CN107121400B - 一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置及方法 - Google Patents
一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置及方法，其中该装置包括驱动信号发生器，其与光源相连；光源还与温控器相连；光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，所述微分器用于对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
Description
技术领域
本发明属于气体检测领域，尤其涉及一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置及方法。
背景技术
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。
目前的检测光纤甲烷气体浓度的方法是一种基于光谱吸收的光学方法，其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。
当一束光强为I0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(λ)与输入光强I0(λ)、气体浓度C之间的关系为：
其中，αλ是甲烷气体在光波长为λ时的吸收系数，L是吸收路径的长度。
由式(2-1)可得：
当光信号波长λ恒定时，αλ是一个常数，L可以测量得到。所以，通过检测I0(λ)和I(λ)就可以得到甲烷气体浓度。
在使用光谱吸收原理检测甲烷气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：光源的功率和波长漂移、光信号链路耦合处耦合状态的变化、环境噪声、光电器件指标漂移等。为了克服这些随机因素对检测精度的影响，现有技术中，普遍采用的方法主要有差分吸收检测方法和谐波检测方法。
其中，差分吸收检测方法的基本原理是：光源发出的光被分成两路，一路带有甲烷气体的浓度信息，作为检测信号；另一路带有未经甲烷气体吸收的信息，作为参考信号。采用单波长双光路或者双波长单光路的结构，利用差分原理实现甲烷气体浓度的高精度测量。这种方法可以在一定程度上消除光源功率漂移、环境噪声、光电器件指标漂移等因素的不利影响，但仍存在许多不足：
(1)检测信号链路和参考信号链路存在一定的差异，随机噪声也不一致，会影响检测精度。
(2)针对宽带光源，检测精度低。差分吸收检测方法最初主要应用于宽带光源，使用不同中心波长的光栅或者滤光片得到需要的两种波长的光信号。但是宽带光源在某个特定波长的光功率很小，经过信号链路、传感探头、甲烷气体返回后的光功率更小，信噪比较低，导致检测精度比较低。
(3)针对窄带光源，实现技术难度大。随着功率更大、稳定性更好的单波长窄带光源应用越来越广泛，差分吸收检测方法也开始应用于窄带光源，通过改变窄带激光器驱动电流的大小得到两种波长的光信号。当激光器驱动电流改变时，随着波长的改变，其输出功率也产生变化，所以通过调节电流比率和光路的手段实现该检测方法应用的必要条件I0(λ1)K(λ1)＝I0(λ2)K(λ2)，在技术实现上非常困难。
谐波检测方法可以消除光源功率漂移等共模噪声带来的干扰，但是也存在如下不足：
(1)技术实现难度大。为了获得高精度的测量结果，谐波检测方法在信号链路中要用到倍频器、锁相放大器、积分器，在算法处理过程中要用到傅里叶变换、除法算法，以及为了对准甲烷气体吸收谱线中心波长的解析分析算法和补偿偏差算法，技术实现难度很大。
(2)响应时间长。谐波检测方法的算法处理过于复杂，为了得到足够多的时域数据，需要较长的处理周期，牺牲了检测的单次响应时间。而响应时间在多数甲烷气体浓度检测的应用领域，例如煤矿安全生产领域，是同检测精度一样重要的技术指标。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，本发明利用锯齿波调制、方波调制和微分器、积分运算等技术手段，实现了甲烷气体浓度的高精度测量。
本发明的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，包括：
驱动信号发生器，其与光源相连，用于产生载有高频方波的锯齿波电流信号来驱动光源；所述光源还与温控器相连，温控器用于调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长；
所述光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，所述微分器用于对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
进一步的，所述驱动信号发生器包括分别与控制器相连的第一数模转换器和第二数模转换器、第一单刀双掷开关、缓冲器和电流源。
所述控制器同时驱动第一数模转换器和第二数模转换器分别产生一路锯齿波电压信号；所述第一数模转换器和第二数模转换器分别与第一单刀双掷开关相连，所述第一单刀双掷开关与控制器相连，用于生成载有高频方波的锯齿波电压信号。
其中，控制器同时驱动两个数模转换器，产生两路差值恒定的锯齿波电压信号；控制器驱动第一单刀双掷开关，把两路差值恒定的锯齿波电压信号转换成1路载有高频方波的锯齿波电压信号。
进一步的，所述第一单刀双掷开关还依次串接有缓冲器和电流源，所述电流源与光源相连。电流源输出载有高频方波的锯齿波电流信号，驱动光源产生相同波形的光强信号，同时实现光源波长的线性调制。
进一步的，所述光源输出的光信号经过环形器、反射式传感探头传输至光电探测器转换为电流信号，所述环形器与反射式传感探头相连。
