专利名称：一种测量不同气体浓度的光学检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量气体浓度的光学检测系统，尤其涉及ー种可用于多种气体浓度测量的光学检测系统，该检测系统主要应用于エ业、矿井、环境、交通、航空航天及其它需要測定气体浓度的场所。
背景技术：
随着科学技术的不断发展，在エ业、矿井、环境、交通、航空航天等领域越来越多的涉及到气体浓度检测。在我国，エ业化的迅速发展，使得环境污染日益严重，其中大型エ厂和矿业部门在生产过程中所排放的大量有毒有害、易燃易爆气体是环境污染的主要源头之一。这些有害气体不仅对人类健康产生影响，而且还对大气、水等造成了严重的污染，破坏生态平衡。在电力、化工、交通等行业中也需要对有毒有害、易燃易爆的有害气体进行实时准确的检测。在航空航天领域，则需要对某些特定气体的浓度进行监测，来保证仪器设备的正常工作。因此，迫切需要研究ー种有效的气体检测方法。气体传感器用来检测各种气体的成份和含量。从气体检测的原理可以将气体传感器分为电学式气体传感器、电化学式气体传感器、光学式气体传感器、高分子材料气体传感器和气相色谱法等，其中光学式气体传感器具备抗电磁干扰、灵敏度高、使用寿命长等特点。相比于以往的气体检测方法，尚未出现多种气体选择性测量和低频调制解调实现浓度测量的气体检测方法。

发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种测量不同气体浓度的光学检测系统，该系统结构紧凑、性能稳定，測量精度高。本发明的技术方案是:一种测量不同气体浓度的光学检测系统，其特征在于包括:宽带光源、气体吸收池、可调光滤波器、FP标准具、光探測器、放大器、低通滤波器、微处理器、信号源和光纤准直器；其中宽带光源、光纤准直器、气体吸收池、可调光滤波器、FP标准具和光探测器构成光路部分，光纤准直器设置在气体吸收池的两端，宽带光源、光纤准直器、可调光滤波器、FP标准具和光探測器之间依次通过光纤相连接，气体吸收池充入待测气体,宽带光源出射的宽谱光经过气体吸收池内待测气体的吸收后，由可调光滤波器对气体吸收后的光谱进行扫描，再经FP标准具校准后最后由光探测器进行光强检测；锁定放大器、低通滤波器、微处理器和信号源构成电路部分，微处理器控制信号源产生由锯齿波和正弦波叠加构成的电压驱动信号，该电压驱动信号用于驱动可调光滤波器对光谱进行扫描，同时微处理器控制信号源产生2倍正弦波频率的方波信号作为锁定放大器的參考输入，光探测器的光强检测信号作为锁定放大器的信号输入，锁定放大器根据參考输入和信号输入进行相关运算，锁定放大器的输出信号经过低通滤波器滤波后得到光强检测信号的二次谐波幅值，微处理器根据该二次谐波幅值检测出不同待测气体的浓度。本发明与现有技术相比具有如下优点:(I)由于宽带光源覆盖多种气体的吸收谱线，宽带光源的宽谱特性决定了该系统能够进行多种类气体浓度的測量，宽带光源可包括光纤光源、半导体光源、连续光源等具有宽谱平坦特性的光源，因此通过微处理器控制信号源产生电压驱动信号，控制信号源输出低频正弦调制信号和倍频方波參考信号，低频正弦调制信号用于对可调光滤波器的输出光进行波长调整，倍频方波用于锁定放大器的參考输入，从而控制可调光滤波器的输出波长来完成测量气体的选择，并且根据器件的特性选择低频调制和锁定放大技术实现气体浓度的解调。(2)本发明与以往气体浓度测量的方法相比，可以对不同气体进行选择性測量，同时采用硬件电路实现浓度解调，具体涉及气体在近红外波段的吸收特性和基于波长调制的锁定放大技术，具有集成化高、抗电磁干扰能力强、測量度高、性能稳定可靠和使用寿命长等优点。(3)本发明可广泛应用于需要检测气体浓度的场合，目前气体测量的需求很多，而该发明具备的种种优点具有很广阔的应用背景，具有广泛的社会效益。


