本发明属于激光气体传感器领域，涉及一种手持激光气体浓度监测仪及其控制方法。
背景技术：
在现代生产、生活中，随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求也越来越高，因此对于空气中的有害气体的实时检测显得尤为重要。尤其是像煤炭和化工等领域，对空气中有毒、有害气体的监测预报是亟待解决的问题。而激光气体传感器在此领域内的应用及研究正蓬勃发展。
激光调制吸收光谱技术传感器已经出现，其优点包括测量精度高、响应速度快等，已逐渐在各个监测领域应用。
该传感器利用气体近红外吸收光谱技术为基础，筛选了气体吸收光谱，采用了分布式反馈激光器作为光源，PIN光电二极管为接收。光电二极管接收从气室输出的激光信号后，将其转化为电信号进行信号处理，通过透过气室前后激光光强的变化，推算出气体的浓度，最终输出气体浓度数据。而现有技术中，激光器在工作的过程中，温度会发生改变，造成输出激光波长的漂移，且通常选取常温参与气体浓度的计算，给计算结果带来了误差。
技术实现要素：
鉴于此，本发明提供了一种手持激光气体浓度监测仪及其控制方法，目的在于稳定输出激光波长，当前环境温度参与气体浓度运算，实现对气体浓度的精确测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供的一种手持激光气体浓度监测仪，包括手持式主机、气室以及气室连接杆；所述手持式主机和气室通过所述气室连接杆连接；所述手持式主机包括激光光源，与所述气室相连的信号采集模块，与所述信号采集模块相连的信号处理模块，位于所述激光光源和信号处理模块之间的激光光源电流控制模块，分别与所述信号处理模块相连的第一温度传感器、第二温度传感器和温度补偿模块，以及显示模块；所述第一温度传感器和温度补偿模块位于激光光源内，第二温度传感器固定于手持式主机上。
进一步地，所述手持式主机还包括比例-积分-微分控制器，用于控制所述温度补偿模块对激光光源进行精确的温度补偿。
进一步地，所述激光光源电流控制模块包括三角波电流发生器和正弦波电流发生器，所述三角波电流发生器产生的三角波电流和正弦波电流发生器产生的正弦波电流经加法器输入到所述激光光源，所述三角波电流用于扫描吸收谱线，所述正弦波电流用于进行高频调制。
进一步地，所述信号采集模块包括与所述气室连接的光电探测器，用于将激光信号转换为电信号；
与所述光电探测器连接的前置放大器，用于放大微弱的电信号；
与所述前置放大器连接的滤波电容，用于隔离直流信号及滤除低频噪声；
与所述滤波电容连接的带通滤波器，用于滤除带外噪声；
位于所述带通滤波器和信号处理模块之间的模数转换器；
位于所述前置放大器和模数转换器之间的锁相放大器，用于提供二次谐波信号；以及
一端与所述带通滤波器和模数转换器连接的滤波电感，用于进一步滤除低频噪声。
进一步地，所述手持式主机还包括充电电池，用于给所述手持式主机内各模块供电。
进一步地，所述气室为光光耦合气室，包括气室外管、设置在气室外管两端的光纤准直器和安装在光纤准直器上的光法兰；所述气室外管壁上开有通气孔。
另一方面，本发明实施例提供的一种手持激光气体浓度监测仪的控制方法，包括如下步骤：
信号处理模块通过第一温度传感器测量激光光源的温度，将所测温度和预设温度相比较后，通过温度补偿模块给激光光源升温或降温，并通过第二温度传感器测量当前环境温度；
信号处理模块通过激光光源电流控制模块驱动激光光源进行激光调制波长扫描；
信号采集模块接收从气室输出的激光信号，对其进行信号采集；
信号处理模块接收信号采集模块采集的信号，进行气体浓度计算；
信号处理模块通过显示模块将气体浓度计算结果显示出来。
进一步地，所述信号采集模块接收从气室输出的激光信号，对其进行信号采集包括：
光电探测器接收从气室输出的激光信号，将其转换为电信号；
前置放大器对微弱的电信号进行放大；
滤波电容隔离放大电信号中的直流信号以及滤除低频噪声；
带通滤波器滤除放大电信号中的带外噪声；
滤波电感进一步滤除放大电信号中的低频噪声；
锁相放大器产生二次谐波信号；
