基于数字信号处理的红外气体分析仪的制作方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
[0002]本实用新型涉及一种基于数字信号处理的红外气体分析仪。
[0003]【背景技术】:
[0004]目前气体检测方法有多种，常用的有电化学法、化学传感器法等方法，这两种方法检测存在着稳定性差、易老化、气体的选择性差和灵敏度不高等问题。
[0005]在生产和生活中，各种有害气体对人们的危害越来越大，工业生产中产生的S02等容易形成酸雨对农作物产生危害，煤炭开采中产生的CH4，CO等易造成矿井瓦斯爆炸，造成重大的人身财产损失，因此有害气体的监测对于治理环境污染、保护生态环境、保障人民生命安全起着重要作用，本产品是采用红外吸收原理检测气体，当红外光穿过待测气体时，气体分子就会吸收自己特征频率的红外光能量，达到有效检测气体的目的，红外检测具有选择性好、稳定性好、防爆性好等优点。
[0006]【实用新型内容】:
[0007]本实用新型的目的是提供一种基于数字信号处理的红外气体分析仪。
[0008]上述的目的通过以下的技术方案实现:
[0009]一种基于数字信号处理的红外气体分析仪，其组成包括:壳体，所述的壳体内部包括红外光源，所述的红外光源穿过气室内的气体分子，所述的气体分子吸收自己特征频率的红外光能量传入到检测系统，所述的检测系统与放大电路连接，所述的放大电路与微控制器连接，所述的微控制器通过电路与输出显示装置连接，所述的红外光源与电源电路连接，所述的红外光源通过电路与激光恒温控制系统连接。
[0010]所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，所述的激光恒温控制系统包括温度探测器，所述的温度探测器分别通过电路与给定温度器、实时温度器连接，所述的给定温度器通过电路与数字信号处理系统连接，所述的数字信号处理系统通过电路与制冷器连接，所述的制冷器通过电路与所述的实时温度器连接。
[0011]所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，所述的气体分子在红外波段有一定的吸收带，所述的吸收带对所述的气体分子是确定的、标准的，通过对所述的吸收带及吸收光谱的分析，鉴定识别分子的类型。
[0012]有益效果:
[0013]1.本实用新型采用了红外吸收原理检测气体，当红外光穿过待测气体时，气体分子就会吸收自己特征频率的红外光能量，达到有效检测气体的目的，红外检测具有选择性好、稳定性好、防爆性好等优点。
[0014]本实用新型的检测系统首先通过传感器对待测信号进行检测，然后对信号进行放大、模数转换等预处理，然后由微控制器进行处理和计算，将结果在输出显示装置上显示出来，如果超过预先设定的浓度标准，可选择蜂鸣器发出声音报警，RS232接口可将计算得到的结果上传上位机，以便统一处理和调度等处理。
[0015]本实用新型的光源采用激光二极管LD的辐射波长一般位于红外与中红外波段，在此区域内，吸收是由检测气体分子的振动基频或转动基频或振动一转动组合频带产生的，是吸收较强的区域，另外LD能直接调制，并通过改变温度和注入电流使输出波长在一定范围内调谐，通过对光的调制，得以利用成熟的检测技术。
[0016]本实用新型的激光恒温控制系统是一个定值闭环负反馈系统，温度探测器是构成闭环的关键一环，温度信号经温度探测器转变为电信号，然后将其与预先给定的室温25 V作比较得到差值，再经信号处理后驱动制冷器工作，使实时温度稳定在室温附近。
[0017]本实用新型的红外光源体积很小，要求制冷元件结构简单、效率高且功率不大，为保证高精度的控制温度，制冷器须易于控制，启动快，采用半导体制冷器可以满足这一要求，其体积小、重量轻、无噪音、工作可靠等优点，适用于直流工作。
[0018]本实用新型采用的红外吸收原理应用于气体检测，克服了常规检测仪容易中毒和老化的弱点，具有探测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、选择性好等优点，通过气体检测系统的软、硬件设计，由微控制器对采集信号进行处理、数据分析、结果显示和报警等各项功能，实现检测系统的智能化。
[0019]【附图说明】:
[0020]附图1是本实用新型的结构示意图。
[0021]附图2是附图1的激光恒温控制系统框图。
[0022]附图3是附图1的激光恒温控制系统电路图。
[0023]附图4是本实用新型的电路原理图。
[0024]【具体实施方式】:
[0025]实施例1:
[0026]—种基于数字信号处理的红外气体分析仪，其组成包括:壳体1，所述的壳体内部包括红外光源2，所述的红外光源穿过气室3内的气体分子，所述的气体分子吸收自己特征频率的红外光能量传入到检测系统4，所述的检测系统与放大电路5连接，所述的放大电路与微控制器6连接，所述的微控制器通过电路与输出显示装置7连接，所述的红外光源与电源电路8连接，所述的红外光源通过电路与激光恒温控制系统9连接。
[0027]实施例2:
[0028]根据实施例1所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，所述的激光恒温控制系统包括温度探测器14，所述的温度探测器分别通过电路与给定温度器10、实时温度器13连接，所述的给定温度器通过电路与数字信号处理系统11连接，所述的数字信号处理系统通过电路与制冷器12连接，所述的制冷器通过电路与所述的实时温度器连接。
[0029]实施例3:
