一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源的製作方法

2023-05-26 13:02:46

專利名稱：一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源，屬於光纖傳感中的信號源技術領域。
背景技術：
目前，採用差分吸收式光纖氣體檢測傳感技術對氣體進行檢測所用到的系統，其基本結構如圖1，先由雷射器I提供光信號，經過分束器2按1:1分為兩束等光強的光耦合進入光纖，一路經過氣室3，光經氣體吸收後打到光電探測器4上轉化為帶有氣體信息的信號波；另一路直接打到光電探測器上成為參考波，接下來兩路信號通過濾波，轉電壓電路、減法器或除法器等歸一化電路得出氣體吸收峰。上述氣體檢測系統大致可以以光電探測器為界限分為前後兩大部分，前半部分主要是光路，後半部分主要是電路。顯而易見，前半部分的諸多影響因素會對後邊模擬電路模塊的調試帶來不少困難。很多時候會因為光學部分無法給出一個較為標準的信號波而使得後邊的模擬電路模塊調試無法進行或者顯得毫無意義。例如，雙光路的路徑長度差異，光纖的彎曲、應力不同，兩光電探測器封裝進的水蒸氣含量差異，這些都會影響信號光，另外還需要自己製作氣室來模擬氣體檢測的環境，氣室製作麻煩，體型笨重，最主要的是密封性問題，給研發過程帶來諸多不便。常軍、王宗良、王偉傑、宋復俊等人的實用新型專利「一種基於掃描法的微水檢測裝置」(申請號為:201120074340.0)就是一種利用信號源掃描獲得水汽信息的氣體檢測裝置，由於該裝置的信號源是通過DFB雷射器出光經過氣室等一系列光路得來的，因此受到DFB雷射器、準直器、光電探測器中水底的影響，所得信號源的準確度跟精度勢必受到影響，直接影響後邊電路的調試。而市面上普通的信號發生器只能產生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等固定波形，遠遠達不到模擬氣體吸收狀況的要求。隨著數位化程度的不斷提高，波形發生技術也有了一個很大的提升，完全可以通過全數字的方式來製作一個標準信號源，用來模擬氣體吸收情況，直接用作電路調試，代替了前面整個的光學模塊。而且全數位化，便與集成，體積小，重量輕。因此，作為一個標準信號源來用方便快捷，大大提高光纖傳感系統中模擬電路模塊的調試效率。

發明內容
為了消除現有氣體檢測傳感器系統光學部分的種種因素對信號波的影響，提高電路調試效率，縮短研發周期，本發明提供了一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源。本發明信號源產生如圖2 (C)的波形信號，波形的凹陷幅度可以對應於氣室中氣體吸收程度的不同來調節，而且通過不斷調試可以實現Ippm的一一對應；頻率可調，調頻時波形的凹陷部分能夠隨著整個波形的展寬而展開。本發明的方案是用上位機分別產生如圖2中的(a)三角波和(b)凹陷波的波形數據，然後採用對應相位幅值相加產生(C)輸出波形的波形數據，存入波形存儲器，通過頻率字控制相位累加器查詢波形存儲器從而產生波形。
本發明的技術方案是按以下方式實現的。一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源，包括頻率字寄存器、相位累加器、系統時鐘頻率源、波形存儲器、上位機、D/A轉換器、低通濾波器，其特徵在於頻率字寄存器連接到相位累加器上，為之提供頻率字；相位累加器的輸出連接到波形存儲器的地址線上，波形存儲器連接到D/A轉換器上，系統時鐘頻率源分別與相位累加器和D/A轉換器相連，為它們提供相同基頻率；D/A轉換器與低通濾波器相連接，使得經過D/A轉換後出來的信號波被濾波電路調整；上位機分別連接到波形存儲器和頻率字寄存器上，給波形存儲器寫入波形數據和給頻率字寄存器寫入頻率字。