一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统及方法与流程

1.本发明涉及气体检测报警技术领域，具体为一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统及方法。


背景技术：

2.目前，国内许多工业生产过程中都会产生有毒有害气体，如电焊、电镀、冶炼、化工、石油等行业。不同的有毒有害气体的危害是不同的，甚至同一种气体在不同的环境或者针对不同现象时，其主要危害性也不相同。按照常见的有毒有害气体的危害性大概可以分为以下几个方面：腐蚀性、刺激性、可燃性、爆炸性等特性。
3.为此，在石油、化工、煤矿、冶炼等行业，防止有毒有害气体的跑、冒、滴、漏是杜绝意外事故的预防重点，当前激光气体检测装置为了实现激光光束不随环境温度变化而变化，需要搭配高功率的精密控温装置，由于控温装置电流较大，不利于设备通过本质安全检测；同时，多数激光气体检测装置采用封闭气室或提供参考气室，即必须工作在非开放电路，增加了设备成本。
4.因此，研究应用于开放电路，同时不受环境温度及激光器自身温度影响的气体检测系统及算法，对保证工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失具有非常重要的意义。


技术实现要素：

5.为解决上述的问题，本发明提供了一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统及方法。
6.本发明方案如下：
7.一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统，所述系统包括：
8.微型控制器：根据预设待测气体的半宽高，产生对应频率、幅值适中的调制锯齿波；接收电信号、数据信息和温度值；对接收的电信号进行处理后得到待测气体浓度，当气体浓度超过阈值时，控制声光报警器进行报警；
9.激光驱动模块：加载调制锯齿波，产生恒定电流和调制电压；
10.激光器：产生覆盖多个吸收峰的出射光；
11.热电冷却器：对激光器通过主动散热的方式进行控温，维持出射波长的稳定；
12.气室：用于提供具有检测气体的空间光路；
13.光电二极管探测器：用于接收带有气体吸收信息的透射光，将接收的光信息传递给光电转换模块；
14.光电转换模块：用于接收光信号，并将光信号转换成电信号；
15.数据采集模块：用于采集电信号，并将电信号传输给微型控制器；
16.温度检测模块：用于采集环境温度值，并将温度值传输给微型控制器；
17.声光报警器：用于接收微型控制器的信号，进行声光报警。
18.所述激光驱动模块接收到微型控制器的调制锯齿波后，驱动电路产生恒定电流加
载到激光器使其发光，对激光器内部的压电陶瓷施加调制电压改变激光器内部腔长，从而改变出射波长。
19.所述激光器通过对功率调制阴极引脚加载恒定电流产生出射光；通过对波长调制阴极引脚加载调制电压，使激光器产生预设波长的激光。
20.所述温度采集模块通过对电桥电路中热敏电阻阻值进行计算，根据阻值温度对应表，拟合温度与阻值的公式，得到环境温度，并将环境温度值传输给微型控制器。
21.一种免疫激光器温度变化的气体检测报警方法，所述方法包括以下步骤：
22.(1)将带有气体吸收信息的电信号进行解析处理，得到光谱数据，载入一个扫描周期的光谱数据，得到周期长度，对周期长度进行切片处理得到一个固定切片长度的处理单元；
23.(2)对处理单元进行滤波，去除噪声；
24.(3)将经过滤波的处理单元作为透射光谱，根据预设透射光谱的两翼为未参与吸收的透射信号，采用高阶多项式拟合得到入射光谱强度；
25.(4)根据入射光谱强度，利用朗伯比尔定律，进行强度归一化得到吸收光谱；
26.(5)以归一化数据的起始位置作为洛伦兹线型的中心位置，并根据气体在此波长的吸收峰半高全宽的宽度得到对应点数作为步长，确定洛伦兹中心位置；
27.(6)通过洛伦兹线型拟合吸收光谱，得到洛伦兹线型拟合半高宽；
28.(7)将洛伦兹线型拟合半高宽与标准气体的半高宽进行比对，如果相近则判定为是吸收峰，并累计标识标志位，如果不相近则不是吸收峰，并递进一个步长后重复步骤(6)-(7)，至出现吸收峰；
29.(8)通过吸收峰标志位判定真实气体吸收峰；
