一種基于tdlas的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于近紅外光譜檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度和濕度是描述環(huán)境條件的重要參數(shù)，航空航天、紡織、食品、醫(yī)藥、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)對溫濕度的要求都非常嚴(yán)格，對環(huán)境的相對濕度進行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測具有重要的意義。
[0003]對于環(huán)境濕度的監(jiān)測，目前常見的是接觸式濕度傳感器，這類傳感器直接暴露在待測環(huán)境中，利用濕敏元件的電位變化進行濕度測量，在常規(guī)環(huán)境下可實現(xiàn)相對濕度準(zhǔn)確、可靠監(jiān)測。然而，當(dāng)待測環(huán)境含有腐蝕性介質(zhì)時，濕敏元件易被腐蝕而導(dǎo)致電位變化不靈敏甚至失效，存在壽命短、穩(wěn)定性差等缺點。
[0004]近年來，光電式濕度傳感器受到極大關(guān)注，光電技術(shù)的應(yīng)用解決了濕敏元件易被腐蝕和污染的問題，實現(xiàn)了濕度傳感器的非接觸檢測和腐蝕條件檢測?？烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable D1de Laser Absorpt1n Spectroscopy, TDLAS)技術(shù)是光譜檢測技術(shù)的一種，該技術(shù)利用特定的氣體分子對特定的紅外光譜產(chǎn)生吸收這一特點，把光的吸收譜線與氣體濃度聯(lián)系起來，根據(jù)諧波信號與氣體濃度的相關(guān)性進行檢測，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、適用范圍廣等特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服接觸式濕度傳感器的不足之處，提供一種基于TDLAS技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸的檢測方式，可實現(xiàn)腐蝕性環(huán)境溫度和相對濕度的在線、準(zhǔn)確、可靠監(jiān)測。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于TDLAS的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，由光源系統(tǒng)、在線監(jiān)測式氣室和接收與處理系統(tǒng)組成，光源系統(tǒng)包括激光器、激光準(zhǔn)直器和激光器驅(qū)動單元，激光器驅(qū)動單元產(chǎn)生波長驅(qū)動信號并送入與其連接的激光器，使激光器輸出的近紅外波長能夠完整掃描水蒸氣在選定波長附近的吸收峰，激光器輸出的近紅外光通過光纖送入激光準(zhǔn)直器進行準(zhǔn)直處理后進入在線監(jiān)測式氣室；在線監(jiān)測式氣室包括信號連接區(qū)和暴露區(qū)，信號連接區(qū)放置于待測環(huán)境外，區(qū)內(nèi)設(shè)有激光準(zhǔn)直器和航插，分別用于光信號傳入暴露區(qū)和監(jiān)測信號從暴露區(qū)傳出，暴露區(qū)放置于待測環(huán)境內(nèi)，區(qū)內(nèi)設(shè)有光電探測器和溫度傳感器，準(zhǔn)直后的近紅外光在暴露區(qū)內(nèi)被待測環(huán)境吸收，然后通過光電探測器轉(zhuǎn)變?yōu)楹袧穸刃畔⒌碾娦盘?，溫度傳感器設(shè)置在暴露區(qū)的外壁上，用于監(jiān)測待測環(huán)境溫度，含濕度信息的電信號和溫度監(jiān)測信號通過電線由航插傳入接收與處理系統(tǒng)；接收與處理系統(tǒng)包括前置放大器、鎖相放大器和數(shù)據(jù)采集與處理單元，濕度監(jiān)測信號經(jīng)前置放大器放大后進入鎖相放大器進行信號解調(diào)，獲得一次諧波信號后送入數(shù)據(jù)采集與處理單元，根據(jù)諧波信號的峰值與水氣含量的線性對應(yīng)關(guān)系，計算出待測環(huán)境的相對濕度，并將相對濕度值和溫度值傳回上位機進行顯示和保存。
