激光气体分析仪光源温控系统、方法及激光气体分析仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光气体技术领域，特别是一种激光气体分析仪光源温控系统、方法及激光气体分析仪。
【背景技术】
[0002]激光气体分析仪是一种在线监测管道内指定气体浓度的分析仪器。激光气体分析仪工作时需要严格控制激光光源周围温度，随着人类生存环境的恶化，环境污染对人类的健康和安全的影响日益成为人们密切关注的问题，而工业生产作为造成环境污染的主要因素之一，对其环境的检测也已成为当今技术研究的重点，尤其是对其生产过程中产生的气体浓度的检测。如今，随着半导体激光吸收光谱技术的发展，得知被测气体只能够对特定波长的激光进行吸收，又根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律得知，半导体激光穿过被测气体的光强衰减与被测气体的浓度成一定的函数关系，因此，在实际应用中可通过测量待测气体对激光的衰减来测量气体的浓度。
[0003]目前，通常都是采用激光气体分析仪来实现对待测气体浓度的检测，其中，该激光气体分析仪包括发射单元、测量气室、接收单元和分析仪单元，通过发射单元发出特定波长的激光束，穿过测量气室(其内部是待测气体)之后，由所述接收单元接收穿过待测气体的信号，并将其转换成光强信号，并通过所述分析单元对光强信号以及发射单元发出的激光信号进行分析，从而确定待测气体的浓度。
[0004]其中，所述发射单元包括激光光源和光源驱动器，该激光光源的发光波长是由温度及流过光源的电流共同控制。由光源驱动器提供其工作所需电流，由温控系统控制光源周围的温度。所以，对于上述特定波长的激光束可通过温度或电流两种调节方式来获得，而由于对可调谐激光二极管的电流信号进行调节的方式能够获取较快的频率调谐速度，所以，在实际应用中，通常都是采用电流调节方式实现对可调谐激光二极管的电流信号的调制，进而得到具有特定波长的激光束。这就要求仪器在工作中光源周围的温度必须得到快速有效的控制。
[0005]目前的温控系统通常先由模拟数字转换器对热敏电阻两端的电压值采样，中央处理器根据采样值计算出当前温度值，再根据当前温度值与目标温度值的差值计算出加热到目标温度值所需要的电流，控制加热电流输出到加热器，从而调整达到目标温度。
[0006]在现有温控系统中，由于模拟数字转换器对温度的采样值是这个系统计算的基础，在工作过程中，温度在不停地改变，每个周期都需要将当前温度采样，中央处理器将采样值与目标温度值做比较，而后根据比较值的大小输出相应占空比的方波进而控制调整加热电流输出到加热器。此处整个计算过程由中央处理器完成，需要指令复杂，具体耗时由中央处理器的机器周期决定，导致目前温度控制通常只能精确到摄氏0.1度。另外，温度在不停地改变，由当前温度值计算所需加热电流值的过程复杂，耗费时间较长，因此响应时间很长，通常需要五分钟甚至更多时间才能调整达到目标温度，无法满足现有激光气体分析仪的控制要求。
[0007]综上所述，目前亟需一种温控精度更高，温控响应时间更短的激光气体分析仪光源温控系统。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种温控精度更高，温控响应时间更短的激光气体分析仪光源温控系统、方法及激光气体分析仪。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用如下技方案:
[0010]一种激光气体分析仪光源温控系统，包括温度检测器、第一控制电路、模拟数字转换器、差分放大器、温度控制电路和加热器;所述温度检测器，其设置在激光气体分析仪的光源处，用于检测所述光源周围的当前温度并输出对应的第一电压信号;所述第一控制电路，与所述模拟数字转换器连接，用于根据预先设定的目标温度控制所述模拟数字转换器输出与所述目标温度对应的第二电压信号;所述差分放大器，与所述温度检测器和所述模拟数字转换器分别连接，用于接收所述温度检测器输出的所述第一电压信号和所述模拟数字转换器输出的所述第二电压信号，并对所述第一电压信号和第二电压信号进行差分放大输出差值放大电压信号;所述温度控制电路，与所述差分放大器连接，用于接收所述差值放大电压信号，根据所述差值放大电压信号输出相应的电流;所述加热器，与所述温度控制电路连接，用于在所述温度控制电路的控制下，根据所述电流调整所述光源周围的温度达到所述目标温度。