30.(9)获取得到的吸收峰的峰值，进行温度补偿，通过标定好的反演公式，计算得到气体浓度，判断气体浓度是否超过阈值，如果超过，控制声光报警器进行报警。
31.优选的，所述切片处理包括设定第一次切片的起始位置为i0,切片长度为lq,判断切片结束位置是否大于周期长度lz，如果不大于，对该切片处理单元进行步骤(2)-(8)的操作，如果大于周期长度，则说明整个周期的数据处理完毕，重新载入下一个周期。
32.优选的，所述高阶多项式拟合由激光器的调谐特性决定，根据波长响应和功率响应曲线确定阶数。
33.优选的，所述洛伦兹中心位置判断，根据洛伦兹中心位置是否大于切片长度，如果大于切片长度，则更新切片起始位置参数，重新进行步骤(1)的操作；如果小于切片长度，则进行步骤(6)的操作拟合洛伦兹线型。
34.优选的，所述吸收峰判断，根据洛伦兹线型拟合半高宽与标准气体的半高度进行比对，如果比对结果满足相对误差范围，则标识为潜在吸收峰，如果不相近则不是吸收峰，并以半高宽为步长递进洛伦兹中心位置并重复步骤(6)-(7)，判断整个光谱数据是否具有吸收峰；如果一个扫描周期没有吸收峰，则重新载入下一个周期进行步骤(1)的操作。
35.优选的，所述判定真实气体吸收峰，当某一周期的切片处理单元被判断为潜在吸收峰，吸收峰标志位进行标识计数，当其后4个周期的相同切片，相同位置都被判断为潜在吸收峰，吸收峰标志位计数达到5次，则判定吸收峰为真实气体吸收峰；若出现一次判定不是潜在吸收峰，则认定此处为噪音，吸收峰标志位重新计算。
36.有益效果：本发明采用微型控制器通过预设待测气体的半高宽，能够实现对多种气体的同时检测，并搭载数字热电冷却器，使激光器能够免疫自身温度的影响，保持准确的波长和稳定的光功率，同时微型控制器内设解调算法，通过洛伦兹线型拟合判断吸收峰并获取气体浓度，控制声光报警器，保证了气体检测报警系统的响应速度和准确性。
附图说明
37.图1为发明提供的一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统的结构示意图；
38.图2为发明提供的一种免疫激光器温度变化的气体检测报警系统的调解算法流程图；
39.图3为甲烷的三个吸收峰；
具体实施方式
40.下面将结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下。
41.如图1所示，本技术的所述系统包括：
42.微型控制器(microcontroller unit，简称mcu)采用低功耗的stm32l芯片，根据预设待测气体的半宽高，产生对应频率、幅值适中的调制锯齿波，并加载到激光器驱动模块；接收数据采集模块的电信号、数据信息和温度检测模块温度值；对接收的电信号进行处理后得到待测气体浓度，当气体浓度超过阈值时，控制声光报警器进行报警；
43.激光驱动模块是由误差放大器、mos管和测流电阻构成，其中误差放大器和mos管构成了恒流源，误差放大器的正向输入端连接mos管的源极和测流电阻的一段，反向输入端连接测流电阻的另一端，测流电阻串联在mos管的源级(s极)，该支路电流构成驱动电路，测流电阻两段电压差即为激光器功率的监控电压。通过被误差放大器放大的监控电压与设定电压通过比较器反复比较后，调节mos管栅极(g极)电压，进而控制mos管漏极(d极)与源极导通，实现了激光器的恒流驱动；
44.激光器是t0封装不带尾纤的vcsel激光器(垂直腔面发射激光器，vertical cavity surface emitting laser)，vcsel激光器通过对功率调制阴极引脚加载恒定电流产生出射光；通过对波长调制阴极引脚加载调制电压产生所需的出射波长；
45.热电冷却器(thermal electric cooler，简称tec)为低功耗ds4830a光控制器控制的数字热电冷却器，通过对vcsel激光器通过主动散热的方式进行控温，维持出射波长的稳定；
46.气室为开放空间光路，to封装的vcsel激光器在装置的一端，光电二极管探测器在另一端，两端构成同心圆且准直，让激光器和光电二极管探测器对齐，且形成的这一段空间也作为气体吸收的气室；
47.光电二极管探测器型号为ig17x2000g1i，对红外光普遍响应，响应系数约为0.9a/w，且增益较为平坦，光电二极管探测器接收经过气室开放光路的vcsel激光器的透射光，同时将接收到的光信号传输至光电转换模块；