一種上述標準信號源產生標準信號的方法，步驟如下:I)、上位機預先對光纖傳感檢測氣體實驗中採集到的三角波(即氣體檢測中用到的參考波形)和凹陷波(模擬氣體對光的吸收波形)進行分析，上位機獲取三角波和凹陷波的波形數據，上位機嗎對三角波和凹陷波的波形數據作加法處理產生輸出波的波形數據，將輸出波波形數據寫入波形存儲器；2)、系統時鐘頻率源給出可程控的時鐘信號為波形存儲器提供掃描地址，這樣每個地址對應的數據就代表了波形在等間隔取樣點上的幅度值；3)、上位機向頻率字寄存器中寫入頻率字，頻率字作為相位累加器的累加值，相位累加器在每個參考時鐘脈衝輸入時，把頻率字累加一次，其輸出相應的累加一個步長的相應增量，由於相位累加器的輸出連接在波形存儲器的地址線上，因此其輸出的改變就相當於查表，這樣就能把存儲在波形存儲器中的波形數據經查表方式查出；4)、將查表查出的數字量輸入D/A轉換器，將之轉換為模擬量；5)、在系統時鐘頻率源的作用下，相位累加器不停地累加，即不停地查表，把波形數據全部查出送到D/A轉換器轉換為模擬量，從而把波形整個合成出來；6)、經過D/A轉換器後得到的模擬量再輸入到低通濾波器做平滑波形、衰減雜散波處理，之後得到想要的波形；7)、受到相位累加器字長的限制，相位累加器累加到一定值後，其輸出將會溢出，這樣波形存儲器的地址就會循環一次，即意味著輸出波形循環一周，因此向頻率字寄存器中寫入不同的頻率字，就代表使用不同的相位增量，就能改變相位累加器的溢出時間，在信號源的時鐘頻率源不變的情況下改變輸出頻率；信號源的頻率調節如下:設頻率字為d，相位累加器字長為N，時鐘頻率為f。，該信號源的輸出頻率
f0因此可見系統的輸出頻率只與頻率字d、時鐘頻率f。、相位累加器的字長N有
關，在時鐘頻率f。和相位累加器的字長N固定時，通過改變頻率字d便可以方便地改變輸出頻率fo，由於在步驟I)中將三角波和凹陷波兩部分的波形數據預先經過了處理，整合為一個波形數據，也就是輸出波形的波形數據，這樣用一個頻率字d控制頻率就能夠保證吸收凹陷部分隨著頻率調節時整體的展寬而展開；信號源的輸出頻率範圍:最小輸出頻率也就是信號源的頻率解析度，受奈奎斯特定理的限制，在一個相位累加器的溢出周期內至少要累加兩次，也就是查詢波形存儲器取樣兩次，才能夠重新合成輸出波形，理論上的最大輸出頻率為f；.=|.。本發明的振幅調節可以通過改變波形存儲器中波形數據來調節，通過對相關光纖傳感檢測氣體的實驗結果數據分析，可以擬合出與Ippm吸收強度相對應的凹陷波形，然後用一個與氣體濃度、氣室長度、氣體壓強有關的係數就可以方便的控制其不同吸收程度下的不同振幅。當然，該步驟是在將三角波與凹陷波數據整合之前進行，這樣可以既能保證對凹陷幅度的單獨調節，又不影響調頻時波形的整體展寬。本發明的優點是大部分是數字器件，集成度高，體積小，精度高，穩定性強，能夠根據不同的吸收程度調整吸收凹陷的幅度，且調頻的時候凹陷會隨著整個波形的展寬而展開。在光纖傳感檢測氣體的相關工程中，能夠代替前端的光學部分，直接產生模擬氣體吸收狀況的標準信號，用於後續模擬電路模塊調試，排除了光學部分諸多的影響因素，提高了吸收式光纖傳感檢測氣體濃度這一類系統的研發效率。


