本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

氣體濃度檢測(cè)方法有電化學(xué)法、電氣法、氣相色譜法和光學(xué)法等。電化學(xué)法利用電化學(xué)方法，使用電極與電解液對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)；電氣法利用半導(dǎo)體氣體敏感器件進(jìn)行檢測(cè)；氣相色譜法是一種物理分離分析技術(shù)，用吸附劑使物質(zhì)成分按吸附能力的強(qiáng)弱層析在色譜上，是一種實(shí)驗(yàn)室方法；光學(xué)法是利用氣體的光折射率或者光譜吸收特性檢測(cè)氣體。

目前的檢測(cè)光纖甲烷氣體濃度的方法是一種基于光譜吸收的光學(xué)方法，其通過(guò)測(cè)量甲烷氣體透射或反射光強(qiáng)的變化得到甲烷氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜線，光源發(fā)出的光信號(hào)只有在與被測(cè)氣體吸收譜線重疊的部分才產(chǎn)生吸收效應(yīng)，吸收后的光信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生衰減。

當(dāng)一束光強(qiáng)為i0的平行光通過(guò)含有甲烷氣體的氣室時(shí)，如果光信號(hào)覆蓋甲烷氣體的吸收譜線，則透射或反射光強(qiáng)發(fā)生衰減。根據(jù)比爾-朗伯(beer-lambert)定律，輸出光強(qiáng)i(λ)與輸入光強(qiáng)i0(λ)、氣體濃度c之間的關(guān)系為：

其中，αλ是甲烷氣體在光波長(zhǎng)為λ時(shí)的吸收系數(shù)，l是吸收路徑的長(zhǎng)度。

由式(2-1)可得：

當(dāng)光信號(hào)波長(zhǎng)λ恒定時(shí)，αλ是一個(gè)常數(shù)，l可以測(cè)量得到。所以，通過(guò)檢測(cè)i0(λ)和i(λ)就可以得到甲烷氣體濃度。

在使用光譜吸收原理檢測(cè)甲烷氣體濃度時(shí)，有許多因素會(huì)影響到檢測(cè)精度：光源的功率和波長(zhǎng)漂移、光信號(hào)鏈路耦合處耦合狀態(tài)的變化、環(huán)境噪聲、光電器件指標(biāo)漂移等。為了克服這些隨機(jī)因素對(duì)檢測(cè)精度的影響，現(xiàn)有技術(shù)中，普遍采用的方法主要有差分吸收檢測(cè)方法和諧波檢測(cè)方法。

其中，差分吸收檢測(cè)方法的基本原理是：光源發(fā)出的光被分成兩路，一路帶有甲烷氣體的濃度信息，作為檢測(cè)信號(hào)；另一路帶有未經(jīng)甲烷氣體吸收的信息，作為參考信號(hào)。采用單波長(zhǎng)雙光路或者雙波長(zhǎng)單光路的結(jié)構(gòu)，利用差分原理實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量。這種方法可以在一定程度上消除光源功率漂移、環(huán)境噪聲、光電器件指標(biāo)漂移等因素的不利影響，但仍存在許多不足：

(1)檢測(cè)信號(hào)鏈路和參考信號(hào)鏈路存在一定的差異，隨機(jī)噪聲也不一致，會(huì)影響檢測(cè)精度。

(2)針對(duì)寬帶光源，檢測(cè)精度低。差分吸收檢測(cè)方法最初主要應(yīng)用于寬帶光源，使用不同中心波長(zhǎng)的光柵或者濾光片得到需要的兩種波長(zhǎng)的光信號(hào)。但是寬帶光源在某個(gè)特定波長(zhǎng)的光功率很小，經(jīng)過(guò)信號(hào)鏈路、傳感探頭、甲烷氣體返回后的光功率更小，信噪比較低，導(dǎo)致檢測(cè)精度比較低。