具体的讲，光源输出的光信号经过环形器传输到反射式传感探头，光信号在探头内与被测气体相互作用后再经过环形器进入光电探测器。
进一步的，微分器的输出分别通过第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关与相应低通滤波器相连；所述第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关分别与控制器相连。
其中，控制器驱动第二单刀双掷开关，截取微分器输出的方波信号中的低电压信号；控制器驱动第三单刀双掷开关，截取微分器输出的方波信号中的高电压信号。
低通滤波器将两路被截取的方波信号变换为两路较平滑的曲线，输出给差分放大器的两个输入端。
进一步的，所述差分放大器与控制器之间依次串接有抗混叠滤波器和模数转换器。
进一步的，所述抗混叠滤波器配置为低通滤波器，使信号曲线更为平滑，去除高频噪声。
进一步的，所述微分器是模拟微分器，仅当输入信号频率在转折频率以下时起微分作用；当输入信号频率高于转折频率时，起放大作用。
进一步的，所述微分器的转折频率由无源器件决定，并被配置为锯齿波频率和方波频率的中间值。
本发明还提供了一种基于伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置的检测方法。
本发明的基于伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置的检测方法，包括：
驱动信号发生器产生载有高频方波的锯齿波电流信号来驱动光源；
与光源相连的温控器调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长；
光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，由微分器对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用载有高频方波的锯齿波电流信号驱动光源，通过微分器去除锯齿波信号，然后利用第二和第三单刀双掷开关得到两路差分信号，利用差分原理实现甲烷气体浓度的高精度测量。与传统方法相比，两路差分信号经过的信号链路完全一致，检测信号和参考信号不存在任何差异，提高了检测精度。
(2)本发明利用驱动电流对光源波长的影响，采用锯齿波作为调制信号，得到波长的线性变化，配合微分器和控制器的积分运算，得到甲烷气体浓度，弥补了传统方法未考虑驱动电流变化对光源波长产生影响的不足，进一步提高了检测精度。
(3)本发明利用简单的锯齿波调制、方波调制和微分器、积分运算等技术手段，实现了甲烷气体浓度的高精度测量，与传统方法相比，极大降低了系统复杂度和成本。
(4)本发明在控制器得到数字信号后，只需要进行积分运算就可以得出当前甲烷气体浓度值，与传统方法相比，响应时间大为缩短，提高了系统实用性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置结构图。
图2是数模转换器输出的两路锯齿波电压信号波形图。
图3是第一个单刀双掷开关输出的载有高频方波的锯齿波电压信号波形图。
图4是第二个单刀双掷开关输出的方波中的低电压信号波形图。
图5是第三个单刀双掷开关输出的方波中的高电压信号波形图。
图6是驱动电流与光源波长的关系图。
图7是被测气体甲烷浓度为0.00％时微分器输出的波形图。
图8是被测气体甲烷浓度为0.00％时模数转换器输入的波形图。
图9是被测气体甲烷浓度为0.01％时模数转换器输入的波形图。
图10是被测气体甲烷浓度为0.05％时模数转换器输入的波形图。
图11是被测气体甲烷浓度为2.00％时模数转换器输入的波形图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置结构图。
如图1所示，本发明的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，包括：
驱动信号发生器，其与光源相连，用于产生载有高频方波的锯齿波电流信号来驱动光源；所述光源还与温控器相连，温控器用于调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长；
所述光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，所述微分器用于对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
驱动信号发生器包括分别与控制器相连的第一数模转换器和第二数模转换器、第一单刀双掷开关、缓冲器和电流源。
所述控制器同时驱动第一数模转换器和第二数模转换器分别产生一路锯齿波电压信号；所述第一数模转换器和第二数模转换器分别与第一单刀双掷开关相连，所述第一单刀双掷开关与控制器相连，用于生成载有高频方波的锯齿波电压信号。
其中，控制器同时驱动两个数模转换器，产生两路差值恒定的锯齿波电压信号，如图2所示；控制器驱动第一个单刀双掷开关，把两路差值恒定的锯齿波电压信号转换成1路载有高频方波的锯齿波电压信号，如图3所示。
所述第一单刀双掷开关还依次串接有缓冲器和电流源，所述电流源与光源相连。电流源输出载有高频方波的锯齿波电流信号，驱动光源产生相同波形的光强信号，同时实现光源波长的线性调制。
具体地，所述电流源输出载有高频方波的锯齿波电流信号，驱动光源产生相同波形的光强信号，同时实现光源波长的线性调制，驱动电流与光源波长的关系如图6所示。
所述光源输出的光信号经过环形器、反射式传感探头传输至光电探测器转换为电流信号，所述环形器与反射式传感探头相连。