48.光电转换模块用于接收光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据采集模块，通过双通道运算放大器构成，第一路构成跨导放大器，光电二极管探测器负极接供电电平vcc，正极接运放通道一的负向输入端，正向输入端以vcc/2作为“虚地”，通道一的输出端通
过一个电阻接通道二的反向输入端，再接通道二的输出端构成反向比例放大器，光电信号进一步缩放，正向输入端以vcc/2作为“虚地”；
49.数据采集模块为ad7606bstz，包括模拟数字转换器(analog-to-digital converter,简称adc)和外围电路，能够精准采集光电转换模块输出端的电信号，并将采集信号传输给mcu；
50.温度检测模块是由25℃对应10kω，b值为3950的热敏电阻和10kω固定电阻构成电桥，固定电阻1与固定电阻2串联分压，串联节点电平被mcu采集，作为参考电平v
ref
，固定电阻3与热敏电阻串联，串联节点也mcu采集，被称为采集电平v
aq
，这两条支路并联在vcc和gnd之间，通过对电桥电路中热敏电阻阻值进行计算，根据阻值温度对应表，拟合温度与阻值的公式，得到环境温度，并将环境温度值传输给mcu；
51.声光报警器用于接收微型控制器的信号，进行声光报警。
52.在一种实施例中，本技术的所述方法包括以下步骤：
53.(1)将带有气体吸收信息的电信号进行解析处理，得到光谱数据，载入一个扫描周期的光谱数据，得到周期长度，对周期长度进行切片处理得到一个固定切片长度的处理单元；
54.进一步具体的，所述切片处理包括设定第一次切片的起始位置为i0,切片长度为lq,判断切片结束位置是否大于周期长度lz，如果不大于，对该切片处理单元进行步骤(2)-(8)的操作，如果大于周期长度，则说明整个周期的数据处理完毕，重新载入下一个周期。
55.(2)对处理单元进行滤波，采用savitzky-golay(sg)滤波器，去除高频噪声；
56.(3)将经过滤波的处理单元作为透射光谱，根据预设透射光谱的两翼为未参与吸收的透射信号，采用高阶多项式拟合得到入射光谱强度；
57.其中，所述高阶多项式拟合由激光器的调谐特性决定，根据波长响应和功率响应曲线确定阶数。
58.(4)根据入射光谱强度，利用朗伯比尔定律，进行强度归一化得到吸收光谱；
59.(5)以归一化数据的起始位置作为洛伦兹线型的中心位置，并根据气体在此波长的吸收峰半高全宽的宽度得到对应点数作为步长，确定洛伦兹中心位置；
60.进一步具体的，根据洛伦兹中心位置是否大于切片长度，如果大于切片长度，则更新切片起始位置参数，重新进行步骤(1)的操作；如果小于切片长度，则进行步骤(6)的操作。
61.(6)通过洛伦兹线型拟合吸收光谱，得到洛伦兹线型拟合半高宽；
62.(7)将洛伦兹线型拟合半高宽与标准气体的半高宽进行比对，如果比对结果满足相对误差范围，则标识为潜在吸收峰；如果不相近则不是吸收峰，并以半高宽为步长递进洛伦兹中心位置并重复步骤(6)-(7)，判断整个光谱数据是否具有吸收峰；如果一个扫描周期没有吸收峰，则重新载入下一个周期进行步骤(1)的操作。
63.(8)通过吸收峰标志位判定真实气体吸收峰；
64.进一步具体的，所述判定真实气体吸收峰，当某一周期的切片处理单元被判断为潜在吸收峰，吸收峰标志位进行标识计数，当其后4个周期的相同切片，相同位置都被判断为潜在吸收峰，吸收峰标志位计数达到5次，则判定吸收峰为真实气体吸收峰；若出现一次判定不是潜在吸收峰，则认定此处为噪音，吸收峰标志位重新计算。
65.(9)获取得到的吸收峰的峰值，进行温度补偿，通过标定好的反演公式，计算得到气体浓度，判断气体浓度是否超过阈值，如果超过，控制声光报警器进行报警。
66.下面将以甲烷为例，并参见图2所示更详细地描述本发明的示例性实施方式：
67.(1)预设甲烷气体的半高宽，mcu产生频率为5hz，幅值适中的调制锯齿波，并将调制锯齿波加载到所述激光器驱动模块；
68.(2)激光器驱动模块驱动激光器产生覆盖多个甲烷吸收峰(1653.7nm,1650.9nm,1648.2nm)的出射光，同时数字tec通过主动散热的方式对vcsel激光器进行控温，维持出射波长的稳定；
69.(3)激光器的出射光通过气室开放光路，光电二极管探测器于气室另一端接收到带有气体吸收信息的透射光，将接收的光信息传递给光电转换模块；