模数转换器对滤除噪声后的电信号及二次谐波信号进行模数转换。
进一步地，所述进行气体浓度计算之前，还包括：
信号处理模块自动寻找吸收峰的频率，并计算该频率下激光的透射率。
进一步地，还包括：
超过预设时间手持激光气体浓度监测仪无操作时，信号处理模块将充电电池断电。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：
本发明提供的一种手持激光气体浓度监测仪及其控制方法，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体浓度，测量精度高、响应速度快，同时通过温度补偿模块对激光光源进行温度补偿，稳定了输出激光波长，当前环境温度参与气体浓度运算，实现了对气体浓度的精确测量。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1为本发明实施例一提供的手持激光气体浓度监测仪的结构框图；
图2为本发明实施例一提供的手持激光气体浓度监测仪的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的手持激光气体浓度监测仪的结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的手持激光气体浓度监测仪的控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1给出了本发明实施例一提供的手持激光气体浓度监测仪的结构框图；图2给出了本发明实施例一提供的手持激光气体浓度监测仪的结构示意图，本实施例可用于对井下环境的气体浓度进行监测，适用于对水汽、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氨气等多种气体的检测。如图1、图2所示，该手持激光气体浓度监测仪包括手持式主机10、气室12以及气室连接杆11；手持式主机10和气室12通过气室连接杆11连接；手持式主机10包括激光光源20，与气室12相连的信号采集模块21，与信号采集模块21相连的信号处理模块22，位于激光光源20和信号处理模块22之间的激光光源电流控制模块23，分别与信号处理模块22相连的第一温度传感器24、第二温度传感器25和温度补偿模块27，以及显示模块27；第一温度传感器24和温度补偿模块27位于激光光源20内，第二温度传感器25固定于手持式主机上。
其中，气室12用于待测气体对激光进行光谱吸收，该气室12挂在较长的气室连接杆11的前端，保障了仪器和人员的安全；信号采集模块21用于接收从气室输出的激光信号，对其进行信号采集；信号处理模块22用于控制激光光源电流控制模块23改变激光光源20的控制电流，处理第一温度传感器24、第二温度传感器25的温度信号和信号采集模块21输出的气体浓度信号，并通过内部算法，算出气体浓度，最后将气体浓度数据输出到显示模块27；温度补偿模块27用于给激光光源20升温或降温；第一温度传感器24用于测量激光光源20的温度，第二温度传感器25用于测量当前环境温度。
其中，激光光源20可采用半导体激光器、光纤激光器等。示例性的，本实施例针对甲烷吸收光谱，采用1653nm附近波长的分布反馈蝶形激光器作为激光光源20。手持式主机10外有面板，面板上内嵌显示模块27和开关按键，其中显示模块27可使用段码液晶屏，该液晶屏通过排线与信号处理模块22连接，采用M3管脚驱动或MSP430驱动；本实施例可采用液晶屏背面放置信号处理模块22及接口，通过信号处理模块22将数据通过接口发送至段码液晶屏，由段码液晶屏进行显示，其中接口可使用带卡子的接口安装；该段码液晶屏显示的内容包括：气体浓度、环境温度及异常状态，信号处理模块22预设气体浓度异常数值，若发生异常，则点亮“异常”部分，其余不显示。手持式主机10内还有充电电池，该充电电池给持激光气体浓度监测仪的各模块供电。
