甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及到气体检测分析领域，尤其涉及到一种甲烷气团界面识别和可调 量程激光遥测甲烷浓度的装置。
【背景技术】
[0002] 按照气体检测原理可以将甲烷气体检测方法分为如下几类：气敏检测法、气相色 谱检测法、光干涉检测法、差分检测法、可调谐半导体激光吸收光谱检测法等，现对其的不 足之处进行说明：气敏检测法存在的问题是检测性能与敏感元件的制作、工艺等密切相关， 并且检测结果还受到检测现场温度等环境因素的影响。检测响应速度较慢、元件容易中毒 且寿命短；气相色谱法需要待测物的纯品色谱定性数据，对组分未知的混合物难以做出定 性的分析，采用过程可能会发生附加反应，响应时间较长、无法进行实时测量、测量系统复 杂、无法实现在线测量，只能单点监测，不能反映被测环境的整体情况；光干涉检测法难以 实现遥测，线性范围窄，长期稳定性差，需后期加工；可调谐二极管激光器气体光谱吸收检 测法对激光器提出了很高的要求，需要光源可调谐范围较宽，频率稳定性高，对温度调谐和 电流调谐控制精度很高，光源驱动电路较复杂，同时，激光器的价格比较昂贵。
[0003] 现在多数使用的为美国汉斯生产的专门用于甲烷的气体检测仪和日本东京燃气 公司生产的32A型甲烷气体检测仪，前者经用户使用柱密度浓度值测量存在较大的误差， 误报率比较高，同时，手持设备与机箱通过刚性连接管连接，在使用过程中易折断；后者测 量距离比较短，工作环境温度必须在零摄氏度以上才能正常工作，这就限制了其使用，动态 响应较慢，电池使用不能超过1小时。
[0004] 最重要的是国内外关于甲烷气体激光检测仪器设备，大都采用TDLAS技术测量的 甲烷气团柱密度值，它的单位是ppm. m，这一结果不能实时显示甲烷气团当前浓度值，存在 很大的偏差，这是当前测量仪器存在的重大缺陷。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的就是为了克服上述问题，提供了一种甲烷气团界面识别和可调 量程激光遥测甲烷浓度的装置。
[0006] 本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，是由 STM32控制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、光电检测电路、锁相解调电路、三维 空间激光测量跟踪器和内置风速传感器构成，STM32控制器分别与激光器驱动电路、激光器 温度控制电路、锁相解调电路和三维空间激光测量跟踪器电路联接；光电检测电路与锁相 解调电路联接。
[0007] 作为本实用新型的进一步改进，激光器驱动电路包括正弦波发生电路I、正弦波 发生电路II、锯齿波发生电路、恒流源电路和激光器，其中正弦波发生电路I、正弦波发生 电路II和锯齿波发生电路的一端均与STM32控制器电路联接，正弦波发生电路I的另一端 电路连接有带通滤波器I，正弦波发生电路II的另一端电路连接有带通滤波器II ;带通滤 波器I、锯齿波发生电路和STM32控制器的数模输出接口 DA均与求和电路连接，求和电路、 恒流源电路和激光器依次电路联接。
[0008] 作为本实用新型的进一步改进，激光器温度控制电路中包括TEC驱动芯片、激光 器TEC、激光器温度检测电阻、恒流源发生电路和调理电路，其中TEC驱动芯片的一端与 STM32控制器电路联接、另一端与激光器TEC电路联接，激光器温度检测电阻置于激光器内 且分别与恒流源发生电路和调理电路联接，调理电路与STM32控制器电路联接。
[0009] 作为本实用新型的进一步改进，锁相解调电路是由依次电路联接的前置放大电 路、带通滤波电路和锁相环电路构成，其中前置放大电路与光电检测电路联接；锁相环电路 分别与带通滤波器I、带通滤波器II电路联接且通过电压调理电路与STM32控制器电路联 接。
[0010] 作为本实用新型的进一步改进，该可调量程激光遥测甲烷浓度装置设有显示器， 且该显示器与STM32控制器电路联接。
[0011] 本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，操作灵 活，可便携式巡检，也可装在车上进行车载式巡检；其测量速度快，可以达到ms级的响应时 间，测量灵敏度高，可以达到ppm量级，最大检测距离100米，30米长的范围一次检测完成， 大大提高了检测效率；对环境要求不高，在高粉尘、强腐蚀性的被测气体环境，对测量结果 无影响；而且遥距检测功能使得一些不能到达或者难以到达的地方检测得以实现。
【附图说明】
[0012] 附图1为本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置 的丰吴块图；
[0013] 附图2为本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置 的激光器驱动电路的模块图；
[0014] 附图3为本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置 的激光器温度控制电路的模块图；
[0015] 附图4为本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置 的锁相解调电路的模块图；
