一种WMS信号稳定专用电路的制作方法

本实用新型涉及气体检测领域，具体涉及一种WMS信号稳定专用电路。

背景技术：

微量气体的检测在工业生产及大气的监管中起着重要的作用。对微量气体的做出快速检测，能够预防灾难的反生，降低财产损失。气体检测的一种方法就是通过WMS，称为波长调制光谱。波长调制光谱会同时给激光器注入电流加一个高频载波信号(一般为正余弦信号)和一个低频扫描信号(一般为锯齿波信号或者三角波信号)，然后通过锁相放大器有选择地检测特定频率的谐波分量，通过谐波分量的幅值与待测气体浓度的正比关系来推算待测气体浓度。

但是波长调制光谱检测灵敏度受外界因素的受制，如光纤弯曲、温度变化等。所以降低外界因素的影响是一个重要问题。目前多是采用光纤固化等手段，但是大大减少了传输距离，不能从根本上解决问题。市场上有用于减少前端的波动的电路，但将其用于气体检测领域，会出现反应速度慢，无增益效果等现象。

技术实现要素：

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种可以补偿由光纤弯曲、温度变化等外界因素带来的非吸收损耗，减小了系统的测量误差，提高了气体测量的精度的WMS信号稳定专用电路。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种WMS信号稳定专用电路，包括：

光电转换电路，其接收测量气体的激光器发出的光，将光信号进行光电转化为电信号；

程控放大电路I，其输入端连接于光电转换电路的输出端，其输出端连接于锁相放大电路的输入端；

高通滤波电路，其输入端连接于光电转换电路的输出端，其输出端连接于程控放大电路II的输入端；

比较器，其输入端分别连接于程控放大电路II的输出端以及参考信号，其输出端连接于检波电路的输入端；以及

可调信号源，其输出端分别连接于程控放大电路I及程控放大电路II的一路增益控制端，程控放大电路I及程控放大电路II的另一路增益控制端均连接于检波电路的输出端。

上述程控放大电路I由AD603芯片构成，所述AD603芯片的VINP管脚连接于光电转换电路的输出端，其COMM管脚接地，其VNEG管脚连接于供电电源的负极，其VPOS 管脚连接于供电电源的正极，其VOUT管脚及FDBK管脚均连接于锁相放大电路的输入端，其GPOS管脚连接于可调信号源的输出端，其GNEG管脚连接于检波电路的输出端。

上述程控放大电路II由AD603芯片构成，所述AD603芯片的VINP管脚连接于高通滤波电路的输出端，其COMM管脚接地，其VNEG管脚连接于供电电源的负极，其VPOS 管脚连接于供电电源的正极，其VOUT管脚及FDBK管脚均连接于比较器的输入端，其 GPOS管脚连接于可调信号源的输出端，其GNEG管脚连接于检波电路的输出端。

上述比较器包括AD8561芯片，其Vcc+管脚连接5V电源正极，其Vcc-管脚连接5V 电源负极，其GND管脚及EN管脚均接地，其IN+连接于程控放大电路II的输出端，其IN- 管脚经电阻I连接于滑动变阻器的滑片端，滑动变阻器的一端连接于5V电源正极，其另一端经电阻II后接地，比较器的Qout管脚连接于检波电路的输入端。

上述检波电路包括高速开关二极管，所述高速开关二极管一端连接于比较器的输出端，其另一端一路连接于程控放大电路I及程控放大电路II的增益控制端，另一路经相互并联的电阻III及电容后接地。

上述高速开关二极管为1N4148型高速开关二极管。

本实用新型的有益效果是：从光电转换电路输出的叠加信号一路经过程控放大电路 I，另一路经过高通滤波电路后，输入到由可调信号源、检波电路、程控放大电路II以及比较器构成的负反馈回路。通过负反馈回路的负反馈作用，控制程控放大电路增益倍数。当环境因素(除气体吸收以外)改变时，如弯曲前端光纤，会发现不加本实用新型的WMS信号稳定专用电路时的信号会发生严重衰减，当加入本实用新型的MS信号稳定专用电路后，如图所示，增益电路0时，弯曲前端光纤的波形无明显变化。当前端信号减小时，光电转换后的WMS谱信号中的高频调制部分相应的减小，所以进入程控电路B的信号减小。由于负反馈回路的负反馈作用，会使增益倍数增大，进而补偿由于环境因素带来的传输光光功率的波动。

