一種氣體的在線檢測方法和裝置的製作方法
2023-11-30 04:26:26
專利名稱：一種氣體的在線檢測方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及物質的檢測方法及裝置，更具體地說，涉及一種氣體的在線檢測方法 和裝置。
背景技術：
當前，汽車逐漸成為重要的交通工具，同時汽車排放的大量有害氣體日益威脅著 人類健康和生存環境，是城市環境最主要的汙染源之一。汽車排放汙染物主要包括二氧 化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物(He)、氮氧化合物(NOx)、微粒物(由碳煙、鉛氧化 物等重金屬氧化物等組成)和硫化物等。目前，常見的氣體檢測技術主要有氣相色譜法、傅 裡葉變換紅外光譜技術(FTIR)、光聲光譜PAS技術、化學催化傳感器等，色譜分析要求對 汙染氣體進行採樣、處理，難以進行實時探測分析，而化學催化傳感器的壽命短，穩定性 較差，受環境影響較大。這些方法都具有測試時間長、成本高、不便於實地操作的缺陷。隨 著城市化進程加快，對氣體進行在線檢測變得越來越重要。發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述測試時間長、成本高、不便於 實地操作的缺陷，提供一種測試時間短、成本低、便於操作的一種氣體的在線檢測方法和裝置。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種氣體的在線檢測方法，包 括如下步驟A)產生調製的驅動信號，使可調二極體雷射器發出雷射，並對所述雷射分束輸出兩路 光信號;B)使所述兩路光信號中的一路通過待檢測氣體傳輸指定距離，得到檢測光信號；另一 路通過參考氣體傳輸指定距離，得到參考光信號；C)分別將所述檢測光信號和所述參考光信號經過光電轉換並通過與鎖相放大器處理 得到其各自的二次諧波；D)對比並處理所述二次諧波，並得到所述待測氣體的成分和濃度。
在本發明所述的氣體的在線檢測方法中，所述步驟A)中進一步包括Al)產生鋸齒波驅動信號並將其進行DA轉換；A2)產生正弦波驅動信號並將其進行DA轉換；A3)使用已進行DA轉換的正弦波驅動信號對所述已進行DA轉換的鋸齒波驅動信號進 行調製，得到調製的驅動信號。
在本發明所述的氣體的在線檢測方法中，所述步驟C)中，對所述參考光信號和所 述檢測光信號的處理步驟相同；對所述參考光信號或所述檢測光信號的處理步驟分別進一 步包括Cl)將光信號進行光電轉換並進行AD變換；C2)將上一步驟中得到的信號分別與鎖相放大器輸出的兩路正交的、其頻率為二次諧 波的參考信號相乘並分別進行低通濾波；C3)取得上一步驟中得到的兩路信號的矢量和，得到該光信號的二次諧波。
在本發明所述的氣體的在線檢測方法中，所述步驟D)進一步包括Dl)對所述參考光信號和所述檢測光信號進行步驟C)處理後得到的二次諧波信號進行 差分運算；D2)依據所述運算結果得到所述待測氣體的濃度。
在本發明所述的氣體的在線檢測方法中，所述驅動信號產生、所述鎖相放大器以 及對所述二次諧波的取得及運算均在同一個FPGA中實現。
本發明還涉及一種氣體的在線檢測裝置，包括用於產生驅動信號的驅動信號產生 模塊、用於將所述驅動信號產生模塊所產生的驅動信號進行DA轉換並調製而形成調製的 驅動波形的調製模塊、用於將所述可調二極體雷射器所發雷射分為兩路的分束器、用於容 納待檢測氣體並使所述分束器分出的一路光信號在其中傳輸成為檢測光信號的待檢測氣 體空間、用於容納參考氣體並使所述分束器分出的另一路光信號在其中傳輸成為參考光信 號的參考氣體空間、用於將所述參考光信號轉換為電信號並進行DA轉換的參考光電轉換 模塊、用於將所述待測光信號轉換為電信號並進行DA轉換的待測光電轉換模塊，用於由所 述參考光電轉換模塊輸出中取得其二次諧波分量的參考信號二次諧波取得模塊，用於由所 述待測光電轉換模塊的輸出中取得其第二諧波分量的待測信號二次諧波取得模塊以及用 於將所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次諧波取得模塊輸出處理並得到所述 待測氣體濃度的信號處理模塊。