[0011]在一个实施例中，所述温度控制电路包括:温度控制芯片，与所述差分放大器的输出端连接，用于接收所述差值放大电压信号，根据所述差值放大电压信号的正负及大小输出对应占空比的方波;整流电桥电路，与所述温度控制芯片连接，用于根据所述方波调整所述电流的方向及大小并输出；所述加热器，与所述整流电桥电路连接，用于根据所述整流电桥电路输出的电流的方向及大小使所述光源周围的温度达到所述目标温度。
[0012]所述温度检测器包括热敏电阻和高精度电阻;所述高精度电阻的一端连接2.5V基准电压源，所述高精度电阻的另一端与所述热敏电阻的输出端和所述差分放大器的输入端同时连接。
[0013]在一个实施例中，所述加热器为半导体致冷器。
[0014]在一个实施例中，所述整流电桥电路为由MOS管组成的整流电桥电路。
[0015]在一个实施例中，该系统还包括输入设备，与所述第一控制电路连接，用于输入所述预先设定的目标温度。
[0016]进一步的，所述输入设备为触摸屏显示器。
[0017]本发明实施例还提供一种激光气体分析仪，包括发射单元、测量气室、接收单元和分析仪单元，所述发射单元包括依次连接的光源驱动器和激光光源，还包括上述任一实施例所述的激光气体分析仪光源温控系统，所述激光气体分析仪光源温控系统中的所述温度检测器设置在所述激光气体分析仪的激光光源处。
[0018]本发明实施例还提供一种利用上述任一实施例所述的激光气体分析仪光源温控系统的激光气体分析仪光源温控方法，包括以下步骤:
[0019]S1、所述温度检测器检测所述光源周围的当前温度并输出对应的第一电压信号；
[0020]S2、所述第一控制电路根据预先设定的目标温度控制所述模拟数字转换器输出与所述目标温度对应的第二电压信号；
[0021]S3、所述差分放大器接收所述温度检测器输出的所述第一电压信号和所述模拟数字转换器输出的所述第二电压信号，并对所述第一电压信号和第二电压信号进行差分放大输出差值放大电压信号；
[0022]S4、所述温度控制电路接收所述差值放大电压信号，根据所述差值放大电压信号输出相应的电流；
[0023]S5、所述加热器在所述温度控制电路的控制下，根据所述电流调整所述光源周围的温度达到所述目标温度。
[0024]所述步骤S4具体为:通过温度控制芯片接收所述差值放大电压信号，根据所述差值放大电压信号的正负及大小输出对应占空比的方波;整流电桥电路接收所述方波并根据该方波调整所述电流的方向及大小并输出；所述加热器根据所述整流电桥电路输出的电流的方向及大小使所述光源周围的温度达到所述目标温度。
[0025]本发明的有益效果是:首先将目标温度对应的电压值通过数字模拟转换器输出，差分放大器将其与温度检测器采样的光源周围的当前电压值进行差分放大输出差分放大后的差值放大电压信号，然后由温度控制电路直接根据所述差值放大电压信号输出相应的电流以流过所述加热器从而控制加热温度，不需要中央处理器复杂指令计算，耗时短，响应时间短，可快速调整温度，温控精度更高，温控响应时间。本发明可实现光源所需温度的快速精准控制，使精度达到摄氏0.01度，响应时间减少至一分钟以内。
【附图说明】
[0026]图1是本发明激光气体分析仪光源温控系统示意图；
[0027]图2是本发明实施例所示的温度控制电路原理图；
[0028]图3是本发明实施例所示的温度检测器和差分放大器电路原理图；
[0029]图4是本发明实施例所示的数字模拟转换器电路原理图；
[0030]图5是本发明实施例所示的直流2.5V的基准电压源电路原理图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
[0032]如图1所示的激光气体分析仪光源温控系统，包括温度检测器101、第一控制电路102、模拟数字转换器103、差分放大器104、温度控制电路105和加热器106;所述温度检测器101，其设置在激光气体分析仪的光源处，用于检测所述光源周围的当前温度并输出对应的第一电压信号;所述第一控制电路1