满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法与流程

本发明涉及光学气体检测的，尤其涉及一种满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法。

背景技术：

1、在激光气体检测领域中，tdlas技术实现气体泄漏的高灵敏分析，灵敏度达到ppm甚至ppb量级，但是在满足高灵敏度条件下实现大浓度气体检测是一个难点。现有在满足高灵敏度条件下实现大浓度检测的方法是微处理器通过温度控制电路控制激光器的温度，使激光器发出的波长分时处于目标气体相邻的两条吸收强度相差1或者2个数量级（和光程有关系）的吸收峰。常规检测时，微处理器通过控制温度控制电路，使激光器的温度位于出厂设定值，激光器发出的波长处于吸收强度强的吸收峰，检测痕量的气体泄漏；当检测到的浓度超过设定阈值时，微处理器通过控制温度控制电路，改变激光器温度（远离激光器的出厂设定值），使激光器发出的波长处于吸收强度弱的吸收峰，检测大浓度的气体泄漏。通过改变激光器温度的方法，随着温度的改变，激光器的阈值电流改变，输出功率也相应的发生变化，增加内部缺陷，严重影响激光器的使命，尤其是在工业温度范围（-40℃～+70℃）内，激光器不能稳定输出扫描目标气体吸收峰的波长，进一步不能满足高灵敏度条件下检测大浓度气体泄漏现场的要求。

2、申请号为202210909602.3的发明专利申请公开了，一种基于变区域锁相放大的开放式激光气体检测方法及系统，所述方法包括以下步骤：读取一个检测周期t内得到的待分析信号，将待分析信号划分为待分析区域ⅰ、待分析区域ⅱ和待分析区域ⅲ，在确定待分析区域ⅰ的目标回波信号质量不合格且待分析区域ⅲ的目标回波信号质量合格时，基于待分析区域ⅱ和待分析区域ⅲ进行锁相放大计算；在确定待分析区域ⅲ的目标回波信号质量不合格且待分析区域ⅰ的目标回波信号质量合格时，基于待分析区域ⅰ和待分析区域ⅱ进行锁相放大计算；在确定待分析区域ⅰ和待分析区域ⅲ的目标回波信号质量均不合格时，基于待分析区域ⅱ进行锁相放大计算。本发明通过动态选取锁相放大计算的区域，降低误报警概率。但是，该发明是通过锁相放大计算气体浓度，只能检测高灵敏度的痕量气体泄漏，不能满足高灵敏度条件下检测大浓度气体泄漏现场的要求。

技术实现思路

1、针对现有气体检测方法不能满足高灵敏度条件下检测大浓度气体泄漏现场的要求的技术问题，本发明提出一种满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，更好地在全工业温度范围内，在检测灵敏度高的情况下实现大浓度检测，可以满足不同场合对气体泄漏检测的要求，更换其它波长的激光器，就能检测波长相对应的气体浓度。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，其步骤为：采用分时多频率调制方法生成两个低频锯齿波信号，通过一个低频锯齿波信号叠加高频正弦波信号合成的双频调制信号或者另一个低频锯齿波信号驱动激光器；经过目标气体吸收后，提取光敏元件接收的双频调制信号或低频锯齿波信号的浓度信息，获取气体浓度信息。

3、优选地，所述两个低频锯齿波信号包括低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b，低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b是分时输出的，经过n1≥1个周期低频锯齿波信号a输出n2≥1个周期低频锯齿波信号b；

4、所述分时多频率调制方法是微处理器通过低频锯齿波信号a叠加高频正弦波信号合成的双频调制信号驱动激光器，经过n1≥1个调制周期后，微处理器通过低频锯齿波信号b驱动激光器，经过目标气体吸收后，光敏元件接收，经跨阻放大电路、信号调理电路和adc电路（微处理器内部或外部）进入微处理器进行处理提取气体浓度。

5、优选地，所述微处理器控制外部的dac电路输出高频正弦波信号c或分时输出低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b，微处理器通过控制外部的dac电路输出高频正弦波信号c，高频正弦波信号c和n1≥1个周期的低频锯齿波信号a叠加合成双频调制信号d，双频调制信号d和低频锯齿波信号b组合为多频调制信号e，或者用微处理器通过内部或外部dac电路直接输出多频调制信号e；微处理器通过控制温度控制电路和多频调制信号e驱动激光器，使激光器发出对应目标气体吸收波长的光，光经过目标气体吸收，被光敏元件检测经跨阻放大电路输出电压信号。

6、优选地，所述温度控制电路精准控制激光器温度，使激光器发光的波长处于目标气体吸收峰，多频调制信号e驱动激光器，使激光器发出扫描目标气体吸收峰的波长。

7、优选地，所述微处理器通过温度控制电路与激光器相连接，微处理器与dac电路相连接，dac电路与加法电路相连接，加法电路与激光器相连接；所述激光器通过气室的目标气体后传送至光敏元件，光敏元件与跨阻放大电路相连接，跨阻放大电路与信号调理电路相连接，信号调理电路与adc电路（微处理器内部或外部）相连接，adc电路与微处理器相连接。

8、优选地，通过锁相放大技术提取光敏元件接收到的双频调制信号中的浓度信息，得到高频正弦波信号的谐波信息，通过二次谐波幅值或偶数次谐波幅值和除以一次谐波幅值得到气体浓度信息，通过预标定曲线的插值算法来计算气体浓度。