在本發明所述的氣體的在線檢測裝置中，所述驅動信號產生模塊包括產生用於 掃描待測氣體的特徵譜線的鋸齒波的鋸齒波產生單元和產生用於調製所述鋸齒波的正弦 波的正弦波產生單元，所述鋸齒波產生單元和所述正弦波產生單元分別輸出到所述調製模 塊；所述正弦波產生單元還輸出正弦波到所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次 諧波取得模塊並分別作為其參考信號。
在本發明所述的氣體的在線檢測裝置中，所述參考光電轉換模塊包括依次連接的 第一 PIN管和第一 DA轉換單元；所述待測光電轉換模塊包括依次連接的第二 PIN管和第 二 DA轉換單元；所述參考信號二次諧波取得模塊使用兩個正交的參考信號分別與所述參 考信號二次諧波取得模塊的輸入相乘的乘法器、分別將所述兩個乘法器輸出濾波的兩個低 通濾波器以及取得所述兩個低通濾波器輸出的矢量和的矢量運算單元；所述待測信號二次 諧波取得模塊使用兩個正交的參考信號分別與所述待測信號二次諧波取得模塊的輸入相 乘的乘法器、分別將所述兩個乘法器輸出濾波的兩個低通濾波器以及取得所述兩個低通濾 波器輸出的矢量和的矢量運算單元。
在本發明所述的氣體的在線檢測裝置中，所述信號處理模塊進一步包括差分運算單元用於對所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次諧波取得模塊的輸出量進行差分運算，並得到運算結果；查表單元用於依據上述運算結果查表，得到待測氣體的濃度值。
在本發明所述的氣體的在線檢測裝置中，所述驅動信號產生模塊、所述參考信號 二次諧波取得模塊、待測信號二次諧波取得模塊以及所述信號處理模塊設置在同一 FPGA晶片內。
實施本發明的氣體的在線檢測方法和裝置，具有以下有益效果由於將可調製激 光二極體所發出的光分為兩路，一路通過待檢測氣體，而另一路通過參考氣體，再比較這兩 路光信號的差別，進而得到待檢測氣體的成分、濃度；同時，將驅動信號的產生、光信號的轉 換為電信號後的處理及運算均設置在同一可編程邏輯器件上，這使得檢測的時間較短、檢 測成本較低、可以在現場檢測。
圖1是本發明一種氣體的在線檢測方法和裝置實施例中的方法流程圖；圖2是圖1中驅動信號產生步驟的進一步的流程圖；圖3是圖1中取得二次諧波分量步驟的進一步的流程圖；圖4是所述實施例中氣體的在線檢測裝置的結構示意圖；圖5是所述實施例中氣體的在線檢測裝置的結構框圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明實施例作出進一步說明。
如圖1所示，在本發明的一種氣體的在線檢測方法和裝置實施例中，其氣體在線 檢測方法流程如下步驟Sll產生調製的驅動波形，使可調二極體雷射發光在實施例中，需要使用光線 通過待測的氣體，因此，首先要滿足的條件，就是產生出要求的光信號，在本步驟中，產生調 制的驅動信號，這些驅動信號使得作為光源的可調二極體雷射器發出雷射，該雷射將用於 後續的測試步驟。至於如何得到調製的驅動信號，在稍後會有較為詳細的描述。
步驟S12對產生的雷射進行分束，使其成為兩路在本步驟中，對上述步驟中得 到的雷射進行分束，使其分為兩路傳輸，在本實施例中，就是使得上述雷射通過分束器，該 分束器輸出兩路參數一致的雷射束，作為開始測試的光信號。
