定形机尾气湿度检测装置及方法与流程

本发明涉及气体检测及防止定形机参数检测领域，更具体地涉及一种基于tdlas(激光可调谐二极管吸收光谱)技术的纺织定形机尾气湿度检测装置及方法。

背景技术：

纺织定形机尾气湿度是控制定形机转速的一种重要参数，对纺织工业能源节省具有重大的意义。目前纺织定形机湿度检测主要采用二氧化锆传感器与氧原子进行反应检测出待测气体中氧原子的浓度，进而计算出水蒸气的浓度。

但是通过氧原子检测由于工期中存在氧气，因此通过二氧化锆检测水蒸气浓度存在较大的误差，同时二氧化锆传感器是根据化学反应进而测出水气浓度，所以在工作过程中会对二氧化锆产生损耗，因此在工业实际中一般每三年需要更换一次检测传感探头，增大了实时在线检测的成本，并且检测精度较低。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中检测精度较低和检测传感探头需要定期更换的问题，提供一种基于tdlas技术的定形机尾气湿度检测装置及方法。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

本发明提供了一种定形机尾气湿度检测装置，所述装置包括激光驱动组件、激光器、激光分束器、待测气体气室、第一光电传感器、第二光电传感器、第一前置放大电路、第一带通滤波电路、第二前置放大电路、第二带通滤波电路和上位机；

所述激光驱动组件用于驱动所述激光器，所述激光器发出的激光经所述激光分束器后分为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光经标准空气后进入所述第一光电传感器，所述第二束激光经所述待测气体气室后进入所述第二光电传感器，所述第一光电传感器的输出端经所述第一前置放大电路和第一带通滤波电路与所述上位机相连接，所述第二光电传感器的输出端经所述第二前置放大电路和第二带通滤波电路与所述上位机相连接。

可选地，所述激光驱动组件包括锯齿波发生器、二次谐波信号发生器、信号叠加电路和激光驱动器，所述锯齿波发生器和所述二次谐波信号发生器的发出信号经所述信号叠加电路后进入所述激光驱动器，所述激光驱动器驱动所述激光器。

可选地，锯齿波发生器的输入端和二次谐波信号发生器的输入端分别与所述上位机相连接。

可选地，所述激光器为dfb激光器。

可选地，所述激光器中设置有温度检测补偿模块和温度传感器。

可选地，所述第一束激光经标准空气后经第一傅里叶透镜进入所述第一光电传感器，所述第二束激光经所述待测气体气室后经第二傅里叶透镜进入所述第二光电传感器。

可选地，所述激光器和所述激光分束器之间、所述激光分束器和所述待测气体气室之间、所述激光分束器和所述第一傅里叶透镜之间分别设置有激光准直器。

可选地，所述第一傅里叶透镜、所述第一光电传感器以及所述第一傅里叶透镜所述激光分束器之间的激光准直器的中心对准同一水平线，第一束激光垂直穿设标准空气，所述第二傅里叶透镜、所述第二光电传感器以及所述待测气体气室和所述激光分束器之间的激光准直器的中心对准同一水平线，所述第二束激光垂直穿设所述待测气体气室。

本发明实施例还提供一种定型机尾气湿度检测方法，采用所述的定型机尾气湿度检测装置，所述方法包括如下步骤：

激光驱动组件驱动激光器发射激光；

所述激光经所述激光分束器后分为第一束激光和第二束激光；

第一束激光穿过标准空气后进入第一光电传感器，所述第一光电传感器将接收到的光信号转换为电信号；

第二束激光穿过待测气体气室后进入第二光电传感器，所述第二光电传感器将接收到的光信号转换为电信号；

第一光电传感器的输出电信号经过所述第一前置放大电路和所述第一带通滤波电路后进入所述上位机；

所述第二光电传感器的输出电信号经过所述第二前置放大电路和所述第二带通滤波电路后进入所述上位机；

所述上位机对接收到的第二光电传感器的电信号进行反演计算，得到待测气体的水汽浓度，对接收到的第一光电传感器的电信号进行反演计算，得到标准空气的水汽浓度，将待测气体的水汽浓度减去标准空气的水汽浓度，作为尾气湿度检测结果。

因此，本发明与传统的二氧化锆化学法相比，在检测过程中不会发生化学反应，对传感器没有消耗，一般的二氧化锆传感器探头使用三年就需要更换，与微波法相比其可以实现在线检测，具有更好的实时性和快速性。本发明还可以拓展到束器气湿度的高精度测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种定形机尾气湿度检测装置的结构示意图。；