圖1.差分法吸收式光纖傳感檢測氣體的部分結構圖。其中:1、雷射器,2、分束器,3、氣室,4、光電探測器,5、信號光波形輸出，6、光電探測器，16、參考光波形輸出。圖2.波形數據採集中涉及到的波形類型以及數據處理時的相位對應情況示意圖。其中:(a)、三角波(即氣體檢測中用到的參考波形，可以從之前多次光纖傳感檢測氣體的實驗中採集獲得)，(b)、凹陷波(模擬氣體對光的吸收)，(C)、輸出波形(本發明的標準信號源最終產生的波形輸出)。圖3.該標準信號 源的結構示意圖。其中:7、頻率字，8、相位累加器，9、系統時鐘頻率源，10、波形存儲器，11、上位機，12、波形數據，13、D/A轉換器，14、低通濾波器，15、波形輸出，17、頻率字寄存器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限於此。實施例1:本發明實施例1如圖3所7]^，一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源，包括頻率字寄存器17、相位累加器8、系統時鐘頻率源9、波形存儲器10、上位機11、D/A轉換器13、低通濾波器14，其特徵在於頻率字寄存器17連接到相位累加器8上，為之提供頻率字7 ;相位累加器8的輸出連接到波形存儲器10的地址線上，波形存儲器10連接到D/A轉換器13上，系統時鐘頻率源9分別與相位累加器8和D/A轉換器13相連，為它們提供相同基頻率；D/A轉換器13與低通濾波器14相連接，使得經過D/A轉換後出來的信號波被濾波電路調整；上位機11分別連接到波形存儲器10和頻率字寄存器17上，給波形存儲器10寫入波形數據12和給頻率字寄存器17寫入頻率字。實施例2:一種上述標準信號源產生標準信號的方法，步驟如下:
I)、上位機預先對光纖傳感檢測氣體實驗中採集到的三角波(即氣體檢測中用到的參考波形)和凹陷波(模擬氣體對光的吸收波形)進行分析，上位機獲取三角波和凹陷波的波形數據，上位機嗎對三角波和凹陷波的波形數據作加法處理產生輸出波的波形數據，將輸出波波形數據寫入波形存儲器；2)、系統時鐘頻率源給出可程控的時鐘信號為波形存儲器提供掃描地址，這樣每個地址對應的數據就代表了波形在等間隔取樣點上的幅度值；3)、上位機向頻率字寄存器中寫入頻率字，頻率字作為相位累加器的累加值，相位累加器在每個參考時鐘脈衝輸入時，把頻率字累加一次，其輸出相應的累加一個步長的相應增量，由於相位累加器的輸出連接在波形存儲器的地址線上，因此其輸出的改變就相當於查表，這樣就能把存儲在波形存儲器中的波形數據經查表方式查出；4)、將查表查出的數字量輸入D/A轉換器，將之轉換為模擬量；5)、在系統時鐘頻率源的作用下，相位累加器不停地累加，即不停地查表，把波形數據全部查出送到D/A轉換器轉換為模擬量，從而把波形整個合成出來；6)、經過D/A轉換器後得到的模擬量再輸入到低通濾波器做平滑波形、衰減雜散波處理，之後得到想要的波形；7)、受到相位累加器字長的限制，相位累加器累加到一定值後，其輸出將會溢出，這樣波形存儲器的地址就會循環一次，即意味著輸出波形循環一周，因此向頻率字寄存器中寫入不同的頻率字，就代表使用不同的相位增量，就能改變相位累加器的溢出時間，在信號源的時鐘頻率源不變的情況下改變輸出頻率；信號源的頻率調節如下:
設頻率字為d，相位累加器字長為N，時鐘頻率為f。，該信號源的輸出頻率
f(>=y f。，因此可見系統的輸出頻率只與頻率字d、時鐘頻率f。、相位累加器的字長N有關，
在時鐘頻率f。和相位累加器的字長N固定時，通過改變頻率字d便可以方便地改變輸出頻率&，由於在步驟I)中將三角波和凹陷波兩部分的波形數據預先經過了處理，整合為一個波形數據，也就是輸出波形的波形數據，這樣用一個頻率字d控制頻率就能夠保證吸收凹陷部分隨著頻率調節時整體的展寬而展開；信號源的輸出頻率範圍:最小輸出頻率f0也就是信號源的頻率解析度，受奈奎斯特定理的限制，在一個相位累加器的溢出周期內至少要累加兩次，也就是查詢波形存儲器取樣兩次，才能夠重新合成輸出波形，理論上的最大輸出頻率為fh =|。
jL.
