一种用于微量水蒸气检测的驱动直流调节并锁相的新方法
【专利摘要】一种用于微量水蒸气检测的驱动直流调节并锁相的新方法,属于光纤传感探测【技术领域】。对激光器进行波长调制，分别对经过气体吸收峰和无吸收处处的信号利用锁相技术进行探测并进行信号处理。实现系统包括激光器的温控和驱动模块、DFB激光器，气室，光电探测器，电流电压转换模块，锁相模块，单片机。本方法使用锁相模块并在锁相之前进行激光器驱动信号的直流调整，使锁相结果为直流信号，便于找底（无吸收处）并进行平均处理，可大幅提高信噪比，有效提取气体浓度信息。且这个系统还有体积小，结构简单，成本低廉等优点。
【专利说明】—种用于微量水蒸气检测的驱动直流调节并锁相的新方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感探测【技术领域】，是一种同时使用锁相、激光器直流调整和测量平均技术进行微量水蒸气检测的新方法。
【背景技术】
[0002]检测水蒸气浓度在很多领域都有很重要的意义。天然气中水的存在会引起管线水堵，造成管线冰堵，腐蚀管线、设备和仪表，影响天然气计量的准确度，给天然气的安全生产和使用造成极大危害。变压器油中含水量愈多，油质本身的老化、设备绝缘老化及金属部件的腐蚀速度愈快，监测油中水分的含量十分必要。在高压开关等电气设备中，SF6会与水发生化学反应，造成设备绝缘性能下降，而且还会对环境造成污染。因此，对SF6中水蒸气含量进行准确及时的在线监测非常重要。现如今使用的微量气体检测方法有露点法、电解法、阻容法等。利用这些方法设计的检测系统普遍存在着反应慢，使用寿命短，精度差而且成本非常高。因此，迫切需要一种简单易行的检测方法来决解上述问题。
[0003]中北大学徐振峰所写论文《瓦斯浓度二次谐波检测相关技术研究》中提到的二次谐波检测方法是利用一次谐波对激光器进行调制，经过气体吸收峰后激光信号了携带大量频率的信号，利用锁相模块在二次参考信号辅助下进行二次频率谐波探测可以得到包含气体浓度信息的二次信号而滤掉其他频率成分的信号。这种方法可大幅提高信噪比，但由于受锁相模块中积分器、滤波器等带宽和设计参数的限制，使得锁相波形容易产生变化甚至畸形，因此探测精度受到了限制。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种高精度、高稳定性微量水蒸气检测的新方法。
[0005]本发明方法的技术方案如下:
[0006]一种用于微量水蒸气检测的驱动直流调节并锁相的新方法，由以下测量系统来实现，该系统包括激光器的温控和驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相模块、单片机，其中激光器的温控和驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块的输出端和锁相模块相连接，锁相模块和单片机相连接，激光器的温控和驱动模块负责DFB激光器的温度控制，提供DFB激光器的调制信号，分别给出位于水蒸气吸收峰处波长即1368.597nm和1368.41nm (无吸收处)波长的直流偏置信号用于DFB激光器输出中心波长的选择，同时给锁相模块提供参考信号；输出激光经过气室后由光电探测器接收经过水蒸气吸收峰处和无吸收处波长的激光，电流电压转换模块用于将光电探测器转换的光电流转换为电压信号，锁相模块用于从转换的电压信号中选取与参考信号频率同频的信号，由于中心波长的选择固定因此锁相结果是直流信号，而单片机则对锁相结果检测平均后输出显示，该方法步骤如下:[0007]I)控制驱动和温控模块产生一次调制信号用于DFB激光器驱动，并产生频率二倍于一次调制波的二次参考信号用于锁相模块选频，同时，通过单片机控制驱动信号用于产生使DFB激光器输出光波长中心分别在水蒸气吸收峰处和无吸收处的位置的直流信号，分别用于检测吸收强度和无吸收时基准选取；
[0008]2)连接光路，激光器输出端连接待测气体的气室后由光电探测器接收，之后由电压电流转换模块转换为与驱动信号相应的含有水蒸汽吸收的电压信号；
[0009]3)电压电流转换模块输出端连接锁相模块，对转换后的结果进行锁相，得到与二次参考信号相同频率的直流谐波信号，分别对经过水蒸气吸收峰和无吸收处所得的直流信号平均后相减得到水蒸气浓度信息。
[0010]本发明采用的锁相原理如中北大学徐振峰所写论文《瓦斯浓度二次谐波检测相关技术研究》所述，通常在一个大气压下，水蒸气的吸收线性可由洛伦兹线型表示:
【权利要求】
1.一种用于微量水蒸气检测的驱动直流调节并锁相的新方法，由以下测量系统来实现，该系统包括激光器的温控和驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相模块、单片机，其中激光器的温控和驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块的输出端和锁相模块相连接，锁相模块和单片机相连接，激光器的温控和驱动模块负责DFB激光器的温度控制，提供DFB激光器的调制信号，分别给出位于水蒸气吸收峰处波长即1368.597nm和1368.41nm波长的直流偏置信号用于DFB激光器输出中心波长的选择，同时给锁相模块提供参考信号；输出激光经过气室后由光电探测器接收经过水蒸气吸收峰处和无吸收处波长的激光，电流电压转换模块用于将光电探测器转换的光电流转换为电压信号，锁相模块用于从转换的电压信号中选取与参考信号频率同频的信号，由于中心波长的选择固定因此锁相结果是直流信号，而单片机则对锁相结果检测平均后输出显示，该方法步骤如下: 1)控制驱动和温控模块产生一次调制信号用于DFB激光器驱动，并产生频率二倍于一次调制波的二次参考信号用于锁相模块选频，同时，通过单片机控制驱动信号用于产生使DFB激光器输出光波长中心分别在水蒸气吸收峰处和无吸收处的位置的直流信号，分别用于检测吸收强度和无吸收时基准选取； 2)连接光路，激光器输出端连接待测气体的气室后由光电探测器接收，之后由电压电流转换模块转换为与驱动信号相应的含有水蒸汽吸收的电压信号； 3)电压电流转换模块输出端连接锁相模块，对转换后的结果进行锁相，得到与二次参考信号相同频率的直流谐波信号，分别对经过水蒸气吸收峰和无吸收处所得的直流信号平均后相减得到水蒸气浓度信息。
【文档编号】G01N21/39GK103472030SQ201310452615
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】魏巍, 常军, 王强, 朱存光, 孙柏宁, 刘晓慧, 高婷 申请人:山东大学