图1为多气体浓度检测原理图；图2为本发明检测系统的组成结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进ー步说明。如图1所示，多种气体浓度测量通过微处理器的控制来实现，由于宽带光源覆盖多种气体的吸收谱线，目前C+L波段的宽带光源已经很成熟，在该波段内可测的气体种类包括:こ炔(1525nm)、氨气(1544nm)、ニ氧化碳(1573nm)、一氧化碳(1567nm)等，因此在测量某种气体浓度时，先在显示控制端选择待测气体的种类，微处理器通过控制信号源的锯齿波幅值来驱动可调光滤波器扫描该气体吸收线，通过后面的解调电路即可测得待测气体的浓度。本发明的实现原理是:在电信号检出之前都是采用光纤器件，各器件之间的连接也是由光纤来完成的，这种结构具有抗电磁干扰强，性能稳定的特点。多种气体浓度的測量则是依据所使用的宽带光源和可调光滤波器来实现的，随着可调光滤波技术的发展，其覆盖的波长范围也越来越宽，用户可以根据自己的需求来选择光源的带宽，使该设计方案灵活多变，适应性強。为了提高波长甄别的能力，在设计中加入了透射式的FP标准具，该器件可以精确定位波长，实现在多种气体測量中波长的准确定位。在电信号检出和处理部分则使用波长调制和锁定放大技木，由于可调光滤波器能够进行低频调制，因此在该设计方案中选用低频信号源对可调光滤波器进行调制，信号源同时输出倍频的參考方波，与检测信号一起作为锁定放大器的输入，完成信号处理。在整个设计方案中的控制、计算和显示都是由一个微处理器来完成的，包括控制信号源的输出，计算浓度值和显示测量浓度。具体的实现方案如图2所示，本发明包括:宽带光源1、气体吸收池2、可调光滤波器3、FP标准具4、光探測器5、放大器6、低通滤波器7、微处理器8、信号源9和光纤准直器10 ;其中宽带光源1、光纤准直器10、气体吸收池2、可调光滤波器3、FP标准具4和光探测器5构成光路部分，光纤准直器10设置在气体吸收池2的两端，宽带光源1、光纤准直器10、可调光滤波器3、FP标准具4和光探測器5之间依次通过光纤相连接，气体吸收池2充入待测气体，宽带光源采用光纤光源、半导体光源或连续光源，宽带光源I出射的宽谱光经过气体吸收池2内待测气体的吸收后，由可调光滤波器3对气体吸收后的光谱进行扫描，再经FP标准具4校准后最后由光探測器5进行光强检測。在整个光路部分，可调光滤波器3是关键器件，它完成对气体吸收线的扫描，最終在光探測器5上反映出气体吸收光谱。气体吸收池2两端采用光纤准直器10，在光纤准直器10的有效工作距离内将光从气体池的光入射端耦合到光出射端。FP标准具4作为ー个反映波长标准值的器件，在整个光路中也起到了很大的作用，虽然可调光滤波器3的驱动电压也可以反映波长信息，但由于迟滞现象，使其波长鉴别存在偏差，而加入FP标准具4正是为了能够准确识别气体吸收线的中心波长。锁定放大器6、低通滤波器7、微处理器8和信号源9构成电路部分，微处理器8控制信号源9产生由锯齿波和正弦波叠加构成的电压驱动信号，该电压驱动信号用于驱动可调光滤波器3对光谱进行扫描，同时微处理器8控制信号源9产生2倍正弦波频率的方波信号作为锁定放大器6的參考输入，光探測器5的光强检测信号作为锁定放大器6的信号输入，锁定放大器6根据參考输入和信号输入进行相关运算,锁定放大器6的输出信号经过低通滤波器7滤波后得到光强检测信号的二次谐波幅值，微处理器8根据该二次谐波幅值检测出不同待测气体的浓度。