图2为水蒸气在7185cm-1附近的吸收线和伏赫特拟合图；

图3为本发明实施例提供的一种定形机尾气湿度检测方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。

可调节半导体激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，tdlas)是一种基于比尔·朗博定律的气体检测技术，利用半导体激光器的波长调谐及窄线宽特性，对待测气体的单个吸收线进行扫描，从而实现对待测气体的定量分析。利用可调谐半导体激光吸收光谱进行气体浓度测试，具有非入侵性，选择性好，测量精度高，灵敏度高的优点并且响应速度很快，可以进行实时监测和数据采集。

直接吸收法(directabsorptionspectroscopy，das)：属于可调谐半导体激光吸收光谱技术的一种主要测量方法，使用的是低频三角波或者锯齿波电流信号加上高频二倍频调制信号实现波长在吸收线附近的扫描，经待测气体吸收后探测器输出的电压值将降低，对电压信号对应的气体浓度进行拟合可以得到待测气体浓度的反演公式，直接吸收法适用于吸收强烈的吸收环境。

直接数字频率合成技术(dds)是一种利用高速dac将一组以数字量形式存在的信号转化为输出信号为模拟量的合成技术。当前应用最为广泛的一类dds技术即是以高速存储器作为查询表，然后采用高速dac输出已经以数字量形式被保存的正弦波。正弦输出dds是信号合成应用最广的一种。

根据定形机尾气湿度检测装置系统性能测试的需求，本实施例采用上述直接吸收法作为工业纺织定形机尾气湿度浓度测量系统的测量方法。本实施例中锯齿波驱动信号2f正弦波高频调制信号的叠加采用直接数字频率合成技术(dds)。

本发明以工业纺织定形机尾气的湿度测量为应用背景，公开了一种基于tdlas的定形机尾气湿度检测的装置及方法，该系统主要包括上位机，dfb激光器、激光驱动电路，二次谐波信号发生电路，前置放大电路，带通滤波电路，信号处理电路，光电二极管，激光准直器，激光分束器，傅里叶透镜。通过dfb激光器自身的温度反馈电路和叠加了锯齿波和高频二次谐波的激光器驱动电路控制激光器发出的激光波长能够覆盖定形机尾气中水蒸气的吸收峰，经过激光准直器之后通过1:1激光分束器，再经过激光准直器，一束通入待测气体经过气体吸收之后，首先经过傅里叶透镜将光线汇聚之后再经过光电传感器进行光电转换，产生微弱电流信号后经过前置放大电路进行信号放大，再经过带通滤波器滤波之后将信号传输给上位机，另一路激光经过空气吸收之后同样进过光电转换之后传输到上位机，上位机通过待测定形机尾气的吸光度根据朗博·比尔定律反演出待测定形机尾气中水蒸汽的浓度，即可得出定形机尾气的湿度。

图1所示出一种定形机尾气湿度检测装置的结构示意图。该装置包括锯齿波信号发生器2、高频二次谐波调制信号信号发生器3、信号叠加电路4、激光驱动器5、dfb(distributedfeedbacklaser，分布式反馈)激光器6、温度补偿模块7、激光准直器7、10、15、激光分束器8、待测气体气室10、傅里叶透镜11、17、光电传感器12、18、前置放大电路13、19、带通滤波电路14、20和上位机1。所述待测气体为工业纺织定形机尾气中的水蒸气。其中，dfb激光器6，激光准直器7，激光分束器8中心需对准于同一水平线上，立方体激光分束器将dfb激光器光源发出的光分成1:1的两束，激光准直器9、傅里叶透镜11、光电传感器12的中心需对准于同一水平线并保证激光分束器8其中一束光路垂直通过待测气体气室，同样，激光准直器15、傅里叶透镜17、光电传感器18的中心需对准于同一水平线并保证激光分束器8的另一束光路能垂直透过背景气体。信号叠加电路4与所述的上位机1连接，通过上位机1产生的信号控制d/a转换芯片产生锯齿波和高频正弦波信号并将锯齿波信号与高频二次谐波信号叠加。激光驱动器5与信号叠加电路4相连用于向dfb激光器6中输入锯齿波扫描电流。在光电传感器12、18前加装傅里叶透镜11、17用于将经过气体吸收之后的光束聚焦到所述的光电传感器12、18上，光电传感器12、18采用雪崩光电二极管用来将光信号转化成电信号，并且和前置放大电路13、19和带通滤波电路14、20相连，用来保证电信号的品质。所述的待测气体为定形机尾气经过抽取泵，抽取到密闭气室中，以保证所述的激光器的正常工作环境。待测气体在经过吸收前，需要经过过滤，过滤掉影响定形机尾气水气浓度的烟气小颗粒，纺织定形机的尾气温度大约在200摄氏度左右。