步驟S13 一路通過待測氣體，得到待測光信號在本步驟中，使得上述兩路光信 號中的一路通過待檢測氣體並傳輸指定距離，得到檢測光信號。值得一提的是，在本實施 例中，步驟S13、S14與步驟S15、S16之間是並行的，也就是說，兩路光信號同時通過不同的 傳輸介質(待測氣體和參考氣體)傳輸指定的距離後，得到不同的光信號，再分別對這些不 同的光信號進行處理，並對處理結果進行運算。光信號傳輸時是並行的，對其處理也是並行 的，最後再將這些並行得到的信號合起來並經過處理或運算，得到表示待測氣體濃度的信 號量。
步驟S14光電轉換，處理並得到待測光信號二次諧波分量在本步驟中，先將得 到的待測光信號進行光電轉換，使得其轉換為電信號，在處理得到的電信號並從其中取出 二次諧波分量。在本實施例中，對上述電信號並對其進行處理而得到二次諧波分量是通過 數字鎖相放大器來進行的。其具體的步驟在稍後有較為詳細的描述。
步驟S15另一路通過參考氣體，得到參考光信號在本步驟中，另一路通過參考 氣體並傳輸指定距離，得到參考光信號；步驟S16光電轉換，處理並得到參考光信號二次諧波分量在本步驟中，先將得到的參考光信號進行光電轉換，使得其轉換為電信號，在處理得到的電信號並從其中取出二次諧波分量。在本實施例中，對上述電信號並對其進行處理而得到二次諧波分量是通過數字鎖相放大器來進行的。步驟S17差分運算在本步驟中，將上述步驟S14和步驟S16中得到的二次諧波分量進行處理，具體而言是對這兩個二次諧波分量進行差分運算，得到結果。這個結果與待測氣體中的雜質濃度相關，其相互之間的關係被製成表格形式存儲起來。本步驟中，就是得到上述結果。步驟S18依據運算結果查表得到待測氣體濃度在本步驟中，依據得到的結果，查表求得待測氣體的濃度。在本實施例中，請參見圖2，上述步驟Sll又包括如下步驟
步驟Slll產生鋸齒波在本步驟中，利用一個鋸齒波發生器產生一個連續的鋸齒波；在本實施例中，上述鋸齒波發生器是由一個FPGA內的邏輯電路組成的；
步驟S112產生正弦波在本步驟中，利用一個正弦波發生器產生一個連續的正弦波；在本實施例中，上述正弦波發生器是由步驟Slll中同一個FPGA內的邏輯電路組成的；步驟S113將正弦波調製到上述鋸齒波上，同時，輸出正弦波在本步驟中，將上述步驟中得到的正弦波和鋸齒波合併在一起，即將正弦波調製到上述鋸齒波上，形成調製的驅動信號，該調製的驅動信號作為可調二極體雷射器的驅動信號輸出到該可調二極體雷射器，使其發光。同時，在本實施例中，上述正弦波還被輸出，作為後續步驟的參考信號，例如，經過處理後作為數字鎖相放大器的正交的參考信號。在本實施例中，在經過分束器後，可調二極體雷射器發出的雷射被分為兩路，其中一路通過待測氣體，當其在待測氣體中傳輸設定距離時，得到待測光信號；而另一路通過參考氣體，當其在參考氣體中傳輸設定距離之後得到參考光信號；之後，分別對上述待測光信號和參考光信號進行處理，取出其中的二次諧波分量。在本實施例中，這兩個處理是同時進行的，也就是並行的，正如上述兩路光傳輸一樣，請參見圖3，在圖3中，其步驟下方標註的表達式是本實施例中採取該步驟後輸出的信號表達式，例如，在圖3中，以第一乘法器為例，其一個輸入端輸入的信號為
CO
.，另一個輸入端輸入的信號為f Ks f3 ,其輸出端輸出的信號為。
asmJ 2*_1 ^K=I
其中，asin2on是二倍頻信號，Κη是第η次諧波信息。如圖3所示，對於待測光信號的處理步驟如下
