2 DSP芯片的輸出端還連接有聲光報(bào)警器，用于對超過報(bào)警閾值的氣體濃度進(jìn)行聲光報(bào)警；
[0036]模擬PID器件8由比例電路、積分電路和微分電路組成，其參數(shù)設(shè)置由湊試法確定，用于將誤差信號轉(zhuǎn)化為反饋控制信號；
[0037]信號發(fā)生器件6為單片機(jī)61的輸出端分接二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器62、正弦數(shù)字信號發(fā)生器63和三角波數(shù)字信號發(fā)生器64的輸入端，正弦數(shù)字信號發(fā)生器63和三角波數(shù)字信號發(fā)生器64的輸出端均經(jīng)加法器65后接加法器件15，二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器62的輸出端接鎖相放大器件9中的乘法器92，用于產(chǎn)生激光器I的調(diào)制信號和鎖相放大器件9的解調(diào)信號；
[0038]加法器件15的輸出端與溫度電流控制部件5的輸入端電連接。
[0039]參見圖1、圖2和圖3，基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置的鎖定方法如下，其中，頻率鎖定裝置的鎖定過程為:
[0040]信號發(fā)生器件6中的單片機(jī)61通過串行外設(shè)接口分別將二倍頻正弦波、正弦波、三角波的頻率相位信息寫入二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器62、正弦數(shù)字信號發(fā)生器63和三角波數(shù)字信號發(fā)生器64。其中的二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器62的二倍頻正弦波被輸出至鎖相放大器件9中的乘法器92，用于實(shí)現(xiàn)二次諧波信號的解調(diào)；正弦數(shù)字信號發(fā)生器63的正弦波和三角波數(shù)字信號發(fā)生器64的三角波經(jīng)加法器65疊加為合成調(diào)制波。此合成調(diào)制波與運(yùn)算放大器件7的輸出經(jīng)加法器件15后，送入溫度電流控制部件5的電流控制器52，實(shí)現(xiàn)對激光器I的調(diào)制。
[0041]InGaAs光電探測器將接收到的含氣體吸收信息的反射光信號轉(zhuǎn)換為電信號后，通過鎖相放大器件9的前置放大器91輸入到乘法器92，與二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器62送來的二倍頻正弦波信號進(jìn)行乘法運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)由低通濾波器93濾除高頻信號后得到氣體吸收的二次諧波信號。該解調(diào)出的二次諧波信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析器件10中的12位A/D變換器后，轉(zhuǎn)換為DSP芯片所能處理的數(shù)字信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析器件10中的單片機(jī)計(jì)算出氣體的濃度和穩(wěn)頻所需的誤差信號。該誤差信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集分析器件10中的D/A變換器后，轉(zhuǎn)換為模擬量的電壓信號送至模擬PID器件8，得到反饋控制信號。此反饋控制信號經(jīng)運(yùn)算放大器件7、加法器件15和電流控制器52后，施加至激光器1，實(shí)現(xiàn)對激光器I的穩(wěn)頻。
[0042]頻率鎖定方法的鎖定過程為:
[0043]當(dāng)注入激光器I的工作電流與設(shè)定的工作溫度保持不變時(shí)，激光器I的輸出頻率保持穩(wěn)定，即在上升沿與下降沿上的二次諧波信號峰與峰之間的間距Ad保持固定。當(dāng)激光器I長時(shí)間地連續(xù)運(yùn)行時(shí)，激光器I的輸出頻率受溫度、濕度、震動(dòng)等的影響會(huì)產(chǎn)生頻率的漂移，特別是外界環(huán)境溫度的變化對激光器I輸出頻率的影響尤為嚴(yán)重，可使激光頻率遠(yuǎn)離吸收峰。為此，本發(fā)明的方法為先對激光器的工作電流采用三角波疊加正弦波的調(diào)制方法，再由接收的散射光信號中解調(diào)出其上升沿與下降沿均含有氣體吸收的二次諧波信號，隨后，先將該上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個(gè)吸收峰之間的間距作為變量值，再將設(shè)定的頻率穩(wěn)定精度值與變量值之間的差值作為反饋控制所需的誤差信號，通過對激光器工作電流的控制，將激光器輸出頻率穩(wěn)定在所需的吸收峰上。
