调谐二极管吸收光谱的多通道高速数据采集和处理系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及调谐二极管吸收光谱技术领域，具体涉及一种用于调谐二极管吸收光谱的多通道高速数据采集和处理系统。
【背景技术】
[0002]传统的气体检测方法主要以化学技术和吸气取样实验分析为基础。近年来涌现出许多单点测量的分析仪，如以半导体金属氧化物为敏感材料的传感器和电化学传感器。这些传感器在一定程度上满足了气体检测的需要，但也有各自的缺陷。首先它们测量的范围较小，只能测量接触点附近的气体浓度。其次这些方法在检测过程当中容易受到温度、湿度、天气等因素的影响，检测点每隔一段时间就要换探头。
[0003]相比而言，利用吸收光谱技术测量环境中的气体含量具有其它同类技术不可比拟的优势。采用可调谐二极管激光光谱传感技术检测气体的主要优点有:检测范围大，采用开放光程模式，检测距离可以从几米到几千米；检测精度高，气体浓度检出限低于lppm(lppm为百万分之一);选择性高，选择合适的激光光谱波段，能够有效地避免其它气体的干扰；是一种完全非接触式的在线自动监测技术，相对于其它技术更安全可靠；响应速度快，响应时间为0.05秒，对气体浓度的变化能够实现实时检测；不易受气候环境的影响，不需要人工实时看护。
[0004]但是，就目前的国内外研宄而言，还没有人利用可调谐二极管吸收光谱技术同时进行多通道的高速数据采集和实时信号处理系统的研宄。这项研宄将会给环境监测带来很大的方便，可以同时对空气中多种污染气体进行实时检测。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的只能同时对一种气体进行检测的限制和现有检测设备采样速率低、采样精度差等问题，本实用新型提供一种能够同时进行多通道高速采集和实时信号处理的系统。
[0006]为解决上述问题，本发明提供了一种调谐二极管吸收光谱的多通道高速数据采集和处理系统，该系统利用2路激光器同时发射单色光，实现对两种不同气体的浓度进行同时检测，其特征在于，述系统包括:第一激光器(I)，第二激光器(2)，第一分光器(3)，第二分光器(4)，被测气体(5)，反光器(6)，第一探测器(7)，第二探测器(8)，第三探测器(9)，第四探测器(10)，激光器驱动模块(11)，电源管理模块(12)，信号处理模块(13)，显示模块
(14)，A/D采样及数据处理模块(15)，上位机(16);
[0007]激光器驱动模块(11)同时产生2路激光器所需的驱动信号分别送至第一激光器
(I)和第二激光器(2);第一激光器(I)和第二激光器(2)发出两种不同波长的单色光，分别送至第一分光器(3)和第二分光器(4)，每个分光器都输出两路信号:一路通过被测气体(5)后，投射到反光器(6)，反射后再次反向通过被测气体(5)，并由第一探测器(7)和第二探测器⑶进行检测；一路直接送到第三探测器(9)和第四探测器(10);第一?四探测器(7)?(10)将输入的激光信号进行光电转换后送至信号处理模块(13);信号处理模块(13)对第一?四探测器(7)?(10)输出的信号进行处理，消除在信号传输过程中产生的干扰信号，同时得到所需要的谐波信号，并输出至A/D采样及数据处理模块(15) ;A/D采样及数据处理模块(15)将信号处理模块(13)输出的模拟信号转换成数字信号并进行浓度计算，一路传送到上位机(16)进行分析运算，一路送显示模块(14)对气体浓度进行实时显示；电源管理模块(12)按照各模块对电压信号的需求，为不同模块提供各正常运行所需要的电压。
[0008]可选的，所述第一激光器(I)和第二激光器(2)均采用能产生线宽远小于被测气体(5)单吸收谱线宽度的DFB激光器。
[0009]可选的，所述A/D采样及数据处理模块(15)的主控芯片采用的是TI的32位高性能浮点DSP芯片TMS320F28335，能够同时对4路探测器信号进行同时采样，并完成气体浓度计算。
[0010]可选的，所述A/D采样及数据处理模块(15)的采样精度为12位，最高采样频率为12.5MHz ；
[0011]所述A/D采样模块(15)具有两种采样方式:内置AD采样和外置AD采样。
[0012]可选的，所述A/D采样及数据处理模块(15)具有较宽的采样范围:内置AD支持采样范围为O?3V，外置AD采样范围为-1OV?10V。
[0013]可选的，所述第三探测器(9)第四和探测器(10)用于探测激光器发出的单色光的原始光强信号，第一探测器(7)和探第二测器(8)用于探测激光器发出的单色光经过被测气体(5)后的光强信号；这4路探测器得到的光强信号经信号与数据处理后得到被测气体
(5)的浓度。