(3)針對(duì)窄帶光源，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大。隨著功率更大、穩(wěn)定性更好的單波長(zhǎng)窄帶光源應(yīng)用越來(lái)越廣泛，差分吸收檢測(cè)方法也開(kāi)始應(yīng)用于窄帶光源，通過(guò)改變窄帶激光器驅(qū)動(dòng)電流的大小得到兩種波長(zhǎng)的光信號(hào)。當(dāng)激光器驅(qū)動(dòng)電流改變時(shí)，隨著波長(zhǎng)的改變，其輸出功率也產(chǎn)生變化，所以通過(guò)調(diào)節(jié)電流比率和光路的手段實(shí)現(xiàn)該檢測(cè)方法應(yīng)用的必要條件i0(λ1)k(λ1)＝i0(λ2)k(λ2)，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上非常困難。

諧波檢測(cè)方法可以消除光源功率漂移等共模噪聲帶來(lái)的干擾，但是也存在如下不足：

(1)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大。為了獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，諧波檢測(cè)方法在信號(hào)鏈路中要用到倍頻器、鎖相放大器、積分器，在算法處理過(guò)程中要用到傅里葉變換、除法算法，以及為了對(duì)準(zhǔn)甲烷氣體吸收譜線中心波長(zhǎng)的解析分析算法和補(bǔ)償偏差算法，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度很大。

(2)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。諧波檢測(cè)方法的算法處理過(guò)于復(fù)雜，為了得到足夠多的時(shí)域數(shù)據(jù)，需要較長(zhǎng)的處理周期，犧牲了檢測(cè)的單次響應(yīng)時(shí)間。而響應(yīng)時(shí)間在多數(shù)甲烷氣體濃度檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，是同檢測(cè)精度一樣重要的技術(shù)指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，本發(fā)明利用鋸齒波調(diào)制、方波調(diào)制和微分器、積分運(yùn)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量。

本發(fā)明的一種偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，包括：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，其與光源相連，用于產(chǎn)生載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)光源；所述光源還與溫控器相連，溫控器用于調(diào)節(jié)光源的工作溫度使其輸出光強(qiáng)度最高時(shí)，波長(zhǎng)恰好對(duì)準(zhǔn)甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)；

所述光源輸出的光信號(hào)傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)弱信號(hào)放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；弱信號(hào)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入微分器，所述微分器用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻域局部微分和頻域局部放大；

微分器的輸出分為兩路，第一路僅截取方波信號(hào)的低電壓信號(hào)，第二路僅截取方波信號(hào)的高電壓信號(hào)，這兩路信號(hào)分別輸入至低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理，再輸入至差分放大器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行差分放大；差分放大器的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)，由控制器對(duì)差分放大后的信號(hào)取積分后，得到甲烷氣體濃度。

進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器包括分別與控制器相連的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)、緩沖器和電流源。

所述控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別產(chǎn)生一路鋸齒波電壓信號(hào)；所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)相連，所述第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)與控制器相連，用于生成載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)。

其中，控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生兩路差值恒定的鋸齒波電壓信號(hào)；控制器驅(qū)動(dòng)第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)，把兩路差值恒定的鋸齒波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成1路載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)還依次串接有緩沖器和電流源，所述電流源與光源相連。電流源輸出載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生相同波形的光強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)的線性調(diào)制。

進(jìn)一步的，所述光源輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器、反射式傳感探頭傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，所述環(huán)形器與反射式傳感探頭相連。

具體的講，光源輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器傳輸?shù)椒瓷涫絺鞲刑筋^，光信號(hào)在探頭內(nèi)與被測(cè)氣體相互作用后再經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器。

進(jìn)一步的，微分器的輸出分別通過(guò)第二單刀雙擲開(kāi)關(guān)和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)與相應(yīng)低通濾波器相連；所述第二單刀雙擲開(kāi)關(guān)和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別與控制器相連。

其中，控制器驅(qū)動(dòng)第二單刀雙擲開(kāi)關(guān)，截取微分器輸出的方波信號(hào)中的低電壓信號(hào)；控制器驅(qū)動(dòng)第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)，截取微分器輸出的方波信號(hào)中的高電壓信號(hào)。

低通濾波器將兩路被截取的方波信號(hào)變換為兩路較平滑的曲線，輸出給差分放大器的兩個(gè)輸入端。

進(jìn)一步的，所述差分放大器與控制器之間依次串接有抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