[0030]根据实施例1所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，所述的气体分子在红外波段有一定的吸收带，所述的吸收带对所述的气体分子是确定的、标准的，通过对所述的吸收带及吸收光谱的分析，鉴定识别分子的类型。
[0031]实施例4:
[0032]根据实施例1-3所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，所述的红外光源，在红外波段有一定的吸收带，吸收带的强弱及所在的波长范围由分子本身的结构决定，只有当物质的分子本身固有的特定的振动和转动频率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子才能吸收这一波段的红外辐射能量，每一种化合物的分子并不是对红外光谱内所有波长的辐射或任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是有选择地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射，这个所谓的波段就是分子的特征吸收带，特征吸收带对某一种分子是确定的、标准的，如同物质指纹，通过对特征吸收带及其吸收光谱的分析，可以鉴定识别分子的类型，当红外光穿过待测气体时，气体分子就会吸收自己特征频率的红外光能量，其吸收关系服从Lambert -beer定律。
[0033]根据Lambert -beer定律，输出光强，为与输入光强巧为和气体浓度之间的关系为:
[0034]I ( λ ) =1 ( λ ) exp [_ (I λ ) LC]
[0035]式中，a( λ)是一定波长下单位浓度、单位长度的介质吸收系数，L是吸收路径的长度，C是气体浓度，如果L与(Ιλ)为己知，那么通过检测Ι(λ)和Ι0(λ)就可以测得气体的浓度，这就是光谱吸收法测量气体浓度的基本原理。
[0036]检测系统通过传感器对待测信号进行检测，然后对信号进行放大、模数转换等预处理，由微控制器进行处理和计算，将结果在显示器上显示出来，如果超过预先设定的浓度标准，可选择蜂鸣器发出声音报警，RS232接口可将计算得到的结果上传上位机，以便统一处理和调度等处理。
[0037](I)小信号放大电路
[0038]传感器把非电物理量转换成微弱的模拟电信号，为了获得足够量程的电压信号，以适应后续电路的要求，必须使用高放大倍数的放大器，但同时各种干扰噪声也以同样的放大倍数放大，致使测量精度降低，因此要求放大电路具有良好的性能，使放大倍数较大，一般可达上千倍，偏置电流低，共模抑制能力强，增益可编程，差动输入，有利于抑制干扰信号，噪声低，功耗低。
[0039](2)微控制器
[0040]微控制器是数据处理的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能。
[0041](3)转换电路
[0042]F2812数字信号处理器上的ADC模块将外部的模拟信号转换成数字量，ADC模块可以将一个控制信号进行滤波或者实现运动系统的闭环控制.
[0043](4)看门狗定时器
[0044]F2812的看门狗定时器能为微控制器提供独立的保护系统，当系统出现故障时，看门狗将产生一个复位信号，使CPU复位，程序从系统软件开始执行。通过这种方式，有效地提高了系统的可靠性。
【主权项】
1.一种基于数字信号处理的红外气体分析仪，其组成包括:壳体，其特征是:所述的壳体内部包括红外光源，所述的红外光源穿过气室内的气体分子，所述的气体分子吸收自己特征频率的红外光能量传入到检测系统，所述的检测系统与放大电路连接，所述的放大电路与微控制器连接，所述的微控制器通过电路与输出显示装置连接，所述的红外光源与电源电路连接，所述的红外光源通过电路与激光恒温控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，其特征是:所述的激光恒温控制系统包括温度探测器，所述的温度探测器分别通过电路与给定温度器、实时温度器连接，所述的给定温度器通过电路与数字信号处理系统连接，所述的数字信号处理系统通过电路与制冷器连接，所述的制冷器通过电路与所述的实时温度器连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于数字信号处理的红外气体分析仪，其特征是:所述的气体分子在红外波段有一定的吸收带，所述的吸收带对所述的气体分子是确定的、标准的，通过对所述的吸收带及吸收光谱的分析，鉴定识别分子的类型。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于数字信号处理的红外气体分析仪。目前气体检测方法有多种，有电化学法、化学传感器法，两种方法检测存在着稳定性差、易老化、气体的选择性差和灵敏度不高等问题。本实用新型组成包括：壳体（1），所述的壳体内部包括红外光源（2），所述的红外光源穿过气室（3）内的气体分子，所述的气体分子吸收自己特征频率的红外光能量传入到检测系统（4），所述的检测系统与放大电路（5）连接，所述的放大电路与微控制器（6）连接，所述的微控制器通过电路与输出显示装置（7）连接，所述的红外光源与电源电路（8）连接，所述的红外光源通过电路与激光恒温控制系统（9）连接。本实用新型用于基于数字信号处理的红外气体分析仪。
【IPC分类】G01N21-3504
【公开号】CN204536198
【申请号】CN201520265183
【发明人】杨慧晶, 韩丹丹
【申请人】哈尔滨理工大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月29日