作建立數(shù)據(jù)的路由，將測量結(jié)果都傳輸?shù)絪ink節(jié)點和最終用戶。發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題將光纖傳感氣體檢測技術(shù)和無線傳感技術(shù)結(jié)合，發(fā)明一種新型的氣體檢測無線傳感方法及裝置，解決原有光纖傳感氣體檢測技術(shù)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 組網(wǎng)不靈活的問題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種氣體檢測無線傳感裝置，它包括傳感單元、處理器單元、無線收發(fā)單元和電池單元；其中傳感單元包括激光器電流和溫度控制器、可調(diào)激光二極管模塊、氣室、光電二極管和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其激光器電流和溫度控制器與可調(diào)激光二極管模塊電路相連，光電二極管和模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路相連，氣室位于可調(diào)激光二極管模塊和光電二極管之間，處理器單元一邊與模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路相連，一邊與激光器電流和溫度控制器電路相連，電池單元分別與傳感單元、處理器單元及無線收發(fā)單元電路相連并給供電。
本發(fā)明的氣體檢測無線傳感裝置中，可調(diào)激光二極管模塊是分布式反饋激光器模塊，內(nèi)部包括一塊熱電冷卻器。
本發(fā)明的氣體檢測無線傳感裝置工作方法是激光器電流和溫度控制器驅(qū)動可調(diào)激光二極管模塊輸出恒定功率的激光，并且該激光的波長在被測氣體吸收譜線范圍內(nèi)掃描，該激光通過氣室由光電二極管接收轉(zhuǎn)化為電信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集為被測數(shù)字信號并交給處理器單元，處理器單元根據(jù)從激光器電流和溫度控制器反饋的同步信號將被測數(shù)字信號重構(gòu)為被測氣體吸收譜，并根據(jù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜計算被測氣體濃度，氣體濃度的結(jié)果由無線收發(fā)單元傳輸。
本發(fā)明的的氣體檢測無線傳感裝置中，處理器單元的數(shù)據(jù)處理方法包括相關(guān)平移算法和最小二乘法解冗余線性方程，首先計算被測氣體吸收譜和標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜的相關(guān)系數(shù)，并移動被測氣體吸收譜的位置直到相關(guān)系數(shù)最大，然后根據(jù)下式用最小二乘法求被移動后的被測氣體吸收譜R(X1)和標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜RtlU1)之間的線性系數(shù)ρ，該系數(shù)就是被測氣體濃度。
權(quán)利要求
1.一種氣體檢測無線傳感裝置，其特征是它包括傳感單元(1)、處理器單元O)、無線收發(fā)單元C3)和電池單元(4)；其中傳感單元(1)包括激光器電流和溫度控制器(5)、可調(diào)激光二極管模塊(6)、氣室(7)、光電二極管(8)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)；其激光器電流和溫度控制器(5)與可調(diào)激光二極管模塊(6)電路相連，光電二極管⑶和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)電路相連，氣室(7)位于可調(diào)激光二極管模塊(6)和光電二極管(8)之間，處理器單元( 一邊與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)電路相連，一邊與激光器電流和溫度控制器(5)電路相連，電池單元⑷分別與傳感單元(1)、處理器單元( 及無線收發(fā)單元(3)電路相連并給供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體檢測無線傳感裝置，其特征是可調(diào)激光二極管模塊(6) 是分布式反饋激光器模塊LECENT D2526，內(nèi)部包括一塊熱電冷卻器(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體檢測無線傳感裝置，其特征是處理器單元( 是TI專為無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的是16位精簡指令集計算機(jī)MSP430F2274，指令周期時間為62. 5ns, 擁有32kB的閃存和IkB隨機(jī)存取存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體檢測無線傳感裝置，其特征是無線收發(fā)單元(3)工作在MOO M83MHz頻段的RF收發(fā)器CC2500。
5.權(quán)利要求1-4任一項所述的氣體檢測無線傳感裝置工作方法，其特征是激光器電流和溫度控制器( 驅(qū)動可調(diào)激光二極管模塊(6)輸出恒定功率的激光，并且該激光的波長在被測氣體吸收譜線范圍內(nèi)掃描，該激光通過氣室(7)由光電二極管(8)接收轉(zhuǎn)化為電信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(9)采集為被測數(shù)字信號并交給處理器單元O)，處理器單元(2) 根據(jù)從激光器電流和溫度控制器(5)反饋的同步信號將被測數(shù)字信號重構(gòu)為被測氣體吸收譜，并根據(jù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜計算被測氣體濃度，氣體濃度的結(jié)果由無線收發(fā)單元 (9)傳輸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體檢測無線傳感裝置工作方法，其特征是處理器單元(2) 的數(shù)據(jù)處理方法包括相關(guān)平移算法和最小二乘法解冗余線性方程，首先計算被測氣體吸收譜和標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜的相關(guān)系數(shù)，并移動被測氣體吸收譜的位置直到相關(guān)系數(shù)最大，然后用最小二乘法求被移動后的被測氣體吸收譜和標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜之間的線性系數(shù)，該線性系數(shù)就是被測氣體濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體檢測無線傳感裝置工作方法，其特征是可調(diào)激光二極管模塊(6)通過調(diào)制分布式反饋激光器的溫度控制波長的輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體檢測無線傳感裝置工作方法，其特征是傳感單元(1)、 處理器單元(2)和無線收發(fā)單元(3)空閑時處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)收到無線信號命令時被激活進(jìn)入工作狀態(tài)，工作完成后返回待機(jī)狀態(tài)。
全文摘要
一種氣體檢測無線傳感方法及裝置。該裝置包括傳感單元、處理器單元、無線收發(fā)單元和電池單元；其中傳感單元包括激光器電流和溫度控制器、可調(diào)激光二極管模塊、氣室、光電二極管和模數(shù)轉(zhuǎn)換器；激光器電流和溫度控制器驅(qū)動可調(diào)激光二極管模塊輸出恒定功率的激光，并且該激光的波長在被測氣體吸收譜線范圍內(nèi)掃描，該激光通過氣室由光電二極管接收轉(zhuǎn)化為電信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集為被測數(shù)字信號并交給處理器單元，處理器單元根據(jù)從激光器電流和溫度控制器反饋的同步信號將被測數(shù)字信號重構(gòu)為被測氣體吸收譜，并根據(jù)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體吸收譜計算被測氣體濃度，氣體濃度的結(jié)果由無線收發(fā)單元傳輸。本裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定、組網(wǎng)靈活。
文檔編號G08C17/02GK102495009SQ20111037074
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者范典 申請人:武漢理工大學(xué)