進(jìn)一步的，所述抗混疊濾波器配置為低通濾波器，使信號(hào)曲線更為平滑，去除高頻噪聲。

進(jìn)一步的，所述微分器是模擬微分器，僅當(dāng)輸入信號(hào)頻率在轉(zhuǎn)折頻率以下時(shí)起微分作用；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)，起放大作用。

進(jìn)一步的，所述微分器的轉(zhuǎn)折頻率由無(wú)源器件決定，并被配置為鋸齒波頻率和方波頻率的中間值。

本發(fā)明還提供了一種基于偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法。

本發(fā)明的基于偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，包括：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)光源；

與光源相連的溫控器調(diào)節(jié)光源的工作溫度使其輸出光強(qiáng)度最高時(shí)，波長(zhǎng)恰好對(duì)準(zhǔn)甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)；

光源輸出的光信號(hào)傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)弱信號(hào)放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；弱信號(hào)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入微分器，由微分器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻域局部微分和頻域局部放大；

微分器的輸出分為兩路，第一路僅截取方波信號(hào)的低電壓信號(hào)，第二路僅截取方波信號(hào)的高電壓信號(hào)，這兩路信號(hào)分別輸入至低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理，再輸入至差分放大器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行差分放大；差分放大器的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)，由控制器對(duì)差分放大后的信號(hào)取積分后，得到甲烷氣體濃度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源，通過(guò)微分器去除鋸齒波信號(hào)，然后利用第二和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)得到兩路差分信號(hào)，利用差分原理實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比，兩路差分信號(hào)經(jīng)過(guò)的信號(hào)鏈路完全一致，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)不存在任何差異，提高了檢測(cè)精度。

(2)本發(fā)明利用驅(qū)動(dòng)電流對(duì)光源波長(zhǎng)的影響，采用鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，得到波長(zhǎng)的線性變化，配合微分器和控制器的積分運(yùn)算，得到甲烷氣體濃度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法未考慮驅(qū)動(dòng)電流變化對(duì)光源波長(zhǎng)產(chǎn)生影響的不足，進(jìn)一步提高了檢測(cè)精度。

(3)本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的鋸齒波調(diào)制、方波調(diào)制和微分器、積分運(yùn)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量，與傳統(tǒng)方法相比，極大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

(4)本發(fā)明在控制器得到數(shù)字信號(hào)后，只需要進(jìn)行積分運(yùn)算就可以得出當(dāng)前甲烷氣體濃度值，與傳統(tǒng)方法相比，響應(yīng)時(shí)間大為縮短，提高了系統(tǒng)實(shí)用性。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說(shuō)明書(shū)附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的兩路鋸齒波電壓信號(hào)波形圖。

圖3是第一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)輸出的載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)波形圖。

圖4是第二個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)輸出的方波中的低電壓信號(hào)波形圖。

圖5是第三個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)輸出的方波中的高電壓信號(hào)波形圖。

圖6是驅(qū)動(dòng)電流與光源波長(zhǎng)的關(guān)系圖。

圖7是被測(cè)氣體甲烷濃度為0.00％時(shí)微分器輸出的波形圖。

圖8是被測(cè)氣體甲烷濃度為0.00％時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的波形圖。

圖9是被測(cè)氣體甲烷濃度為0.01％時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的波形圖。

圖10是被測(cè)氣體甲烷濃度為0.05％時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的波形圖。

圖11是被測(cè)氣體甲烷濃度為2.00％時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的波形圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說(shuō)明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說(shuō)明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說(shuō)明書(shū)中使用術(shù)語(yǔ)“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

圖1是本發(fā)明的偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，本發(fā)明的一種偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，包括：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，其與光源相連，用于產(chǎn)生載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)光源；所述光源還與溫控器相連，溫控器用于調(diào)節(jié)光源的工作溫度使其輸出光強(qiáng)度最高時(shí)，波長(zhǎng)恰好對(duì)準(zhǔn)甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)；

所述光源輸出的光信號(hào)傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)弱信號(hào)放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；弱信號(hào)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入微分器，所述微分器用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻域局部微分和頻域局部放大；