附图说明

图1为本实用新型的电路连接示意图；

图2为本实用新型的AD603芯片的连接结构示意图；

图3为本实用新型的比较器的电路结构示意图；

图4为本实用新型的检波电路的结构示意图；

图中，1.光电转换电路 2.程控放大电路I 3.高通滤波电路 4.可调信号源 5.检波电路 6.程控放大电路II 7.比较器 8.参考信号 9.锁相放大电路 10.电阻I 11.滑动变阻器 12.电阻II 13. 高速开关二极管 14.电阻III 15.电容。

具体实施方式

下面结合附图1至附图4对本实用新型做进一步说明。

一种WMS信号稳定专用电路，包括：光电转换电路1，其接收测量气体的激光器发出的光，将光信号进行光电转化为电信号；程控放大电路I 2，其输入端连接于光电转换电路1的输出端，其输出端连接于锁相放大电路9的输入端；高通滤波电路3，其输入端连接于光电转换电路1的输出端，其输出端连接于程控放大电路II 6的输入端；比较器7，其输入端分别连接于程控放大电路II 6的输出端以及参考信号8，其输出端连接于检波电路5的输入端；以及可调信号源4，其输出端分别连接于程控放大电路I 2及程控放大电路II 6 的一路增益控制端，程控放大电路I 2及程控放大电路II 6的另一路增益控制端均连接于检波电路5的输出端。从光电转换电路1输出的叠加信号一路经过程控放大电路I 2，另一路经过高通滤波电路3后，输入到由可调信号源4、检波电路5、程控放大电路II 6以及比较器7构成的负反馈回路。由低频三角波和高频正弦波叠加后的信号，经高通滤波电路3滤除低频成分，高频的正弦波输入程控放大电路II 6，程控放大电路II 6的输出端接比较器7 的一个输入端，比较器7的另一个输入端输入参考信号8，比较器7的输出端接检波电路 5，检波电路5的输出端对接程控放大电路I 2以及程控放大电路II 6进行增益控制，由程控放大电路I 2以及程控放大电路II 6另一路增益控制由可调信号源4提供。通过负反馈回路的负反馈作用，控制程控放大电路增益倍数。当环境因素(除气体吸收以外)改变时，如弯曲前端光纤，会发现不加本实用新型的WMS信号稳定专用电路时的信号会发生严重衰减，当加入本实用新型的MS信号稳定专用电路后，增益电路0时，弯曲前端光纤的波形无明显变化。当前端信号减小时，光电转换后的WMS谱信号中的高频调制部分相应的减小，所以进入程控电路B的信号减小。由于负反馈回路的负反馈作用，会使增益倍数增大，进而补偿由于环境因素带来的传输光光功率的波动。

本实用新型具有以下的优点：本实用新型方便安装，结构简单。通过环路的反馈调节可以快速地信号做出增益控制，消除了环境变化以及光源的不稳定的影响，在温差较大的环境也可以运行，精确度与灵敏度高，响应时间短，能及时监控气体的浓度，操作简便。

下面通过对本实用新型的WMS信号稳定专用电路对气室固定气体浓度检测的详细过程进行说明，具体步骤如下：

1)将气体检测系统连接好，调试光路与电路使其正常工作，待测气体冲入气室。利用微处理器发出一路高频的正弦波、一路低频锯齿波，并将发出的两路波输入到电流驱动电路，使用温控电路对DFB激光器进行恒温控制。这时，DFB激光器会出射一道特定波长的光，光经过气室后会发生一定程度的衰减。调节输入激光器的温度，可以改变吸收峰的位置。

