基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置及方法與流程
2023-04-23 22:37:46 2
本發明涉及甲烷檢測技術領域，具體涉及一種基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置及方法。
背景技術：
可調諧二極體雷射吸收光譜技術，即基於DFB(分布式反饋)雷射器的光譜檢測技術，由於其具有高信噪比和響應速度快等特點而廣泛應用於氣體檢測行業。在檢測過程中雷射器通過電流調製的方式同時調製雷射器輸出雷射的光強和波長。但是，雷射器電流調製過程中存在著很多噪聲，如：光電二極體暗電流、光路汙染、溫度變化、鎖相放大算法噪聲和雷射器基底噪聲等。這些噪聲若處理不當將嚴重影響檢測靈敏度，如：雷射甲烷傳感器的零點會因為光強和溫度等外在條件發生偏移，影響零點，低濃度甲烷信號在外在環境變化下會淹沒在基底噪聲中，或基底噪聲小於傳感器原有記錄的零點值，從而影響檢測精度。
為了克服上述的問題，傳統解決方法是在生產調試時進行零點標校，而這種方法只是基於外在環境較好（噪聲低）的條件下，若在惡劣電氣環境下會出現零點漂移情況，即基底噪聲發生改變，而且，傳統解決方法是通過常溫和高低溫的零點標校，需要在不同溫度點下記錄零點值，而這個工序需要佔據一定人力，財力，且生產周期增長。
由於雷射甲烷傳感器在測量中會根據記錄的零點進行濃度擬合，所以當環境改變導致噪聲發生改變時，雷射甲烷傳感器並不能進行實時響應，也不能只能分析到幹擾的存在，因此，急需一種能夠在不影響測量的條件下實時記錄基底噪聲的雷射甲烷傳感器自動調零裝置及方法。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術中當環境改變導致噪聲發生改變時，雷射甲烷傳感器並不能進行實時響應，也不能只能分析到幹擾存在的問題。本發明的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置及方法，通過FPGA將吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號同步放大後，相減後，得到甲烷信號值，無需進行零點調校，提高甲烷檢測精度，適用於各種環境，使用方便，具有良好的應用前景。
為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置，包括FPGA、熱敏電阻、PID溫度控制電路、低頻掃描電流發生器、甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路，
所述熱敏電阻設置在低頻掃描電流發生器上，並與FPGA相連接，所述FPGA的溫度控制信號輸出端與PID溫度控制電路相連接，控制低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫；
所述低頻掃描電流發生器的輸出端分別與甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的信號輸入端相連接，所述甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的輸出端分別與FPGA的輸入端相連接，
所述FPGA內設置有減法器和兩組鎖相環放大單元，所述甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的輸出端分別與一組鎖相環放大單元的輸入端相連接，兩組鎖相環放大單元的輸出端通過減法器輸出甲烷信號值。
前述的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置，所述低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流信號為三角波，所述三角波的中心位置為甲烷吸收點，所述三角波的兩端位置為甲烷不吸收點。
前述的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置，所述控制低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫，保證吸收點幅度變化小於0.1mA。
前述的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置，所述低頻掃描電流信號採用正弦波為高頻調製信號。
基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測方法，包括以下步驟，
步驟（A），低頻掃描電流發生器輸出檢測甲烷後的低頻掃描電流信號，所述低頻掃描電流信號為三角波，且採用正弦波為高頻調製信號；
步驟（B），通過熱敏電阻採集低頻掃描電流上甲烷吸收點處的溫度，發送給FPGA，並通過FPGA控制PID溫度控制電路，保證低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫，吸收點幅度變化小於0.1mA；
步驟（C），通過甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路分別採集低頻掃描電流信號上的吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號，分別發送給FPGA內的鎖相環放大單元；
步驟（D），通過鎖相環放大單元對吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號進行同步及放大處理後，發送給FPGA內的減法器；
步驟（F），通過減法器，將吸收點的諧波信號值減去不吸收點基底諧波噪聲信號值，得到甲烷信號值。
本發明的有益效果是：本發明的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置及方法，通過FPGA將吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號同步放大後，相減後，得到甲烷信號值，無需進行零點調校，提高甲烷檢測精度，控制甲烷吸收點處恆溫即可，適用於各種環境，使用方便，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置的系統框圖。
圖2是本發明的低頻掃描電流信號的波形圖。
具體實施方式
下面將結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
如圖1 所示，基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置，包括FPGA、熱敏電阻、PID溫度控制電路、低頻掃描電流發生器、甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路，
所述熱敏電阻設置在低頻掃描電流發生器上，並與FPGA相連接，所述FPGA的溫度控制信號輸出端與PID溫度控制電路相連接，控制低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫；
所述低頻掃描電流發生器的輸出端分別與甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的信號輸入端相連接，所述甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的輸出端分別與FPGA的輸入端相連接，
所述FPGA內設置有減法器和兩組鎖相環放大單元，所述甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路的輸出端分別與一組鎖相環放大單元的輸入端相連接，兩組鎖相環放大單元的輸出端通過減法器輸出甲烷信號值。
如圖2所示，所述低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流信號為三角波，所述三角波的中心位置為甲烷吸收點，所述三角波的兩端位置為甲烷不吸收點，低頻掃描電流信號採用正弦波為高頻調製信號
所述控制低頻掃描電流發生器輸出的低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫，保證吸收點幅度變化小於0.1mA，保證甲烷吸收點處採集的諧波信號的可靠性，提高檢測精確度。
基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測方法，包括以下步驟，
步驟（A），低頻掃描電流發生器輸出檢測甲烷後的低頻掃描電流信號，所述低頻掃描電流信號為三角波，且採用正弦波為高頻調製信號；
步驟（B），通過熱敏電阻採集低頻掃描電流上甲烷吸收點處的溫度，發送給FPGA，並通過FPGA控制PID溫度控制電路，保證低頻掃描電流上甲烷吸收點恆溫，吸收點幅度變化小於0.1mA；
步驟（C），通過甲烷吸收點諧波信號採集電路、甲烷不吸收點基底諧波噪聲採集電路分別採集低頻掃描電流信號上的吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號，分別發送給FPGA內的鎖相環放大單元；
步驟（D），通過鎖相環放大單元對吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號進行同步及放大處理後，發送給FPGA內的減法器；
步驟（F），通過減法器，將吸收點的諧波信號值減去不吸收點基底諧波噪聲信號值，得到甲烷信號值。
綜上所述，本發明的基於FPGA的雷射甲烷單光路諧波檢測裝置及方法，通過FPGA將吸收點的諧波信號、不吸收點基底諧波噪聲信號同步放大後，相減後，得到甲烷信號值，無需進行零點調校，提高甲烷檢測精度，控制甲烷吸收點處恆溫即可，適用於各種環境，使用方便，具有良好的應用前景。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。