dfb激光器采用tt公司的nel近红外波长dfb半导体激光器nle1e5eaaa1360-1460nm激光器。该dfb激光器内部集成了激光二极管(ld)、光功率监测二极管(pd)、测温元件(热敏电阻)和热电偶(tec)。当所测的待测气体为纺织定形机尾气中的水蒸气时，其最强吸收线位于7185.597cm^-1。所述的dfb激光器用于发射1365nm的激光，且该激光器自带温度补偿模块。

本实施例中选取东龙科技有限公司ldc-0050半导体激光器电流驱动控制板采用适当的电源，为半导体激光器提供稳定的、低噪声的电流，其电流输出范围为0～500ma调制带宽为0～100khz。

锯齿波信号发生器2和高频二次谐波信号发生器3与信号叠加电路4相连，用于将低频锯齿波扫描信号输入至激光驱动器5中。

温度控制模块7为激光器本身封装的温度模块，与激光器相连进行恒定温度控制，所述的恒定温度为预先设置的。

dfb激光器6用于发射能够覆盖工业纺织定形机尾气中水蒸气气体吸收线的1365nm的近红外光。

dfb激光器6的出光口设置有激光准直器7，激光准直器7采用增加了宽带增透膜的平凸透镜。

光电传感器12与前置放大电路13连接，用于测量待测气体吸收池出光口的出射，测量光束的激光强度，并将激光强度转换为电压信号，经前置放大后传输至带通滤波电路，提高波形质量，所述出射测量光束为入射测量光束经气体吸收池吸收后得到的光束。

在实际测量过程中，为保证待测气体的稳定性，可预先在气体吸收池中通入高纯氮气。并且，为了保证待测气体的吸收效果，气体吸收池的入光口和出光口的两侧窗片采用氟化钡材料。

上位机1用于将带通滤波后的电压信号进行反演计算，得到待测气体的浓度及变化曲线。参考光束直接通过大气环境作为背景气体达到其吸光度，用于扣除待测气体中空气中的水蒸气浓度。

本发明实施例所提供的基于tdlas的工业纺织定形机为气湿度测量系统，与二氧化锆化学法测量相比，可以不受化学反应的环境影响同时也不会受到化学反应，对反应物消耗的影响，需要每三年更换二氧化锆传感器探头，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他高温环境下水蒸气气体浓度检测。

如图3所示，本发明实施例还提供一种基于tdlas的工业纺织定形机尾气湿度测量方法，该方法包括如下步骤：

s1，信号叠加电路将叠加了高频二次调制谐波的低频锯齿波扫描信号输入至激光驱动器中；

s2，激光驱动器向dfb激光器输入低频锯齿波扫描电流；

s3，温度控制模块对dfb激光器进行恒定温度控制，其中，所述恒定温度为预先设置的；

s4，dfb激光器发射覆盖待测气体吸收线的1365nm波长近红外光；

s5，近红外光束经过激光分束器分为两束；

s6a，一束经过待测气体气室吸收，传输到光电传感器1，并将光信号转换为电信号；

s6b，另一束经过大气吸收，传输到光电传感器2，并将光信号转换为电信号；

s7，对电信号进行放大和滤波处理。

s8，上位机对得到的电信号进行反演计算，并扣除背景大气中的水气浓度，从而得到纺织定形机尾气中的水蒸气浓度及变化曲线。

本发明实施例所提供的基于的工业纺织定形机尾气湿度测量方法，与传统二氧化锆化学测量法相比，不受背景气体的影响，并且，不需要由于化学反应对反应物消耗的原因，定期更换传感器探头，同时具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他高温湿度水气浓度检测的应用背景。

以上对本发明所提供的一种基于tdlas的工业纺织定形机尾气湿度测量系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他险的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

因此，本发明实施例所提供的基于tdlas的工业纺织定形机为气湿度测量系统，与二氧化锆化学法测量相比，可以不受化学反应的环境影响同时也不会受到化学反应，对反应物消耗的影响，需要每三年更换二氧化锆传感器探头，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，可以实现更高精度的测量。本发明的应用范围还可以扩展到其他高温环境下水蒸气气体浓度检测。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。