另外，手持式主机10上有三个接头：一个为光源输出接头，光源输出接头可接安置光法兰，光法兰输出两只尾纤接头分别为输出光接头和接收光接头，可使用FC/APC光纤接头连接气室连接杆11，光纤位于气室连接杆11内，另一头通过安装法兰与气室12相连；主机上第二个接头为充电接头，第三个接头为开关接头。
示例性的，本实施例的信号处理模块22可采用ARM微处理器；第一温度传感器24、第二温度传感器25可采用PT100热敏电阻；温度补偿模块27可采用TEC(Thermoelectric Cooler，热电制冷器)芯片，本实施例采用型号为max1978的TEC芯片，用以控制偏差信号。
本发明实施例一提供的手持激光气体浓度监测仪，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体浓度，测量精度高、响应速度快，同时通过温度补偿模块对激光光源进行温度补偿，稳定了输出激光波长，当前环境温度参与气体浓度运算，实现了对气体浓度的精确测量。
实施例二
图3给出了本发明实施例二提供的手持激光气体浓度监测仪的结构示意图，如图3所示，与本发明实施例一有所不同的是：
手持式主机还包括比例-积分-微分控制器30，用于控制温度补偿模块27对激光光源20进行精确的温度补偿。
具体地，比例-积分-微分控制器30根据给定值V+和输出值V-形成控制偏差△，把偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
另外，本实施例中，激光光源电流控制模块包括三角波电流发生器31和正弦波电流发生器32，三角波电流发生器31产生的三角波电流和正弦波电流发生器32产生的正弦波电流经加法器33输入到激光光源，其中，三角波电流用于驱动激光光源，使激光频率扫描经过吸收谱线，正弦波电流用于进行高频调制。此时，激光光源工作电流的改变会同时改变激光强度和激光频率，可根据吸收峰对应频率处的输入激光光强和透射激光光强以及温度测出气体浓度。
本实施例中，信号采集模块包括与气室12连接的光电探测器34，用于将激光信号转换为电信号；
与光电探测器34连接的前置放大器35，用于放大微弱的电信号；
与前置放大器35连接的滤波电容36，用于隔离直流信号及滤除低频噪声；
与滤波电容36连接的带通滤波器37，用于滤除带外噪声；
位于带通滤波器37和信号处理模块22之间的模数转换器38；
位于所述前置放大器35和模数转换器38之间的锁相放大器40，用于提供二次谐波信号；以及
一端与带通滤波器37和模数转换器38连接的滤波电感39，用于进一步滤除低频噪声。
本实施例中，经前置放大器35输出的信号分成两路，一路通过锁相放大器40产生二次谐波信号，二次谐波信号经模数转换后被信号处理模块22接收，信号处理模块22提取二次谐波信号中携带的气体浓度信息，计算出气体浓度，其中，锁相放大器40的参考信号由正弦波电流发生器32提供，且通过二次谐波信号计算出的气体浓度为实际气体浓度的2倍；另一路信号依次经过滤波电容36、带通滤波器37和滤波电感39，滤除了低频噪声，然后经模数转换后被信号处理模块22接收，信号处理模块22提取信号中携带的气体浓度信息，直接计算出气体浓度。
示例性的，气室12采用光光耦合气室，该光光耦合气室包括气室外管、设置在气室外管两端的光纤准直器和安装在光纤准直器上的光法兰；气室外管壁上开有通气孔。光电探测器34选用PIN光电二极管，波长响应范围1200～1700nm。
本实施例结合多种滤波器，最终检测高频吸收信号，显著地减少了激光器、光电探测器的自身噪声影响，提高了探测的灵敏度。
本实施例的其他结构均与本发明实施例一中的相同，此处不再赘述。
本发明实施例二提供的手持激光气体浓度监测仪，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体浓度，测量精度高、响应速度快，同时通过温度补偿模块对激光光源进行温度补偿，稳定了输出激光波长，当前环境温度参与气体浓度运算，实现了对气体浓度的精确测量，最后通过滤波电容、带通滤波器和滤波电感的配合使用，只检测高频吸收信号，显著地减少了激光器、光电探测器的自身噪声影响，提高了探测的灵敏度。