步驟S141光電轉換在本步驟中，將已經在待測氣體中傳輸了一定距離的光信號即待測光信號進行光電轉換，使其轉換為電信號；在本實施例中，使用一個光電二極體(即PIN管)來實現這一轉換。步驟S142模數轉換光電轉換後的電信號是一個連續模擬信號，在本步驟之後的處理方式都是以數位訊號為主，因此，在本步驟中，將上述模擬信號進行模數轉換，變為
數位訊號。步驟S143第二乘法運算將上述步驟中得到的數位訊號送到第二乘法器，與一個參考信號進行乘法運算；在本實施例中，上述參考信號是由前面所述的正弦波產生器提供的一個正弦波信號，在進入乘法器之前，可能經過變換或移相，因為在第二乘法器中使用的參考信號，與第一乘法器中使用的參考信號是一對正交的參考信號。步驟S144第二低通濾波在本步驟中，對第二乘法器輸出的信號進行第二低通濾波，去掉其基波取出其二次諧波分量。值得一提的是，上述步驟S143、S144和步驟S145、S146是同時進行的，其操作也是相同的，唯一不同的是，他們之間在做乘法運算時使用的參考信號不一樣，而且其參考信號之間是正交的。步驟S145第一乘法運算將上述步驟S142中得到的數位訊號送到第一乘法器，與一個參考信號進行乘法運算；在本實施例中，上述參考信號是由前面所述的正弦波產生器提供的一個正弦波信號，在進入乘法器之前，可能經過變換或移相，因為在第一乘法器中使用的參考信號，與第二乘法器中使用的參考信號是一對正交的參考信號。步驟S146第一低通濾波在本步驟中，對第一乘法器輸出的信號進行第一低通濾波，去掉其基波取出其二次諧波分量。·步驟S147矢量求和通過上述步驟之後，在第一低通濾波和第二低通濾波分別得到一個二次諧波分量，在本步驟中，就是要將上述兩個二次諧波分量進行矢量求和的運算，得到二次諧波信號；具體而言，設第一低通濾波後得到的二次諧波分量為X，第二低通濾波後得到的二次諧波分量為1，則在本步驟中進行
權利要求
1.一種氣體的在線檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟 A)產生調製的驅動信號，使可調二極體雷射器發出受雷射，並對所述雷射分束輸出兩路光信號； B)使所述兩路光信號中的一路通過待檢測氣體傳輸指定距離，得到檢測光信號；另一路通過參考氣體傳輸指定距離，得到參考光信號； C)分別將所述檢測光信號和所述參考光信號經過光電轉換並通過與鎖相放大器處理得到其各自的二次諧波； D)對比並處理所述二次諧波，並得到所述待測氣體的成分和濃度。
2.根據權利要求1所述的氣體的在線檢測方法，其特徵在於，所述步驟A)中進一步包括 Al)產生鋸齒波驅動信號並將其進行DA轉換； A2)產生正弦波驅動信號並將其進行DA轉換； A3)使用已進行DA轉換的正弦波驅動信號對所述已進行DA轉換的鋸齒波驅動信號進行調製，得到調製的驅動信號。
3.根據權利要求2所述的氣體的在線檢測方法，其特徵在於，所述步驟C)中，對所述參考光信號和所述檢測光信號的處理步驟相同；對所述參考光信號或所述檢測光信號的處理步驟分別進一步包括 Cl)將光信號進行光電轉換並進行AD變換； C2)將上一步驟中得到的信號分別與鎖相放大器輸出的兩路正交的、其頻率為二次諧波的參考信號相乘並分別進行低通濾波； C3)取得上一步驟中得到的兩路信號的矢量和，得到該光信號的二次諧波。
4.根據權利要求3所述的氣體的在線檢測方法，其特徵在於，所述步驟D)進一步包括 Dl)對所述參考光信號和所述檢測光信號進行步驟C)處理後得到的二次諧波信號進行差分運算； D2)依據所述運算結果得到所述待測氣體的濃度。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的氣體的在線檢測方法，其特徵在於，所述驅動信號產生、所述鎖相放大器以及對所述二次諧波的取得及運算均在同一個FPGA中實現。
