一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统

本技术涉及一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，属于气体检测。

背景技术：

1、在煤炭、石油、天然气等领域生产过程中，甲烷气体泄漏会对环境和安全生产造成极大影响，甚至引发火灾、中毒。为减少此类危害，应对其进行准确检测。在众多技术中，可调谐二极管激光吸收光谱技术具有选择性好、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，其中直接吸收光谱技术由于系统结构简单在工业生产中应用广泛。

2、在直接吸收光谱气体传感系统中，获取目标气体浓度信息最关键的步骤是从透射光信号中恢复吸收曲线，因此需要提前测量入射光强度，通常采用差分吸收光谱技术，将光源通过1x2光纤耦合器拆分为参考臂和探测臂，分别用于检测参考信号和探测信号，然后通过差分解调电路获取吸收曲线。

3、差分吸收光谱技术通过增加参考信号抑制共模干扰，但其对光功率波动十分敏感，即使光源的轻微漂移也会破坏差分电路的平衡，为避免解调的吸收曲线产生失真，可采用参考臂对激光功率波动进行监测，实现功率漂移的归一化，从而消除功率波动对光谱信号的影响，但这会导致系统更加复杂，增加系统成本，同时差分吸收光谱技术采用三角波或锯齿波作为低频扫描信号，其陡峭变化会导致光功率瞬时变化，影响激光器的工作稳定性。为此，提出本实用新型。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本实用新型提供一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，利用信号发生器产生正弦波进行低频扫描，相比于三角波或锯齿波，正弦波具有非常清晰的频率分量，能够很容易地将扫描基线从吸收信息中分离出来；同时采用单光路设计，利用带通滤波器和低通滤波器从透射信号中获取吸收曲线和扫描基线，而且结构紧凑，能够很容易地实现功率校正，有效提升系统抗功率波动干扰能力，简化了系统结构，降低系统的成本。

2、本实用新型的技术方案如下：

3、一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，包括信号发生器、激光驱动及温度控制器、dfb激光器、气室、光电探测器、带通滤波器、低通滤波器和单片机，其中，

4、信号发生器、激光驱动及温度控制器、dfb激光器、气室和光电探测器依次连接，光电探测器分别通过带通滤波器和低通滤波器连接有单片机；

5、信号发生器用于发出正弦扫描信号，信号传输至激光驱动及温度控制器；

6、激光驱动及温度控制器用于dfb激光器的驱动电流和温度控制；

7、dfb激光器用于产生激光，激光进入气室进行检测；

8、光电探测器用于对气室出来的透射光信号进行光电转换，获得原始检测信号；

9、带通滤波器用于对原始检测信号进行带通滤波，获取吸收曲线信号；

10、低通滤波器用于对原始检测信号进行低通滤波，获取扫描基线信号；

11、单片机用于采集吸收曲线信号和扫描基线信号，并利用扫描基线信号对吸收曲线信号进行校正。

12、根据本实用新型优选的，信号发生器为商用fy6300波形发生器模块，提供100 -500hz的正弦扫描信号，其峰值为0-3v。

13、根据本实用新型优选的，激光驱动及温度控制器为商用ldc501控制器，对dfb激光器的驱动电流和温度进行控制。

14、根据本实用新型优选的，dfb激光器为swld-1653型激光器，当工作温度为25℃时，其中心波长为1653.7nm，光谱线宽为3mhz，波长的温度调谐系数为0.09nm/℃，波长的电流调谐系数为0.01nn/ma，利用其对甲烷气体进行检测。

15、根据本实用新型优选的，气室为jsxh-81030315型气室，其光程为3m，为检测系统提供待测气体存储空间，待测气体从进气口进入，从出气口排出。

16、根据本实用新型优选的，光电探测器选用lsipd-a75的ingaas pin光电二极管，其波长响应范围为800-1700nm，响应度为0.90ma/mw，饱和光功率为3.5mw，其对从气室出来的透射光信号进行光电转换，以获取原始检测信号。

17、根据本实用新型优选的，带通滤波器选用uaf42带通模块，其通带范围为300hz到12khz，对原始检测信号进行带通滤波，以获取吸收曲线信号。

18、根据本实用新型优选的，低通滤波器选用ne5532模块，其截止频率为120hz，对原始检测信号进行低通滤波，以获取扫描基线信号。

19、根据本实用新型优选的，单片机选用stm32f103型单片机，对吸收曲线信号和扫描基线信号进行采集，并利用扫描基线信号对吸收曲线信号进行校正，然后将数据传输至工控机，进行记录和后续分析。

20、上述单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统的工作方法，步骤如下：

21、将检测系统放置于待检测区域，甲烷气体通过进气口进入气室，信号发生器产生100hz正弦扫描信号后送入激光驱动及温度控制器，激光驱动及温度控制器对dfb激光器的驱动电流和温度进行控制，dfb激光器产生激光进入气室进行检测，光电探测器对从气室出来的透射光信号进行光电转换，以获取原始检测信号，带通滤波器对原始检测信号进行带通滤波，获取吸收曲线信号，低通滤波器对原始检测信号进行低通滤波，获取扫描基线信号，单片机对吸收曲线信号和扫描基线信号进行采集，并利用扫描基线信号对吸收曲线信号进行校正，然后将数据传输至工控机，进行记录和后续分析。

22、本实用新型的有益效果在于：

23、1、本实用新型中甲烷检测系统利用正弦波进行低频扫描，相比于三角波或锯齿波，正弦波具有非常清晰的频率分量，能够很容易地将扫描基线从吸收信息中分离出来。

24、2、本实用新型中利用带通滤波器和低通滤波器从透射信号中获取吸收曲线和扫描基线，并利用获取的扫描基线对吸收曲线进行归一化处理，实现单光路系统设计；不仅结构紧凑，而且能够很容易地实现功率校正，有效提升系统抗功率波动干扰能力，简化了系统结构，降低系统的成本。

技术特征：

1.一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，包括信号发生器、激光驱动及温度控制器、dfb激光器、气室、光电探测器、带通滤波器、低通滤波器和单片机，其中，

2.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，信号发生器为商用fy6300波形发生器模块。

3.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，激光驱动及温度控制器为商用ldc501控制器。

4.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，dfb激光器为swld-1653型激光器。

5.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，气室为jsxh-81030315型气室。

6.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，光电探测器选用lsipd-a75的ingaas pin光电二极管。

7.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，带通滤波器选用uaf42带通模块。

8.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，低通滤波器选用ne5532模块。

9.如权利要求1所述的单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，其特征在于，单片机选用stm32f103型单片机。

技术总结
本技术涉及一种单光路自补偿吸收光谱甲烷检测系统，属于气体检测技术领域。系统包括信号发生器、激光驱动及温度控制器、DFB激光器、气室、光电探测器、带通滤波器、低通滤波器和单片机，其中，信号发生器、激光驱动及温度控制器、DFB激光器、气室和光电探测器依次连接，光电探测器分别通过带通滤波器和低通滤波器连接有单片机。本技术的信号发生器可以利用正弦波进行低频扫描，相比于三角波或锯齿波，正弦波具有非常清晰的频率分量，能够很容易地将扫描基线从吸收信息中分离出来，而且利用带通滤波器和低通滤波器从透射信号中获取吸收曲线和扫描基线，实现单光路系统设计，结构紧凑，能够很容易地实现功率校正。

技术研发人员：武精华,王福鹏,付丽燕,崔培星,宫永康,陈冉伟,杜青林
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：20230515
技术公布日：2024/1/15