[0044]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置及其鎖定方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，包括其輸入端與溫度電流控制部件(5)電連接、輸出端與光纖(13)連接的激光器(I)，以及光纖(13)的另一端連接有置于散射光收集透鏡(3)中心處的準(zhǔn)直光纖(2)和散射光收集透鏡(3)焦點(diǎn)處置有其輸出端電連接頻率穩(wěn)定部件(16)輸入端的光電探測器(4)，其特征在于: 所述頻率穩(wěn)定部件(16)含有依次串接的鎖相放大器件(9)、數(shù)據(jù)采集分析器件(10)、模擬PID器件(8)、運(yùn)算放大器件(7)和加法器件(15)，以及其輸出端分接鎖相放大器件(9)和加法器件(15)的信號發(fā)生器件(6)，用于調(diào)制激光器⑴的輸出和由接收的含氣體吸收信息的散射光信號中解調(diào)并得出穩(wěn)頻所需的反饋控制信號，以將激光器(I)的輸出頻率穩(wěn)定在特定的吸收峰上，其中， 所述鎖相放大器件(9)由串接的前置放大器(91)、乘法器(92)和低通濾波器(93)組成，用于從光電探測器(4)輸出的散射光信號中解調(diào)出氣體吸收的二次諧波信號； 所述數(shù)據(jù)采集分析器件(10)為帶有A/D和D/A變換的單片機(jī)，用于采集鎖相放大器件(9)輸出的氣體吸收的二次諧波信號后，將其變換為數(shù)字信號，并計(jì)算出氣體的濃度和穩(wěn)頻所需的誤差信號； 所述模擬PID器件(8)由比例電路、積分電路和微分電路組成，其參數(shù)設(shè)置由湊試法確定，用于將誤差信號轉(zhuǎn)化為反饋控制信號； 所述信號發(fā)生器件(6)為單片機(jī)(61)的輸出端分接二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器(62)、正弦數(shù)字信號發(fā)生器(63)和三角波數(shù)字信號發(fā)生器(64)的輸入端，正弦數(shù)字信號發(fā)生器(63)和三角波數(shù)字信號發(fā)生器(64)的輸出端均經(jīng)加法器(65)后接加法器件(15)，二倍頻正弦數(shù)字信號發(fā)生器(62)的輸出端接鎖相放大器件(9)中的乘法器(92)，用于產(chǎn)生激光器(I)的調(diào)制信號和鎖相放大器件(9)的解調(diào)信號； 加法器件(15)的輸出端與溫度電流控制部件(5)的輸入端電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，其特征是溫度電流控制部件(5)由溫度控制器(51)和電流控制器(52)組成，用于將來自頻率穩(wěn)定部件(16)的穩(wěn)頻反饋控制信號施加于激光器(I)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，其特征是激光器(I)為分布反饋式半導(dǎo)體激光器，或量子級聯(lián)激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，其特征是光電探測器⑷為InGaAs光電探測器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，其特征是作為數(shù)據(jù)采集分析器件(10)的帶有A/D和D/A變換的單片機(jī)為TI公司的TMS320-F2812DSP芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置，其特征是數(shù)據(jù)采集分析器件(10)的輸出端連接有聲光報(bào)警器，用于對超過報(bào)警閾值的氣體濃度進(jìn)行聲光報(bào)警。
7.—種權(quán)利要求1所述基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置的鎖定方法，包括對激光器發(fā)光的調(diào)制、接收光電探測器的信號和對其進(jìn)行處理，其特征在于完成步驟如下: 對激光器的工作電流采用三角波疊加正弦波的調(diào)制方法； 由接收的散射光信號中解調(diào)出其上升沿與下降沿均含有氣體吸收的二次諧波信號； 將該上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個(gè)吸收峰之間的間距作為變量值； 將設(shè)定的頻率穩(wěn)定精度值與變量值之間的差值作為反饋控制所需的誤差信號，通過對激光器工作電流的控制，將激光器輸出頻率穩(wěn)定在所需的吸收峰上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于可調(diào)諧激光吸收光譜的頻率鎖定裝置及其鎖定方法。裝置包括激光器(1)、光纖(13)、準(zhǔn)直光纖(2)、散射光收集透鏡(3)、光電探測器(4)、溫度電流控制部件(5)和頻率穩(wěn)定部件(16)，特別是頻率穩(wěn)定部件(16)含有依次串接的鎖相放大器件(9)、數(shù)據(jù)采集分析器件(10)、模擬PID器件(8)、運(yùn)算放大器件(7)和加法器件(15)，以及信號發(fā)生器件(6)；方法為對激光器采用三角波疊加正弦波的調(diào)制和由接收的含氣體吸收信息的散射光信號中的上升沿和下降沿產(chǎn)生的兩個(gè)吸收峰之間的間距作為變量值，得出穩(wěn)頻反饋控制信號，將頻率穩(wěn)定在特定吸收峰上。它可廣泛用于通過激光光譜技術(shù)來探測大氣中物質(zhì)的成分及其含量。
【IPC分類】G01N21-39
【公開號】CN104655588
【申請?zhí)枴緾N201510085543
【發(fā)明人】汪磊, 梅教旭, 談圖, 劉錕, 高曉明
【申請人】中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月16日