[0016] 附图5为本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置 的激光器TEC温度控制系统框图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图对本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度 的装置，作进一步说明：
[0018] 本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，如图1所 示，是由STM32控制器1、激光器驱动电路2、激光器温度控制电路3、光电检测电路4、锁相 解调电路5和三维空间激光测量跟踪器6构成，STM32控制器1分别与激光器驱动电路2、 激光器温度控制电路3、锁相解调电路5和三维空间激光测量跟踪器6电路联接；光电检测 电路4与锁相解调电路5电路联接。
[0019] 如图2所示，激光器驱动电路包括正弦波发生电路I 7、正弦波发生电路II 25、锯 齿波发生电路8、恒流源电路9和激光器10,其中STM32控制器1外设接口 SPI与正弦波发 生电路I 7、正弦波发生电路II 25和锯齿波发生电路8的串行外设接口相联接，STM32控制 器1的GPIO与正弦波发生电路I 7、正弦波发生电路II 25和锯齿波发生电路8芯片选通端 相联接，正弦波发生电路I 7的输出端与带通滤波器I 11的输入端相联接，正弦波发生电 路II 25的输出端与带通滤波器II 24的输入端相联接；STM32控制器1的数模输出接口 DA、 带通滤波器I 11和锯齿波发生电路8与求和电路12的输入端相联接，求和电路12的输出 端与恒流源电路9的输入端相联接，激光器10阳极与恒流源电路9的正极相联接，激光器 10阴极与恒流源电路9开关管的漏极相联接。
[0020] STM32控制器1通过SPI串行外设接口驱动正弦波发生电路I 7产生调制波信号、 正弦波发生电路II 25产生倍频解调信号，调制波信号的频率范围为IOKHz~50KHz，倍频解 调信号的频率范围20KHz~100ΚΗz，并且STM32控制器1还通过SPI串行外设接口驱动锯 齿波发生电路8产生低频锯齿波扫描信号，低频锯齿波扫描信号的频率为0. 2Hz~50Hz。 调制波信号和倍频解调信号分别通过带通滤波器I 11和带通滤波器II 24滤波后得到比较 光滑的正弦波，调制波信号和低频锯齿波扫描信号、STM32控制器1数模输出接口 DA产生 的偏置信号共同叠加，通过恒流源电路9驱动激光器10产生甲烷气体吸收谱最大吸收峰值 对应的波长。
[0021] 如图3所示，激光器温度控制电路3中包括TEC驱动芯片13、激光器TEC14、激光 器温度检测电阻15、恒流源发生电路16和调理电路17,激光器温度检测电阻15置于激光 器10内；STM32控制器1的脉冲宽度输出端与TEC驱动芯片13的PffM IN+和PffM IN-相 联接，TEC驱动芯片13输出端TEC+和TEC-分别与激光器10的TEC+和TEC-相联接；激光 器温度检测电阻15串联在恒流源发生电路16中，激光器温度检测电阻15差分输入端与一 个仪表放大电路的同相输入端和反相输入端相联接，该仪表放大电路的输出端与调理电路 17的输入端相联接，调理电路17的输出端与STM32控制器1的模数转换端口 AD相联接。
[0022] 恒流源发生电路16产生的恒流通过激光器温度检测电阻15,激光器温度检测电 阻15检测激光器10内部实际的温度，将激光器10实际温度转换成电压信号，该电压信号 经过调理电路17转换成STM32控制器1的模数转换端口 AD端口电压范围内，与STM32控 制器1内部给定电压基准作差，通过PID结合神经元自适应控制算法求出控制量，控制量与 载波进行比较后产生可调的PWM信号驱动TEC驱动芯片13，TEC驱动芯片13输出端控制激 光器TEC14的正极和负极，通过控制流过激光器TEC14电流的正向流动和反向流动，达到控 制激光器10提高温度和降低温度的目的，这样可以控制激光器10实际温度跟随给定温度 变化，稳态时实现稳态无静差，温度稳定精度达到〇. ore，实现了激光器10温度对波长的 调谐。
[0023] 该激光器温度控制电路3还可以作为光电检测电路4的温度控制电路。
[0024] 如图4所示，光电检测电路4的输出端与前置放大电路18的输入端相联接，前置 放大电路18输出端与带通滤波电路19的输入端联接，带通滤波电路19的输出端与锁相环 电路20的输入端联接，带通滤波器I 11和带通滤波器II 24分别与锁相环电路20的输入 端联接，锁相环电路20的输出端通过电压调理电路21与STM32控制器1的模数转换端口 AD相联接。
[0025] 激光器10发出的激光经过开放的含有甲烷气团吸收后，照射到另一端的目标，部 分经过漫反射之后微弱的光经光电检测电路4检测，由前置放大电路18放大，通过带通滤 波电路19锁住有用的信号，并滤除干扰信号，将含有调制波信号和倍频信号通过锁相环电 路20进行提取，电压调理电路21转换成STM32控制器1的模数转换端口 AD端口的端口电 压，采用低通滤波算法解算出甲烷气体的浓度。
[0026] 本实用新型的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置还设有显 示器22,且该显示器22与STM32控制器1电路联接。
[0027] 使用甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置测量甲烷浓度的方 法，识别甲烷气团在三维空间的界面分布，根据甲烷气体扩散规律，采用改进的高斯扩散模 型作为甲烷气体扩散模型，动态模拟甲烷