在整个电路部分，包括器件的驱动和信号的解调，微处理器8控制信号源9产生锯齿波和频率为f的低频正弦波的叠加，供给可调光滤波器3的电压驱动，从而实现对气体吸收线的调制。信号源9产生频率为2f的方波信号作为锁定放大器6的參考输入，光探測器5检测到的载波信号作为锁定放大器6的信号输入，通过低通滤波器7检测得到经过调制后的二次谐波幅值，该幅值正比于气体浓度，通过标定即可进行气体浓度的測量。按照图2给出的结构图，由于选用的是宽带光源，在其带宽范围内存在多种气体的吸收谱线，因此在实际操作前在显示控制端12选择待测气体的种类，使可调光滤波器3的扫描波长对准该气体的吸收谱线，然后将不同浓度的标准气体充入气体吸收池2，通过测量得到的浓度值标定二次谐波幅值与浓度的线性关系后即可测量待测气体的浓度。本发明说明书未公开的技术属本领域公知技木。
权利要求
1.一种测量不同气体浓度的光学检测系统，其特征在于包括:宽带光源(I)、气体吸收池(2)、可调光滤波器(3)、FP标准具(4)、光探測器(5)、放大器￠)、低通滤波器(7)、微处理器(8)、信号源(9)和光纤准直器(10);其中宽带光源(I)、光纤准直器(10)、气体吸收池(2)、可调光滤波器(3)、FP标准具(4)和光探測器(5)构成光路部分，光纤准直器(10)设置在气体吸收池(2)的两端，宽带光源(I)、光纤准直器(10)、可调光滤波器(3)、FP标准具(4)和光探測器(5)之间依次通过光纤相连接，气体吸收池(2)充入待测气体，宽带光源(I)出射的宽谱光经过气体吸收池(2)内待测气体的吸收后，由可调光滤波器(3)对气体吸收后的光谱进行扫描，再经FP标准具(4)校准后最后由光探測器(5)进行光强检测； 锁定放大器出)、低通滤波器(7)、微处理器(8)和信号源(9)构成电路部分，微处理器(8)控制信号源(9)产生由锯齿波和正弦波叠加构成的电压驱动信号，该电压驱动信号用于驱动可调光滤波器(3)对光谱进行扫描，同时微处理器(8)控制信号源(9)产生2倍正弦波频率的方波信号作为锁定放大器(6)的參考输入，光探測器(5)的光强检测信号作为锁定放大器(6)的信号输入，锁定放大器(6)根据參考输入和信号输入进行相关运算，锁定放大器出)的输出信号经过低通滤波器(7)滤波后得到光强检测信号的二次谐波幅值，微处理器(8)根据该二次谐波幅值检测出不同待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的ー种测量不同气体浓度的光学检测系统，其特征在于:所述宽带光源采用光纤光源、半 导体光源或连续光源。
全文摘要
本发明公开了一种测量不同气体浓度的光学检测系统，本发明通过微处理器控制信号源产生电压驱动信号，控制信号源输出低频正弦调制信号和倍频方波参考信号，低频正弦调制信号用于对可调光滤波器的输出光进行波长调整，倍频方波用于锁定放大器的参考输入，从而控制可调光滤波器的输出波长来完成测量气体的选择，并且根据器件的特性选择低频调制和锁定放大技术实现气体浓度的解调；本发明与以往气体浓度测量的方法相比，可以对不同气体进行选择性测量，同时采用硬件电路实现浓度解调，具体涉及气体在近红外波段的吸收特性和基于波长调制的锁定放大技术，具有集成化高、抗电磁干扰能力强、测量度高、性能稳定可靠和使用寿命长等优点。
文档编号G01N21/31GK103115877SQ20121059359
公开日2013年5月22日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者郑林, 史青, 孙舟璐, 王鲜然, 陈青松 申请人:北京遥测技术研究所, 航天长征火箭技术有限公司