基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置及方法与流程

本发明涉及甲烷检测技术领域，具体涉及一种基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置及方法。

背景技术：

可调谐二极管激光吸收光谱技术，即基于DFB(分布式反馈)激光器的光谱检测技术，由于其具有高信噪比和响应速度快等特点而广泛应用于气体检测行业。在检测过程中激光器通过电流调制的方式同时调制激光器输出激光的光强和波长。但是，激光器电流调制过程中存在着很多噪声，如：光电二极管暗电流、光路污染、温度变化、锁相放大算法噪声和激光器基底噪声等。这些噪声若处理不当将严重影响检测灵敏度，如：激光甲烷传感器的零点会因为光强和温度等外在条件发生偏移，影响零点，低浓度甲烷信号在外在环境变化下会淹没在基底噪声中，或基底噪声小于传感器原有记录的零点值，从而影响检测精度。

为了克服上述的问题，传统解决方法是在生产调试时进行零点标校，而这种方法只是基于外在环境较好（噪声低）的条件下，若在恶劣电气环境下会出现零点漂移情况，即基底噪声发生改变，而且，传统解决方法是通过常温和高低温的零点标校，需要在不同温度点下记录零点值，而这个工序需要占据一定人力，财力，且生产周期增长。

由于激光甲烷传感器在测量中会根据记录的零点进行浓度拟合，所以当环境改变导致噪声发生改变时，激光甲烷传感器并不能进行实时响应，也不能只能分析到干扰的存在，因此，急需一种能够在不影响测量的条件下实时记录基底噪声的激光甲烷传感器自动调零装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中当环境改变导致噪声发生改变时，激光甲烷传感器并不能进行实时响应，也不能只能分析到干扰存在的问题。本发明的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置及方法，通过FPGA将吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号同步放大后，相减后，得到甲烷信号值，无需进行零点调校，提高甲烷检测精度，适用于各种环境，使用方便，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置，包括FPGA、热敏电阻、PID温度控制电路、低频扫描电流发生器、甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路，

所述热敏电阻设置在低频扫描电流发生器上，并与FPGA相连接，所述FPGA的温度控制信号输出端与PID温度控制电路相连接，控制低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流上甲烷吸收点恒温；

所述低频扫描电流发生器的输出端分别与甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的信号输入端相连接，所述甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的输出端分别与FPGA的输入端相连接，

所述FPGA内设置有减法器和两组锁相环放大单元，所述甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的输出端分别与一组锁相环放大单元的输入端相连接，两组锁相环放大单元的输出端通过减法器输出甲烷信号值。

前述的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置，所述低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流信号为三角波，所述三角波的中心位置为甲烷吸收点，所述三角波的两端位置为甲烷不吸收点。

前述的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置，所述控制低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流上甲烷吸收点恒温，保证吸收点幅度变化小于0.1mA。

前述的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置，所述低频扫描电流信号采用正弦波为高频调制信号。

基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测方法，包括以下步骤，

步骤（A），低频扫描电流发生器输出检测甲烷后的低频扫描电流信号，所述低频扫描电流信号为三角波，且采用正弦波为高频调制信号；

步骤（B），通过热敏电阻采集低频扫描电流上甲烷吸收点处的温度，发送给FPGA，并通过FPGA控制PID温度控制电路，保证低频扫描电流上甲烷吸收点恒温，吸收点幅度变化小于0.1mA；

步骤（C），通过甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路分别采集低频扫描电流信号上的吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号，分别发送给FPGA内的锁相环放大单元；

步骤（D），通过锁相环放大单元对吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号进行同步及放大处理后，发送给FPGA内的减法器；

步骤（F），通过减法器，将吸收点的谐波信号值减去不吸收点基底谐波噪声信号值，得到甲烷信号值。

本发明的有益效果是：本发明的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置及方法，通过FPGA将吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号同步放大后，相减后，得到甲烷信号值，无需进行零点调校，提高甲烷检测精度，控制甲烷吸收点处恒温即可，适用于各种环境，使用方便，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置的系统框图。

图2是本发明的低频扫描电流信号的波形图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1 所示，基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置，包括FPGA、热敏电阻、PID温度控制电路、低频扫描电流发生器、甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路，

所述热敏电阻设置在低频扫描电流发生器上，并与FPGA相连接，所述FPGA的温度控制信号输出端与PID温度控制电路相连接，控制低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流上甲烷吸收点恒温；

所述低频扫描电流发生器的输出端分别与甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的信号输入端相连接，所述甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的输出端分别与FPGA的输入端相连接，

所述FPGA内设置有减法器和两组锁相环放大单元，所述甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路的输出端分别与一组锁相环放大单元的输入端相连接，两组锁相环放大单元的输出端通过减法器输出甲烷信号值。

如图2所示，所述低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流信号为三角波，所述三角波的中心位置为甲烷吸收点，所述三角波的两端位置为甲烷不吸收点，低频扫描电流信号采用正弦波为高频调制信号

所述控制低频扫描电流发生器输出的低频扫描电流上甲烷吸收点恒温，保证吸收点幅度变化小于0.1mA，保证甲烷吸收点处采集的谐波信号的可靠性，提高检测精确度。

基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测方法，包括以下步骤，

步骤（A），低频扫描电流发生器输出检测甲烷后的低频扫描电流信号，所述低频扫描电流信号为三角波，且采用正弦波为高频调制信号；

步骤（B），通过热敏电阻采集低频扫描电流上甲烷吸收点处的温度，发送给FPGA，并通过FPGA控制PID温度控制电路，保证低频扫描电流上甲烷吸收点恒温，吸收点幅度变化小于0.1mA；

步骤（C），通过甲烷吸收点谐波信号采集电路、甲烷不吸收点基底谐波噪声采集电路分别采集低频扫描电流信号上的吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号，分别发送给FPGA内的锁相环放大单元；

步骤（D），通过锁相环放大单元对吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号进行同步及放大处理后，发送给FPGA内的减法器；

步骤（F），通过减法器，将吸收点的谐波信号值减去不吸收点基底谐波噪声信号值，得到甲烷信号值。

综上所述，本发明的基于FPGA的激光甲烷单光路谐波检测装置及方法，通过FPGA将吸收点的谐波信号、不吸收点基底谐波噪声信号同步放大后，相减后，得到甲烷信号值，无需进行零点调校，提高甲烷检测精度，控制甲烷吸收点处恒温即可，适用于各种环境，使用方便，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。