一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体浓度检测技术领域，特别涉及一种基于斜波调制的光纤甲烷气体 浓度检测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 气体浓度检测方法有电化学法、电气法、气相色谱法和光学法等。电化学法利用电 化学方法，使用电极与电解液对气体进行检测；电气法利用半导体气体敏感器件进行检测； 气相色谱法是一种物理分离分析技术，用吸附剂使物质成分按吸附能力的强弱层析在色谱 上，是一种实验室方法；光学法是利用气体的光折射率或者光谱吸收特性检测气体。
[0003] 光纤甲烷气体浓度检测方法是一种基于光谱吸收的光学方法，通过测量甲烷气体 透射或反射光强的变化得到甲烷气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱线，光源发出 的光信号只有在与被测气体吸收谱线重叠的部分才产生吸收效应，吸收后的光信号强度发 生衰减。
[0004] 当一束光强为^的平行光通过含有甲烷气体的气室时，如果光信号覆盖甲烷气体 的吸收谱线，则透射或反射光强发生衰减。根据比尔-朗伯（Beer-Lambert)定律，输出光 强I(A)与输入光强ItlU)、气体浓度C之间的关系为：
【主权项】
1. 一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是，包括以下步骤： (1) 使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，并考虑光源的波长漂移，分别得到光源发 出的光信号波长和强度随调制信号变化的关系； (2) 根据比尔-朗伯定律，并考虑光纤信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成 的干扰，得到经过甲烷气体吸收后的光强信号I (t); (3) 对光强信号I (t)作微分处理，得到处理后的信号/(〇; (4) 对信号进行模拟量采集得到数字量，并依据/(〇的变化情况判断出光源波长 开始进入甲烷气体吸收谱线的时间At1和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间 点?。； (5) 对/>)作h时刻到12时刻范围的积分； (6) 根据积分结果得到甲烷气体的浓度。
2. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 所述步骤（1)中光源发出的光信号波长随调制信号变化的关系具体为：
其中，λ ^表不光源发出的光信号起始波长；λ 1]]表不光信号波长的调制范围；λ 11表不 光源的波长漂移；T表示调制周期；η为整数，η = 0, 1，2···。
3. 如权利要求2所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 通过合理选择波长调制范围λπ，使其完全覆盖甲烷气体吸收谱线宽度和光源波长漂移之 和。
4. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 所述步骤（1)中光源发出的光信号强度随调制信号变化的关系具体为：
其中，Itl表示光源发出的光信号起始强度；I ">表示光信号强度的调制范围；T表示调制 周期；η为整数，η = 0, 1，2···。
5. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 所述步骤（2)中经过甲烷气体吸收后的光强信号I (t)具体为：
其中，In表示信号链路损耗和其他环境随机噪声对光强造成的衰减；I C1表示光源发 出的光信号起始强度；1">表示光信号强度的调制范围；T表示调制周期；η为整数，η = 0，1，2··· ;α (λ(〇)为光波长等于λ(〇时的甲烷气体吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为 甲烷气体吸收路径长度。
6. 如权利要求5所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 由于甲烷气体的吸收系数很小，满足α (λ (t))CL<< 1，所以利用近似公式： e(-a(A(t))CL)^ !_α (λ (t))CL； 忽略高阶小项，得到：
7. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 经过微分处理后的信号/⑴具体为：
其中，Itl表示光源发出的光信号起始强度；I ">表示光信号强度的调制范围；T表示调制 周期；η为整数，η = 〇, 1，2··· ; 为光波长等于λ⑴时吸收系数的微分；C为甲烷气 体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。
8. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 所述步骤（5)中，对信号/⑴作h时刻到12时刻范围的积分具体为：
其中，Itl表示光源发出的光信号起始强度；I ">表示光信号强度的调制范围；T表示调制 周期；h为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t2为光源波长与吸收谱线中心 波长完全相等的时间点；η为整数，η = 0, 1，2··· ; α ( λ g)为光波长等于吸收谱线中心波长 λ g时的甲烷气体吸收系数；C为甲烷气体浓度；L为甲烷气体吸收路径长度。
9. 如权利要求1所述的一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法，其特征是， 所述步骤(6)中甲烷气体的浓度具体为：
其中，Itl表示光源发出的光信号起始强度；I ">表示光信号强度的调制范围；T表示调制 周期；h为光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点；t2为光源波长与吸收谱线中心 波长完全相等的时间点；η为整数，η = 0, 1，2··· ; α ( λ g)为光波长等于吸收谱线中心波长 λ g时的甲烷气体吸收系数；L为甲烷气体吸收路径长度；I (t J为&时刻输出光强；I (t 2) 为1：2时刻输出光强。
10. -种采用权利要求1所述的基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法的系统， 其特征是，包括：光源、驱动模块、温控模块、耦合器、光信号链路、气室、光电转换器、微弱信 号放大模块、微分模块、信号调理模块、模数转换模块以及处理器； 所述温控模块、光源、耦合器、光电转换器、微弱信号放大模块、微分模块依次连接；所 述耦合器通过光信号链路与气室内的光学探头连接；所述微弱信号放大模块和微分模块分 别与信号调理模块连接；所述信号调理模块与模数转换模块、处理器和驱动模块依次连接； 所述驱动模块与光源连接。
【专利摘要】本发明公开了一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统，包括：使用斜波调制信号作为光源的驱动电流，分别得到光源发出的光信号波长和强度随调制信号变化的关系；根据比尔-朗伯定律，得到经过甲烷气体吸收后的光强信号；对光强信号作微分处理，得到处理后的信号；判断出光源波长开始进入甲烷气体吸收谱线的时间点t1和光源波长与吸收谱线中心波长完全相等的时间点t2；对微分后的信号作t1时刻到t2时刻范围的积分；得到甲烷气体的浓度。本发明有益效果：在信号算法分析中仅涉及波长调制和微分解调，避免使用傅里叶变换、谐波分析等复杂算法，节省了信号处理时间，提高了检测的响应速度。
【IPC分类】G01N21-3504, G01N21-31
【公开号】CN104764702
【申请号】CN201510176366
【发明人】王忠民, 托马斯·柯西卡, 崔洪亮, 周天水, 胡伟, 张延波, 王海旭, 曾祥豹, 郭林鑫, 徐文青
【申请人】山东金睛锐达电子科技有限公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月14日