微分器的輸出分為兩路，第一路僅截取方波信號(hào)的低電壓信號(hào)，第二路僅截取方波信號(hào)的高電壓信號(hào)，這兩路信號(hào)分別輸入至低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理，再輸入至差分放大器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行差分放大；差分放大器的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)，由控制器對(duì)差分放大后的信號(hào)取積分后，得到甲烷氣體濃度。

驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器包括分別與控制器相連的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)、緩沖器和電流源。

所述控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別產(chǎn)生一路鋸齒波電壓信號(hào)；所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器分別與第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)相連，所述第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)與控制器相連，用于生成載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)。

其中，控制器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生兩路差值恒定的鋸齒波電壓信號(hào)，如圖2所示；控制器驅(qū)動(dòng)第一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，把兩路差值恒定的鋸齒波電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成1路載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)，如圖3所示。

所述第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)還依次串接有緩沖器和電流源，所述電流源與光源相連。電流源輸出載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生相同波形的光強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)的線性調(diào)制。

具體地，所述電流源輸出載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生相同波形的光強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)的線性調(diào)制，驅(qū)動(dòng)電流與光源波長(zhǎng)的關(guān)系如圖6所示。

所述光源輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器、反射式傳感探頭傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，所述環(huán)形器與反射式傳感探頭相連。

光源輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器傳輸?shù)椒瓷涫絺鞲刑筋^，光信號(hào)在探頭內(nèi)與被測(cè)氣體相互作用后再經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器。微分器的輸出分別通過(guò)第二單刀雙擲開(kāi)關(guān)和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)與相應(yīng)低通濾波器相連；所述第二單刀雙擲開(kāi)關(guān)和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別與控制器相連。

其中，控制器驅(qū)動(dòng)第二個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，截取微分器輸出的方波信號(hào)中的低電壓信號(hào)，如圖4所示；控制器驅(qū)動(dòng)第三個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)，截取微分器輸出的方波信號(hào)中的高電壓信號(hào)，如圖5所示。

所述微分器對(duì)放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行頻域局部微分和頻域局部放大，具體的講，是對(duì)低頻鋸齒波信號(hào)做微分處理，對(duì)高頻方波信號(hào)做放大處理，微分器輸出波形如圖7所示。

低通濾波器將兩路被截取的方波信號(hào)變換為兩路較平滑的曲線，輸出給差分放大器的兩個(gè)輸入端。

其中，所述差分放大器與控制器之間依次串接有抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

所述抗混疊濾波器配置為低通濾波器，使信號(hào)曲線更為平滑，去除高頻噪聲。

所述微分器是模擬微分器，僅當(dāng)輸入信號(hào)頻率在轉(zhuǎn)折頻率以下時(shí)起微分作用；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)，起放大作用。

所述微分器的轉(zhuǎn)折頻率由無(wú)源器件決定，并被配置為鋸齒波頻率和方波頻率的中間值。

基于如圖1所示的偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置，本發(fā)明還提供了一種檢測(cè)方法。

本發(fā)明的基于偽差分波長(zhǎng)調(diào)制光纖甲烷氣體濃度檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，包括：

步驟1：驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的第一單刀雙擲開(kāi)關(guān)產(chǎn)生載有高頻方波的鋸齒波電壓信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電流源。

其中，鋸齒波電壓信號(hào)的頻率為1hz，方波信號(hào)的頻率為1khz。在鋸齒波信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi)，該電壓信號(hào)表達(dá)式為：

其中，vs(t)表示驅(qū)動(dòng)電流源的電壓信號(hào)；vs1＝200mv，表示較低幅度的鋸齒波電壓信號(hào)；vs2＝210mv，表示較高幅度的鋸齒波電壓信號(hào)；vsm＝200mv，表示鋸齒波電壓信號(hào)變化范圍；t＝1ms表示高頻方波信號(hào)的周期；t表示時(shí)間，取值范圍是一個(gè)鋸齒波周期，即0≤t≤1s；k表示方波周期數(shù)，為整數(shù)，取值為0,1,2,3……,1000。

電流源的精密采樣電阻10歐姆，在鋸齒波信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi)，電流源輸出的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)為：