实施例三
图4给出了本发明实施例三提供的手持激光气体浓度监测仪的控制方法的流程图，如图4所示，该方法包括如下步骤：
101、信号处理模块通过第一温度传感器测量激光光源的温度，将所测温度和预设温度相比较后，通过温度补偿模块给激光光源升温或降温，并通过第二温度传感器测量当前环境温度。
温度的变化会引起激光光源输出波长的变化，影响测量精度。该步骤中，第一温度传感器置于激光光源内的发光半导体上，信号处理模块通过第一温度传感器实现对激光光源温度的实时测量，同时将所测温度和预设温度相比较，通过温度补偿模块给激光光源升温或降温，使激光光源准确工作在预设波长上；第二温度传感器固定于手持式主机上，信号处理模块通过第二温度传感器实现对当前环境温度的实时测量。
信号处理模块通过电桥电路从第二温度传感器上连续采集环境温度，并参与大气浓度的运算。
102、信号处理模块通过激光光源电流控制模块驱动激光光源进行激光调制波长扫描。
该步骤中，信号处理模块可以通过RS232接口向激光光源电流控制模块输出DA控制信号，使其驱动激光光源输出相应波长的激光。
103、信号采集模块接收从气室输出的激光信号，对其进行信号采集。
信号采集模块接收从气室输出的激光信号，将其转换成电信号后，对其进行放大滤波处理，最后转换成数字信号完成信号采集。
104、信号处理模块接收信号采集模块采集的信号，进行气体浓度计算。
其中，信号处理模块接收信号采集模块采集的信号后，根据处理的温度数据，计算出气体浓度。
105、信号处理模块通过显示模块将气体浓度计算结果显示出来。
该步骤中，信号处理模块可以通过RS-232接口连接显示模块显示计算结果。
本实施例中，信号采集模块接收从气室输出的激光信号，对其进行信号采集包括步骤1041～1047：
1041、光电探测器接收从气室输出的激光信号，将其转换为电信号；
1042、前置放大器对微弱的电信号进行放大；
1043、滤波电容隔离放大电信号中的直流信号以及滤除低频噪声；
1044、带通滤波器滤除放大电信号中的带外噪声；
1045、滤波电感进一步滤除放大电信号中的低频噪声；
1046、锁相放大器产生二次谐波信号；
1047、模数转换器对滤除噪声后的电信号及二次谐波信号进行模数转换。
另外，进行气体浓度计算之前，还包括：
信号处理模块自动寻找吸收峰的频率，并计算该频率下激光的透射率。
当待测气体浓度较低时，信号处理模块直接处理经过带通滤波器的信号，直接计算出气体浓度。当待测气体浓度较高时，本实施例采用直接法和谐波法相结合计算气体浓度；具体地，信号处理模块实时接收锁相放大器产生的二次谐波信号，计算出拟合信号，绘制出拟合信号的曲线，同时实时接收经过带通滤波器的信号，计算直接测量信号，绘制出直接测量信号的曲线，通过比较两条曲线得到一条新的曲线，该曲线最大值所对应的输出频率即为吸收光谱的中心频率，根据激光透过气室前后光强的变化，计算出该频率下激光的透射率。该步骤排除了功率随偏置电流变化的影响。
最后，信号处理模块还实现了对充电电池的断电保护功能。超过预设时间，若手持激光气体浓度监测仪无任何操作，信号处理模块将充电电池断电，使监测仪处于休眠状态。
本发明实施例三为方法实施例，本发明方法实施例和产品实施例属于同一构思，在方法实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述产品实施例。
本发明实施例三提供的手持激光气体浓度监测仪的控制方法，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术测量气体浓度，测量精度高、响应速度快，同时通过温度补偿模块对激光光源进行温度补偿，稳定了输出激光波长，当前环境温度参与气体浓度运算，实现了对气体浓度的精确测量，最后通过滤波电容、带通滤波器和滤波电感的配合使用，只检测高频吸收信号，显著地减少了激光器、光电探测器的自身噪声影响，提高了探测的灵敏度。
上述仅对本发明中的具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。