[0007]進一步的，所述的激光器為可調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體波長激光器，中心波長為1370mm，激光器安裝在具有溫度傳感器和半導(dǎo)體熱電制冷器TEC的蝶形封裝底座上，通過對TEC的驅(qū)動電流進行控制，實現(xiàn)對激光器的恒溫控制。
[0008]進一步的，所述的激光器驅(qū)動單元包括溫度控制器和電流控制器，溫度控制器向TEC提供驅(qū)動電流以實現(xiàn)激光器的溫度控制，電流控制器向激光器提供波長驅(qū)動信號，波長驅(qū)動信號包含低頻三角波信號和高頻正弦波信號，分別用于波長的掃描和調(diào)制；同時，激光器驅(qū)動單元產(chǎn)生和高頻正弦波同頻的正弦波或方波作為鎖相放大器的參考信號。
[0009]進一步的，所述的在線監(jiān)測式氣室采用快裝式的結(jié)構(gòu)，信號連接區(qū)設(shè)有快裝卡盤，可通過卡箍和設(shè)置在待測環(huán)境外壁的快裝卡盤進行快速安裝和拆卸；卡盤之間設(shè)有墊片，保證卡盤連接的密閉性；暴露區(qū)采用中空圓柱形設(shè)計，外壁開孔，保證近紅外光充分暴露在待測環(huán)境中；氣室采用不銹鋼材質(zhì)制作。
[0010]進一步的，所述的鎖相放大器由信號通道、參考通道、相敏檢波器和低通濾波器組成，信號通道將經(jīng)過前置放大器的測量信號進行濾波處理，擴大系統(tǒng)動態(tài)范圍，然后送入相敏檢波器；參考通道將激光器驅(qū)動單元產(chǎn)生的同頻參考信號調(diào)整為合適的相位，然后送入相敏檢波器；相敏檢波器將測量信號和參考信號進行乘法運算；低通濾波器將信號的交流部分濾除，保留直流部分，從而完成一次諧波信號的提取和噪聲的抑制。
[0011]進一步的，所述的數(shù)據(jù)采集與處理單元包含水在不同溫度下的飽和水氣含量數(shù)據(jù)，一次諧波信號送入數(shù)據(jù)采集與處理單元后，根據(jù)信號幅值與水氣含量的線性對應(yīng)關(guān)系，獲取待測環(huán)境中的水氣含量；通過溫度傳感器獲取待測環(huán)境的溫度，進而計算該溫度下的飽和水氣含量；將待測環(huán)境的水氣含量和飽和水氣含量的比值作為待測環(huán)境的相對濕度，并將環(huán)境的相對濕度和溫度信息由數(shù)據(jù)采集與處理單元傳至上位機進行顯示與保存。
[0012]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0013]本發(fā)明基于TDLAS技術(shù)進行環(huán)境濕度的監(jiān)測，采用非接觸的測量方式，解決了接觸式濕敏元件在腐蝕性環(huán)境中易被污染、壽命短的問題，選用的激光器波長范圍與水蒸氣吸收光譜相符合，電路設(shè)計合理，穩(wěn)定性好，可在腐蝕性等惡劣環(huán)境中完成溫度和相對濕度的在線、準(zhǔn)確、可靠監(jiān)測。
[0014]本發(fā)明改變了常規(guī)光譜吸收技術(shù)將待測氣體通入氣室進行檢測的方式，采用了在線監(jiān)測式氣室，直接利用快裝式的結(jié)構(gòu)將氣室暴露區(qū)置于待測環(huán)境中，避免了待測環(huán)境和氣室間的循環(huán)線路及其帶來的誤差，實現(xiàn)了環(huán)境溫濕度的在線監(jiān)測，操作方便，準(zhǔn)確度高。