[0014]可选的，所述4个探测器(7)?(10)均采用工作波段与所述激光器发射波段相对应的PIN光电二极管。
[0015]可选的，所述激光器驱动模块(11)选用AT89C52芯片；该芯片能够产生5Hz的锯齿波和5KHz的正弦波信号；所述锯齿波信号用于驱动第一、二激光器(I)、(2)，所述正弦波信号用于对第一、二激光器(1)、(2)进行波长调制；所述正弦波和锯齿波叠加后输出至第一、二激光器⑴、⑵。
[0016]可选的，所述信号处理模块(13)由前置放大电路、低通滤波电路、带通滤波电路和锁相放大电路组成；首先对输入信号进行低通滤波和前置放大，消除信号在传输过程中产生的干扰信号，随后进行带通滤波得到一次谐波和二次谐波信号，并对二次谐波信号进行锁相放大得到直流分量；最后输出一次谐波和二次谐波的直流分量，并送至A/D采样及数据处理模块(15)。
[0017]可选的，所述电源管理模块(12)采用4个XZR0OT12电源模块，为系统提供所需的±12V、±5V 和 3.3V 电压。
[0018]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0019]本实用新型提供了一种用于调谐二极管吸收光谱的多通道高速采集和信号实时处理系统，解决了现有检测设备只能同时对一种气体进行检测的问题；同时利用TI的高速、高精度浮点DSP解决了现有检测设备采样速率低、采样精度差等问题。
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型所述系统组成框图，图中:1为第一激光器，2为第二激光器，3为第一分光器，4为第二分光器，5为被测气体，6为反光器，7为第一探测器，8为第二探测器，9为第三探测器，10为第四探测器，11为激光器驱动模块，12为电源管理模块，13为信号处理模块，14为显示模块，15为A/D采样及数据处理模块，16为上位机模块。
【具体实施方式】
[0021]本实用新型进行气体浓度测量的基本原理是，根据Lambert-Beer定律，强度为Id(v)、频率为V的单色光，通过吸收气体后光强变为:
[0022]I(V)^10(V)(1-O(V)CL)
[0023]即经过吸收气体后的光强与气体浓度和吸收光程成线性关系。在上面公式中σ O)为频率为V处气体的吸收系数，C为气体浓度，L为吸收路径的长度。
[0024]本实用新型所述系统包括:由第一、二激光器，第一、二分光器，被测气体，反光器，第一?四探测器组成的光学系统，激光器驱动模块，电源管理模块，信号处理模块，显示模块，A/D采样及数据处理模块，上位机。光学系统通过第一、二激光器发出两种不同波长的单色光，两束单色光同时照射被检测气体后被反光镜反射给2路探测器；探测器接收到的信号传输给信号处理模块，信号处理模块对接收到的信号进行低通滤波和前置放大，随后进行带通滤波得到一次谐波和二次谐波信号，再对二次谐波信号进行锁相放大得到直流分量。一次谐波和二次谐波的直流分量就是所需要的信号；A/D采样及数据处理模块对信号处理模块输出的一次谐波和二次谐波的直流分量进行采样，并计算出检测气体的浓度，然后一路送至上位机进行分析运算，一路送显示模块对气体浓度进行实时显示；电源管理模块提供给整个系统正常工作所需要的电压。
[0025]所述系统对光源有严格要求，必须为严格的单色光，即光源线宽非常窄。而传统的红外光源线宽一般有数百GHz，由于线宽很大，得到的吸收谱通常同时包含被测气体的吸收谱线和其它一些背景气体的吸收谱线，这样会造成干扰。为此第一、二激光器采用了 DFB激光器，该激光器线宽远小于被测气体单吸收谱线宽度，从根本上避免了气体交叉干扰的问题。
[0026]述系统的检测灵敏度主要取决于气体吸收峰的选择。根据Lambert-Beer定律，气体对光的吸收与气体的吸光度成正比，而不同频率的气体的吸光度不同。因此，为了获得较高的检测灵敏度，就要选择气体吸收峰高的频段，并且还要避开其它气体在此频段的干扰。
[0027]所述系统中，由DFB激光器发出的携带有气体浓度信息的光，必须经过光电探测器转化为电信号才能获取气体的浓度。而且光电探测器的工作波段必须与激光器发射波段相对应才能获得较好的检测效果。本实用新型选择的光电探测器为PIN光电二极管。
[0028]所述系统中，采用波长调制技术对激光器的波长(频率)进行调制。由于激光器的输出波长对温度的变化非常敏感，所以本实用新型采用固定激光器的工作温度改变电流的调制方法。
[0029]所述系统中，A/D采样及数据处理模块采用的是TI的高精度、高速率的浮点DSP芯片TMS320F28335。用于实时地处理采样信号、计算气体的浓度等。
[0030]下面结合附图及实施例详细说明如下:
[0031]本实用新型实施例