9、优选地，通过傅里叶变换技术提取双频调制信号中的浓度信息，得出正弦波倍频的频率幅值，倍频的频率幅值通过预标定曲线的插值算法来计算气体浓度。

10、优选地，通过增强型差分处理技术提取光敏元件接收到的低频锯齿波信号b中的浓度信息，目标气体吸收前的信号和目标气体吸收后的信号的差除以目标气体吸收前的信号，得到气体浓度信息。

11、优选地，所述增强型差分处理技术的实现方法为：微处理器通过内部或者外部的adc电路采集低频锯齿波信号b；依据采集的低频锯齿波信号b中没有被气体吸收的位置t1和t2及其对应的adc值生成出未被吸收的信号；生成出的信号和采集的信号的差除以生成出的信号，得到气体浓度。

12、优选地，所述位置t1和t2避开采集的低频锯齿波信号b中波形畸变位置。

13、本发明的有益效果：应用tdlas技术，采用分时多频率调制的方法驱动激光器，通过锁相放大技术或傅里叶变换提取痕量的气体浓度，通过增强型差分处理技术，提取大浓度的气体浓度。本发明不通过改变激光器对应不同吸收强度的温度，只通过调整激光器的驱动方式，可以完全满足全工业温度范围内高灵敏大浓度气体检测现场需求。本发明能弥补目前市场上现有产品在全工业温度范围内高灵敏度不能检测大浓度气体、检测大浓度气体灵敏度低的缺陷。本发明的检测灵敏度高，检测浓度大，可以满足全工业温度范围的高灵敏大浓度气体检测需求，只需更换其他波长的激光器，就能检测相对应的气体浓度。

技术特征：

1.一种满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，其步骤为：采用分时多频率调制方法生成两个低频锯齿波信号，通过一个低频锯齿波信号叠加高频正弦波信号合成的双频调制信号或者另一个低频锯齿波信号驱动激光器；经过目标气体吸收后，提取光敏元件接收的双频调制信号或低频锯齿波信号的浓度信息，获取气体浓度信息。

2.根据权利要求1所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述两个低频锯齿波信号包括低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b，低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b是分时输出的，经过n1≥1个周期低频锯齿波信号a输出n2≥1个周期低频锯齿波信号b；

3.根据权利要求2所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述微处理器控制外部的dac电路输出高频正弦波信号c或分时输出低频锯齿波信号a和低频锯齿波信号b，微处理器通过控制外部的dac电路输出高频正弦波信号c，高频正弦波信号c和n1≥1个周期的低频锯齿波信号a叠加合成双频调制信号d，双频调制信号d和低频锯齿波信号b组合为多频调制信号e，或者用微处理器通过内部或外部dac电路直接输出多频调制信号e；微处理器通过控制温度控制电路和多频调制信号e驱动激光器，使激光器发出对应目标气体吸收波长的光，光经过目标气体吸收，被光敏元件检测经跨阻放大电路输出电压信号。

4.根据权利要求3所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述温度控制电路精准控制激光器温度，使激光器发光的波长处于目标气体吸收峰，多频调制信号e驱动激光器，使激光器发出扫描目标气体吸收峰的波长。

5.根据权利要求2、3或4所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述微处理器通过温度控制电路与激光器相连接，微处理器与dac电路相连接，dac电路与加法电路相连接，加法电路与激光器相连接；所述激光器通过气室的目标气体后传送至光敏元件，光敏元件与跨阻放大电路相连接，跨阻放大电路与信号调理电路相连接，信号调理电路与adc电路相连接，adc电路与微处理器相连接。

6.根据权利要求5所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，通过锁相放大技术提取光敏元件接收到的双频调制信号中的浓度信息，得到高频正弦波信号的谐波信息，通过二次谐波幅值或偶数次谐波幅值之和除以一次谐波幅值，通过预标定曲线的插值算法来计算气体浓度。

7.根据权利要求6所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，通过傅里叶变换技术提取双频调制信号中的浓度信息，得出正弦波倍频的频率幅值，倍频的频率幅值通过预标定曲线的插值算法来计算气体浓度。

8.根据权利要求6或7所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，通过增强型差分处理技术提取光敏元件接收到的低频锯齿波信号b中的浓度信息，目标气体吸收前的信号和目标气体吸收后的信号的差除以目标气体吸收前的信号，得到气体浓度信息。

9.根据权利要求8所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述增强型差分处理技术的实现方法为：微处理器通过内部或者外部的adc电路采集低频锯齿波信号b；依据采集的低频锯齿波信号b中没有被气体吸收的位置t1和t2及其对应的adc值生成出未被吸收的信号；生成出的信号和采集的信号的差除以生成出的信号，得到气体浓度。

10.根据权利要求9所述的满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，其特征在于，所述位置t1和t2避开采集的低频锯齿波信号b中波形畸变位置。

技术总结
本发明提出了一种满足工业温度的高灵敏大浓度气体检测方法，用以解决现有气体检测方法不能满足高灵敏度条件下检测大浓度气体泄漏现场的要求的技术问题。采用分时多频率调制方法生成两个低频锯齿波信号，通过一个低频锯齿波信号叠加高频正弦波信号合成的双频调制信号或者另一个低频锯齿波信号驱动激光器；经过目标气体吸收后，提取光敏元件接收的双频调制信号或低频锯齿波信号的浓度信息，获取气体浓度信息。本发明的检测灵敏度高，检测浓度大，可以满足全工业温度范围的高灵敏大浓度激光气体检测需求，只需更换其他波长的激光器，就能检测相对应的气体浓度。

技术研发人员：陈海永,贾林涛,武传伟,米洛锋,朱晓然,方雁群,刘鲜花
受保护的技术使用者：汉威科技集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11