6.一種氣體的在線檢測裝置，其特徵在於，包括用於產生驅動信號的驅動信號產生模塊、用於將所述驅動信號產生模塊所產生的驅動信號進行DA轉換並調製而形成調製的驅動波形的調製模塊、用於將所述可調二極體雷射器所發雷射分為兩路的分束器、用於容納待檢測氣體並使所述分束器分出的一路光信號在其中傳輸成為檢測光信號的待檢測氣體空間、用於容納參考氣體並使所述分束器分出的另一路光信號在其中傳輸成為參考光信號的參考氣體空間、用於將所述參考光信號轉換為電信號並進行DA轉換的參考光電轉換模塊、用於將所述待測光信號轉換為電信號並進行DA轉換的待測光電轉換模塊，用於由所述參考光電轉換模塊輸出中取得其二次諧波分量的參考信號二次諧波取得模塊，用於由所述待測光電轉換模塊的輸出中取得其第二諧波分量的待測信號二次諧波取得模塊以及用於將所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次諧波取得模塊輸出處理並得到所述待測氣體濃度的信號處理模塊。
7.根據權利要求6所述的氣體的在線檢測在現場對氣體進行檢測的裝置，其特徵在於，所述驅動信號產生模塊包括產生用於掃描待測氣體的特徵譜線的鋸齒波的鋸齒波產生單元和產生用於調製所述鋸齒波的正弦波產生單元，所述鋸齒波產生單元和所述正弦波產生單元分別輸出到所述調製模塊；所述正弦波產生單元還輸出正弦波到所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次諧波取得模塊並分別作為其參考信號。
8.根據權利要求7所述的氣體的在線檢測裝置，其特徵在於，所述參考光電轉換模塊包括依次連接的第一 PIN管和第一 DA轉換單元；所述待測光電轉換模塊包括依次連接的第二 PIN管和第二 DA轉換單元；所述參考信號二次諧波取得模塊使用兩個正交的參考信號分別與所述參考信號二次諧波取得模塊的輸入相乘的乘法器、分別將所述兩個乘法器輸出濾波的兩個低通濾波器以及取得所述兩個低通濾波器輸出的矢量和的矢量運算單元；所述待測信號二次諧波取得模塊使用兩個正交的參考信號分別與所述待測信號二次諧波取得模塊的輸入相乘的乘法器、分別將所述兩個乘法器輸出濾波的兩個低通濾波器以及取得所述兩個低通濾波器輸出的矢量和的矢量運算單元。
9.根據權利要求8所述的氣體的在線檢測裝置，其特徵在於，所述信號處理模塊進一步包括 差分運算單元用於對所述參考信號二次諧波取得模塊和待測信號二次諧波取得模塊的輸出量進行差分運算，並得到運算結果； 查表單元用於依據上述運算結果查表，得到待測氣體的濃度值。
10.根據權利要求6-8任意一項所述的氣體的在線檢測裝置，其特徵在於，所述驅動信號產生模塊、所述參考信號二次諧波取得模塊、待測信號二次諧波取得模塊以及所述信號處理模塊設置在同一 FPGA晶片內。
全文摘要
本發明涉及構造一種氣體的在線檢測方法，包括如下步驟產生調製驅動信號，使可調諧二極體雷射器發出雷射，並對所述雷射分束輸出兩路光信號；使所述兩路光信號中的一路通過待檢測氣體傳輸，得到檢測光信號；另一路通過參考氣體傳輸，得到參考光信號；分別將所述檢測光信號和所述參考光信號經過光電轉換並通過與鎖相放大器處理得到其各自的二次諧波；對比並處理所述二次諧波，並得到所述待測氣體的成分和濃度。本發明還涉及一種氣體的在線檢測裝置。實施本發明的氣體在線檢測方法和裝置，具有以下有益效果使得檢測時間較短、可實現非接觸檢測、可以在現場檢測。
文檔編號G01N21/39GK102998280SQ20111027544
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優先權日2011年9月16日
發明者高致慧, 陳昇, 陳子聰, 黃必昌, 曹志, 洪澤華, 王洪豔, 張桃華 申請人:高致慧, 深圳大學