2)将激光器出射的光通过光光电转换电路1，将光信号转成电信号，配合后续的程控放大电路I及程控放大电路II 6，可以得到与原波形相似的信号。

3)将光电转换电路1输出的信号接入锁相放大电路9中，通过乘法器和积分电路提取出衰减信号的二次谐波，利用后续的滤波、放大电路，可得到二次谐波。将提取的二次谐波信号输入到微处理器的采集接口，可得到谐波峰值的电压。在程序里将采集、计算及存储过程重复500次，取平均值，带入拟合的公式可得到实际气体的浓度。

4)将示波器的黄色基准探针接驱动DFB激光器的信号，将蓝色探测探针置于锁相放大器的输入端。弯曲前端光纤，会发现蓝色信号发生严重衰减。

5)待测气体检测完毕，关闭电源。

程控放大电路I 2可以由AD603芯片构成，AD603芯片的VINP管脚连接于光电转换电路1的输出端，其COMM管脚接地，其VNEG管脚连接于供电电源的负极，其 VPOS管脚连接于供电电源的正极，其VOUT管脚及FDBK管脚均连接于锁相放大电路9 的输入端，其GPOS管脚连接于可调信号源4的输出端，其GNEG管脚连接于检波电路5 的输出端。AD603的GPOS脚和GNEG脚为电压增益控制端，VINP脚为信号输入端，光电转换电路1输出的电信号通过VINP脚输入至AD603芯片，FDBK脚与VOUT脚相连，实现带宽为90MHZ或9MHZ可选择，增益范围为-11dB到+31dB或+9dB到51dB可选择，从而将增益放大后的信号传输至锁相放大电路9。

程控放大电路II 6由AD603芯片构成，AD603芯片的VINP管脚连接于高通滤波电路3的输出端，其COMM管脚接地，其VNEG管脚连接于供电电源的负极，其VPOS管脚连接于供电电源的正极，其VOUT管脚及FDBK管脚均连接于比较器7的输入端，其 GPOS管脚连接于可调信号源4的输出端，其GNEG管脚连接于检波电路5的输出端。 AD603的GPOS脚和GNEG脚为电压增益控制端，VINP脚为信号输入端，高通滤波电路3 输出的电信号通过VINP脚输入至AD603芯片，FDBK脚与VOUT脚相连，实现带宽为 90MHZ或9MHZ可选择，增益范围为-11dB到+31dB或+9dB到51dB可选择，从而将增益放大后的信号传输至比较器7。

比较器7可以为如下结构，其包括AD8561芯片，其Vcc+管脚连接5V电源正极，其Vcc-管脚连接5V电源负极，其GND管脚及EN管脚均接地，其IN+连接于程控放大电路II 6的输出端，其IN-管脚经电阻I 10连接于滑动变阻器11的滑片端，滑动变阻器11 的一端连接于5V电源正极，其另一端经电阻II 12后接地，比较器7的Qout管脚连接于检波电路5的输入端AD8561是一款单路7ns比较器，具有单独的输入和输出部分。单独的电源使输入级采用±5V双电源电源供电，AD8561具有7ns快速传播延迟性能。上升信号与下降信号的传播延迟在整个温度范围内紧密匹配，由于输出的占空比将会与输入的占空比匹配，因此，这种匹配延迟特性使AD8561较适用于时钟恢复。AD8561的引脚排列与LT1016 相同，具有较低的电源电流和较宽的共模输入范围，包含了负供电轨。AD8561的额定温度范围为-40℃至+85℃工业温度范围，提供8引脚塑料DIP、8引脚TSSOP或窄体SO-8 表面贴装封装。通过调整滑动变阻器11的阻值，实现输入AD8561芯片的参考信号8的电压值的改变，最终实现比较器7调节输出信号的幅度。

检波电路5可以为如下结构，其包括高速开关二极管13，高速开关二极管13一端连接于比较器7的输出端，其另一端一路连接于程控放大电路I 2及程控放大电路II 6的增益控制端，另一路经相互并联的电阻III14及电容15后接地。从比较器7输出的信号经高速开关二极管13后由交流信号变为直流信号，即得到程控放大电路I 2和程控放大电路II 6的控制电压。电容15和电阻III 14并联起到降压作用。优选的，高速开关二极管13为 1N4148型高速开关二极管。1N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离，通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路。