[0015]本發(fā)明采用了多種方法降低測量誤差:利用鎖相放大器進行諧波信號的提取和噪聲的抑制；對一次諧波信號進行起始點對齊、粗大誤差剔除、多周期平均等預(yù)處理減小測量誤差等。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為圖1中鎖相放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]其中:1光源系統(tǒng)，2在線監(jiān)測式氣室，3接收與處理系統(tǒng)，11激光器，12激光準(zhǔn)直器，13激光器驅(qū)動單元，21信號連接區(qū)，22暴露區(qū)，23航插，24光電探測器，25溫度傳感器，31前置放大器，32鎖相放大器，33數(shù)據(jù)采集與處理單元。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述，并非對其保護范圍的限制。
[0020]如圖1所示，一種基于TDLAS的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，由光源系統(tǒng)1、在線監(jiān)測式氣室2和接收與處理系統(tǒng)3組成，
[0021]光源系統(tǒng)I包括激光器11、激光準(zhǔn)直器12和激光器驅(qū)動單元13。激光器11選用四川騰光公司的可調(diào)諧分布反饋式半導(dǎo)體波長激光器，激光器11中心波長為1370nm，與水蒸氣的特征吸收譜線位置相符。激光器11配有具有溫度傳感器和半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)的14針蝶形封裝底座，通過對TEC的驅(qū)動電流進行控制，實現(xiàn)對激光器11的恒溫控制，保證輸出波長不受溫度波動的影響。由于激光器11在發(fā)射激光時激光光束并非相互平行而是有一定的發(fā)散角，因此，需要對激光進行準(zhǔn)直處理，激光準(zhǔn)直器12選擇了 LightPath公司的355110系列產(chǎn)品對激光進行準(zhǔn)直處理。激光器驅(qū)動單元13包括溫度控制器和電流控制器，溫度控制器為基于MAX1968芯片的TEC溫控電路，向TEC提供驅(qū)動電流以實現(xiàn)激光器的溫度控制；電流控制器由基于ARM的STM32F103RCT6微處理器和ALTERA系列的CPLDEPM1270芯片生成不同頻率的數(shù)字正弦信號和三角波信號，再由基于DAC904芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡娏餍盘栕鳛椴ㄩL驅(qū)動信號使用。波長驅(qū)動信號由兩部分組成:一部分為低頻三角波信號，信號頻率范圍為10-50HZ，用來連續(xù)調(diào)節(jié)激光器11的注入電流大小，使激光器11產(chǎn)生的紅外光波長能夠全面掃過水蒸氣的特征吸收譜線；另一部分為高頻正弦波信號，信號頻率范圍為1-50KHZ，用來對輸出的吸收信號進行調(diào)制，以降低低頻背景噪聲的影響。同時，EPM1270芯片生成和高頻正弦波同頻的正弦波作為鎖相放大器32的參考信號。
[0022]在線監(jiān)測式氣室2采用快裝式的結(jié)構(gòu)，包括信號連接區(qū)21和暴露區(qū)22。信號連接區(qū)21放置于待測環(huán)境外，區(qū)內(nèi)設(shè)有激光準(zhǔn)直器12和航插23，分別用于光信號傳入暴露區(qū)22和監(jiān)測信號從暴露區(qū)22傳出，此外，信號連接區(qū)還設(shè)有快裝卡盤，可通過卡箍和設(shè)置在待測環(huán)境外壁的快裝卡盤進行快速安裝和拆卸，卡盤之間設(shè)有墊片，保證卡盤連接的密閉性；暴露區(qū)22放置于待測環(huán)境內(nèi)，采用中空圓柱形設(shè)計，圓柱形外壁設(shè)有2個長方形孔，保證近紅外光充分暴露在待測環(huán)境中，區(qū)內(nèi)設(shè)有光電探測器24和溫度傳感器25，其中光電探測器24選用InGaAs光電二極管，響應(yīng)波長范圍為1100nm-2500nm，能夠適應(yīng)較寬的長波近紅外光譜，感光面直徑為0.5mm，能夠有效探測較大光斑，溫度傳感器25選用ADT7420高精度數(shù)字溫度傳感器，精度為±0.25°C，安裝在暴露區(qū)22外壁上，用于監(jiān)測待測環(huán)境溫度；氣室采用S31603耐腐蝕性不銹鋼制作。
[0023]接收與處理系統(tǒng)3包括前置放