其中，isc(t)表示電流源輸出的電流信號(hào)；isc1＝20ma表示較低幅度的鋸齒波電流信號(hào)；isc2＝21ma表示較高幅度的鋸齒波電流信號(hào)；iscm＝20ma表示鋸齒波電流信號(hào)變化范圍。

光源輸出的光強(qiáng)變換曲線與電流源驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致，在鋸齒波信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi)，可以表示為：

其中，is(t)表示光源輸出強(qiáng)度；i1表示較低幅度的鋸齒波光強(qiáng)信號(hào)；i2表示較高幅度的鋸齒波光強(qiáng)信號(hào)；im表示鋸齒波光強(qiáng)信號(hào)變化范圍。

在每一個(gè)方波周期內(nèi)，前半周期光源輸出強(qiáng)度較低，后半周期光源輸出強(qiáng)度較高，但是較低光強(qiáng)與較高光強(qiáng)的差值，即i2-i1很小，不會(huì)影響光源波長(zhǎng)。

步驟2：與光源相連的溫控器調(diào)節(jié)光源的工作溫度使其輸出光強(qiáng)度最高時(shí)，波長(zhǎng)恰好對(duì)準(zhǔn)甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)。

例如：光源溫度設(shè)定為35℃，而且驅(qū)動(dòng)電流在20ma～40ma范圍內(nèi)變化時(shí)，可以近似認(rèn)為光源波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電流存在線性關(guān)系。所以，光源波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的曲線可以近似為沒(méi)有高頻方波的鋸齒波。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，光源波長(zhǎng)表達(dá)式為：

λ(t)＝λ0+λmt

其中，λ(t)表示光源波長(zhǎng)；λ0＝1643.5nm表示鋸齒波起始端對(duì)應(yīng)的光源波長(zhǎng)；λm＝2nm表示光源波長(zhǎng)變化范圍，而且λ0+λm恰好等于甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)1645.5nm。

步驟3：光源輸出的光信號(hào)傳輸至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)弱信號(hào)放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；弱信號(hào)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入微分器，由微分器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻域局部微分和頻域局部放大。

具體地，載有高頻方波的鋸齒波光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入反射式傳感探頭，與被測(cè)氣體相互作用后，再經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后經(jīng)過(guò)弱信號(hào)放大器，得到電壓信號(hào)。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，電壓信號(hào)表達(dá)式為：

其中vo(t)表示弱信號(hào)放大器輸出的電壓信號(hào)；v1表示較低幅度的鋸齒波電壓信號(hào)；v2表示較高幅度的鋸齒波電壓信號(hào)；vm表示鋸齒波電壓信號(hào)變化范圍；α(λ(t))表示光源波長(zhǎng)為λ(t)時(shí)，甲烷氣體對(duì)光信號(hào)的吸收系數(shù)；c為甲烷氣體濃度，即被測(cè)量；l＝40cm為反射式傳感探頭的有效光程，即被測(cè)氣體與光信號(hào)的作用距離；vn(t)表示信號(hào)鏈路損耗和其他環(huán)境因素對(duì)信號(hào)造成的衰減，是一個(gè)隨機(jī)量。

步驟4：微分器的輸出分為兩路，第一路僅截取方波信號(hào)的低電壓信號(hào)，第二路僅截取方波信號(hào)的高電壓信號(hào)，這兩路信號(hào)分別輸入至低通濾波器進(jìn)行低通濾波處理，再輸入至差分放大器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行差分放大；差分放大器的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)，由控制器對(duì)差分放大后的信號(hào)取積分后，得到甲烷氣體濃度。

該微分器是模擬微分器，僅當(dāng)輸入信號(hào)頻率在轉(zhuǎn)折頻率以下時(shí)起微分作用；當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于轉(zhuǎn)折頻率時(shí)，起放大作用。微分器的轉(zhuǎn)折頻率由無(wú)源器件決定，并被配置為鋸齒波頻率和方波頻率的中間值。所以，微分器的輸出僅包含高頻方波信號(hào)。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，微分器的輸出電壓信號(hào)為：