70.(4)光电转换模块将光信号转换成电信号，电信号通过数据采集模块传输到mcu；
71.(5)温度检测模块通过对电桥电路中热敏电阻阻值进行计算，根据阻值温度对应表，拟合温度与阻值的公式，得到环境温度，并将环境温度值传输给mcu；温度检测模块的处理过程如下：
72.通过计算热敏电阻的阻值为：
[0073][0074]
其中，v
ref
为参考电平，v
aq
为采集电平；
[0075]
根据阻值温度对应表，拟合出温度和阻值的计算公式：
[0076]
t＝61.84438-17.86124*ln(r
the-1.68917)
[0077]
(6)mcu内有解调算法，当接收到数据采集模块的信息数据，通过解调算法得到待测气体浓度，并接收温度检测模块的温度值有效修正浓度误差，当气体浓度达到预设预警临界值时，控制所述声光报警器进行报警；
[0078]
解调算法的处理方法如下：
[0079]
步骤一，将带有气体吸收信息的电信号进行解析处理，得到多个扫描周期的光谱数据，载入第一个扫描周期的光谱数据，得到周期长度lz，对第一个周期长度lz进行切片处理，得到一个固定切片长度的处理单元，同时设定第一次切片的起始位置为i0，切片长度为lq，重复判断切片结束位置是否大于周期长度lz，如果不大于，对该切片处理单元进入下一步骤的操作，如果大于周期长度，则说明整个周期的数据处理完毕，重新载入下一个周期；
[0080]
步骤二，对处理单元采用savitzky-golay(sg)滤波器去除高频噪声；
[0081]
步骤三，将经过滤波的处理单元作为透射光谱i
t
，以i
t
的两翼认为是没有参与吸收的透射信号，根据vcsel激光器的调谐特性，其波长和功率响应曲线确定采用二阶多项式拟合得到入射光谱强度i0；
[0082]
步骤四，根据朗伯比尔定律(beer-lambertlaw)利用拟合的入射光谱强度i0，进行强度归一化得到吸收光谱，
[0083]it
＝i0exp[s(t)α(v)cl]
[0084]
当吸收较小时，根据一阶泰勒展开，上述等式可以近似展开，
[0085]it
＝i0exp[-s(t)α(v)cl]≈i0[1-s(t)α(v)cl]
[0086]
其中，i
t
，i0分别是透射光强和入射光强，s(t)是温度t的函数，v是激光的频率，c是
气体浓度，l是光程，α(v)表示吸收光谱；
[0087][0088]
该吸收光谱满足洛伦兹线型，
[0089][0090]
其中，y0为偏移量，x0为定义分布峰值位置的参数，w为半高全宽，a为面积；
[0091]
步骤五，以归一化数据的起始位置作为洛伦兹线型的中心位置，进行洛伦兹中心位置判断，根据洛伦兹中心位置是否大于切片长度为lq，如果大于切片长度为lq，则根据气体在此波长的吸收峰半高全宽的宽度得到400对应的点数作为步长s，切片起始位置为i0，更新切片起始位置in参数，in＝i0+s，重新进行步骤一的操作；如果小于切片长度为lq，则进行步骤六的操作拟合洛伦兹线型；
[0092]
步骤六，通过洛伦兹线型拟合吸收光谱，得到洛伦兹线型拟合半高宽m；
[0093]
步骤七，通过洛伦兹线型拟合半高宽与甲烷气体的半高宽(甲烷气体在1638.2nm出的半高宽为48pm，1650.9nm处的半高宽为52pm，1653.7nm处的半高宽为34pm)比对，如果比对结果满足相对误差范围，则标识为吸收峰，并累计标识标志位，同时以半高宽为步长改变洛伦兹中心位置并重复步骤五到步骤六；如果整个扫描周期判断没有潜在吸收峰，则重新载入下一个周期进行步骤一的操作；
[0094]
步骤八，在主程序中潜在吸收峰标识标志位ni连续达到5次，判定吸收峰为真实气体吸收峰；
[0095]
步骤九，当判定吸收峰为真实气体吸收峰，获取得到的吸收峰的峰值，通过将环境温度带入系统修正系数，根据标定好的反演公式，计算得到气体浓度，判断气体浓度是否超过程序预设的浓度阈值，当超过程序预设的浓度阈值，mcu向声光报警器发送启动信号，控制声光报警器进行报警。
[0096]
本发明采用微型控制器通过预设待测气体的半高宽，能够实现对多种气体的同时检测，并搭载数字热电冷却器，使激光器能够免疫自身温度的影响，保持准确的波长和稳定的光功率，同时微型控制器内设解调算法，通过洛伦兹线型拟合判断吸收峰并获取气体浓度，控制声光报警器，保证了气体检测报警系统的响应速度和准确性，确保工业安全生产，减少事故发生和生命财产损失。