權利要求
1.一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源，包括頻率字寄存器、相位累加器、系統時鐘頻率源、波形存儲器、上位機、D/A轉換器、低通濾波器，其特徵在於頻率字寄存器連接到相位累加器上，為之提供頻率字；相位累加器的輸出連接到波形存儲器的地址線上，波形存儲器連接到D/A轉換器上，系統時鐘頻率源分別與相位累加器和D/A轉換器相連，為它們提供相同基頻率；D/A轉換器與低通濾波器相連接，使得經過D/A轉換後出來的信號波被濾波電路調整；上位機分別連接到波形存儲器和頻率字寄存器上，給波形存儲器寫入波形數據和給頻率字寄存器寫入頻率字。
2.一種如權利要求1所述標準信號源產生標準信號的方法，步驟如下: 1)、上位機預先對光纖傳感檢測氣體實驗中採集到的三角波和凹陷波進行分析，上位機獲取三角波和凹陷波的波形數據，上位機嗎對三角波和凹陷波的波形數據作加法處理產生輸出波的波形數據，將輸出波波形數據寫入波形存儲器； 2)、系統時鐘頻率源給出可程控的時鐘信號為波形存儲器提供掃描地址，這樣每個地址對應的數據就代表了波形在等間隔取樣點上的幅度值； 3)、上位機向頻率字寄存器中寫入頻率字，頻率字作為相位累加器的累加值，相位累加器在每個參考時鐘脈衝輸入時，把頻率字累加一次，其輸出相應的累加一個步長的相應增量，由於相位累加器的輸出連接在波形存儲器的地址線上，因此其輸出的改變就相當於查表，這樣就能把存儲在波形存儲器中的波形數據經查表方式查出； 4)、將查表查出的數字量輸入D/A轉換器，將之轉換為模擬量； 5)、在系統時鐘頻率源的作用下，相位累加器不停地累加，即不停地查表，把波形數據全部查出送到D/A轉換器轉換為模擬量，從而把波形整個合成出來； 6)、經過D/A轉換器後得到的模擬量再輸入到低通濾波器做平滑波形、衰減雜散波處理，之後得到想要的波形； 7)、受到相位累加器字長的限制，相位累加器累加到一定值後，其輸出將會溢出，這樣波形存儲器的地址就會循環一次，即意味著輸出波形循環一周，因此向頻率字寄存器中寫入不同的頻率字，就代表使用不同的相位增量，就能改變相位累加器的溢出時間，在信號源的時鐘頻率源不變的情況下改變輸出頻率； 信號源的頻率調節如下: 設頻率字為山相位累加器字長為N，時鐘頻率為f。，該信號源的輸出頻率，因此可見系統的輸出頻率只與頻率字d、時鐘頻率f。、相位累加器的字長N有關，在時鐘頻率f。和相位累加器的字長N固定時，通過改變頻率字d便可以方便地改變輸出頻率&，由於在步驟I)中將三角波和凹陷波兩部分的波形數據預先經過了處理，整合為一個波形數據，也就是輸出波形的波形數據，這樣用一個頻率字d控制頻率就能夠保證吸收凹陷部分隨著頻率調節時整體的展寬而展開； 信號源的輸出頻率範圍: 最小輸出頻率Δ ；=.^.,Λ &也就是信號源的頻率解析度，受奈奎斯特定理的限制，在一個相位累加器的溢出周期內至少要累加兩次，也就是查詢波形存儲器取樣兩次，才能夠重新合成輸出 波形，理論上的最大輸出頻率為f0賄=Y。
全文摘要
一種模擬光纖傳感檢測氣體中氣體吸收狀況的標準信號源，屬光纖傳感中的信號源技術領域。本裝置包括波形存儲器、上位機等。頻率字寄存器連接到相位累加器上，為之提供頻率字，相位累加器的輸出連接到波形存儲器的地址線上，波形存儲器連接到D/A轉換器上，系統時鐘頻率源分別與相位累加器和D/A轉換器相連，為其提供相同基頻，D/A轉換器與低通濾波器相連接，使經D/A轉換後的信號波被濾波電路調整，上位機分別連接到波形存儲器和頻率字寄存器上，給波形存儲器寫入波形數據和給頻率字寄存器寫入頻率字。本發明數位化程度高，便與集成，體積小，重量輕，能靈活調幅、調頻，波形穩定，精度高，能為光纖傳感檢測氣體提供高質量的標準信號。
文檔編號H03K3/02GK103196846SQ20131008703
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月18日 優先權日2013年3月18日
發明者常軍, 王福鵬, 王強, 朱存光, 魏巍, 高婷, 劉永寧, 王偉傑 申請人:山東大學