其中，vo(t)′表示微分器的輸出信號(hào)；v1′-vm＝1.5v表示微分器放大后的方波信號(hào)的低電平幅度；v2′-vm＝3.5v表示微分器放大后的方波信號(hào)的高電平幅度，并且：v2′-v1′＝g(v2-v1)，g＝10表示微分器對(duì)方波信號(hào)的增益，并且v2-v1＝0.2v，v2′-v1′＝2v；α(λ(t))′表示α(λ(t))的微分；vn(t)′表示vn(t)的微分。

微分器的輸出分為兩路，第一路僅截取方波信號(hào)的低電壓信號(hào)，第二路僅截取方波信號(hào)的高電壓信號(hào)。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)為：

其中，vspdt1(t)表示第1路信號(hào)；vspdt2(t)表示第2路信號(hào)。

由于方波頻率很高，所以對(duì)微分器輸出的兩路信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理后，可以得到兩條連續(xù)的曲線，曲線的形狀由各自方波的高電平信號(hào)決定。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)為：

vlpf1(t)＝v1′-vm-v1α(λ(t))′cl-vn(t)′

vlpf2(t)＝v2′-vm-v2α(λ(t))′cl-vn(t)′

其中，vlpf1(t)表示第1路低通濾波后的信號(hào)；vlpf2(t)表示第2路低通濾波后的信號(hào)。

對(duì)兩路低通濾波后的信號(hào)進(jìn)行差分放大。在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)為：

vdiff(t)＝a(v1′-v2′)-a(v1-v2)α(λ(t))′cl

其中，vdiff(t)表示差分放大后的信號(hào)；a＝2表示放大倍數(shù)。

對(duì)差分放大后的信號(hào)取積分，可以得到在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)，甲烷氣體濃度表示為：

其中，α(λ0+λm)為在鋸齒波結(jié)束端，光源波長(zhǎng)等于甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)時(shí)的吸收系數(shù)；α(λ0)為在鋸齒波起始端，光源波長(zhǎng)低于甲烷吸收譜線中心波長(zhǎng)時(shí)的吸收系數(shù)；可以由控制器對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)在鋸齒波的一個(gè)周期內(nèi)累加得到，從而計(jì)算得到甲烷氣體濃度值。

當(dāng)被測(cè)氣體不含有甲烷時(shí)，vdiff(t)波形如圖8所示。

當(dāng)被測(cè)氣體甲烷濃度0.01％時(shí)，vdiff(t)波形如圖9所示。

當(dāng)被測(cè)氣體甲烷濃度0.05％時(shí)，vdiff(t)波形如圖10所示。

當(dāng)被測(cè)氣體甲烷濃度2.00％時(shí)，vdiff(t)波形如圖11所示。

本發(fā)明采用載有高頻方波的鋸齒波電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源，通過(guò)微分器去除鋸齒波信號(hào)，然后利用第二和第三單刀雙擲開(kāi)關(guān)得到兩路差分信號(hào)，利用差分原理實(shí)現(xiàn)甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比，兩路差分信號(hào)經(jīng)過(guò)的信號(hào)鏈路完全一致，檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)不存在任何差異，提高了檢測(cè)精度。

本發(fā)明利用驅(qū)動(dòng)電流對(duì)光源波長(zhǎng)的影響，采用鋸齒波作為調(diào)制信號(hào)，得到波長(zhǎng)的線性變化，配合微分器和控制器的積分運(yùn)算，得到甲烷氣體濃度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法未考慮驅(qū)動(dòng)電流變化對(duì)光源波長(zhǎng)產(chǎn)生影響的不足，進(jìn)一步提高了檢測(cè)精度。

本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的鋸齒波調(diào)制、方波調(diào)制和微分器、積分運(yùn)算等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了甲烷氣體濃度的高精度測(cè)量，與傳統(tǒng)方法相比，極大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。

本發(fā)明在控制器得到數(shù)字信號(hào)后，只需要進(jìn)行積分運(yùn)算就可以得出當(dāng)前甲烷氣體濃度值，與傳統(tǒng)方法相比，響應(yīng)時(shí)間大為縮短，提高了系統(tǒng)實(shí)用性。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。