光源输出的光信号经过环形器传输到反射式传感探头，光信号在探头内与被测气体相互作用后再经过环形器进入光电探测器。微分器的输出分别通过第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关与相应低通滤波器相连；所述第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关分别与控制器相连。
其中，控制器驱动第二个单刀双掷开关，截取微分器输出的方波信号中的低电压信号，如图4所示；控制器驱动第三个单刀双掷开关，截取微分器输出的方波信号中的高电压信号，如图5所示。
所述微分器对放大后的电压信号进行频域局部微分和频域局部放大，具体的讲，是对低频锯齿波信号做微分处理，对高频方波信号做放大处理，微分器输出波形如图7所示。
低通滤波器将两路被截取的方波信号变换为两路较平滑的曲线，输出给差分放大器的两个输入端。
其中，所述差分放大器与控制器之间依次串接有抗混叠滤波器和模数转换器。
所述抗混叠滤波器配置为低通滤波器，使信号曲线更为平滑，去除高频噪声。
所述微分器是模拟微分器，仅当输入信号频率在转折频率以下时起微分作用；当输入信号频率高于转折频率时，起放大作用。
所述微分器的转折频率由无源器件决定，并被配置为锯齿波频率和方波频率的中间值。
基于如图1所示的伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，本发明还提供了一种检测方法。
本发明的基于伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置的检测方法，包括：
步骤1：驱动信号发生器的第一单刀双掷开关产生载有高频方波的锯齿波电压信号来驱动电流源。
其中，锯齿波电压信号的频率为1Hz，方波信号的频率为1kHz。在锯齿波信号的1个周期内，该电压信号表达式为：
其中，Vs(t)表示驱动电流源的电压信号；Vs1＝200mV，表示较低幅度的锯齿波电压信号；Vs2＝210mV，表示较高幅度的锯齿波电压信号；Vsm＝200mV，表示锯齿波电压信号变化范围；T＝1ms表示高频方波信号的周期；t表示时间，取值范围是一个锯齿波周期，即0≤t≤1s；k表示方波周期数，为整数，取值为0,1,2,3……,1000。
电流源的精密采样电阻10欧姆，在锯齿波信号的1个周期内，电流源输出的光源驱动信号为：
其中，Isc(t)表示电流源输出的电流信号；Isc1＝20mA表示较低幅度的锯齿波电流信号；Isc2＝21mA表示较高幅度的锯齿波电流信号；Iscm＝20mA表示锯齿波电流信号变化范围。
光源输出的光强变换曲线与电流源驱动信号一致，在锯齿波信号的1个周期内，可以表示为：
其中，Is(t)表示光源输出强度；I1表示较低幅度的锯齿波光强信号；I2表示较高幅度的锯齿波光强信号；Im表示锯齿波光强信号变化范围。
在每一个方波周期内，前半周期光源输出强度较低，后半周期光源输出强度较高，但是较低光强与较高光强的差值，即I2-I1很小，不会影响光源波长。
步骤2：与光源相连的温控器调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长。
例如：光源温度设定为35℃，而且驱动电流在20mA～40mA范围内变化时，可以近似认为光源波长与驱动电流存在线性关系。所以，光源波长随时间变化的曲线可以近似为没有高频方波的锯齿波。在锯齿波的一个周期内，光源波长表达式为：
λ(t)＝λ0+λmt
其中，λ(t)表示光源波长；λ0＝1643.5nm表示锯齿波起始端对应的光源波长；λm＝2nm表示光源波长变化范围，而且λ0+λm恰好等于甲烷吸收谱线中心波长1645.5nm。
步骤3：光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，由微分器对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大。
具体地，载有高频方波的锯齿波光信号经过环形器进入反射式传感探头，与被测气体相互作用后，再经过环形器进入光电探测器，转换为电流信号后经过弱信号放大器，得到电压信号。在锯齿波的一个周期内，电压信号表达式为：
其中Vo(t)表示弱信号放大器输出的电压信号；V1表示较低幅度的锯齿波电压信号；V2表示较高幅度的锯齿波电压信号；Vm表示锯齿波电压信号变化范围；α(λ(t))表示光源波长为λ(t)时，甲烷气体对光信号的吸收系数；C为甲烷气体浓度，即被测量；L＝40cm为反射式传感探头的有效光程，即被测气体与光信号的作用距离；Vn(t)表示信号链路损耗和其他环境因素对信号造成的衰减，是一个随机量。
步骤4：微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
该微分器是模拟微分器，仅当输入信号频率在转折频率以下时起微分作用；当输入信号频率高于转折频率时，起放大作用。微分器的转折频率由无源器件决定，并被配置为锯齿波频率和方波频率的中间值。所以，微分器的输出仅包含高频方波信号。在锯齿波的一个周期内，微分器的输出电压信号为：
其中，Vo(t)′表示微分器的输出信号；V1′-Vm＝1.5V表示微分器放大后的方波信号的低电平幅度；V2′-Vm＝3.5V表示微分器放大后的方波信号的高电平幅度，并且：V2′-V1′＝G(V2-V1)，G＝10表示微分器对方波信号的增益，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。
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号。在锯齿波的一个周期内，信号为：
其中，VSPDT1(t)表示第1路信号；VSPDT2(t)表示第2路信号。
由于方波频率很高，所以对微分器输出的两路信号进行低通滤波处理后，可以得到两条连续的曲线，曲线的形状由各自方波的高电平信号决定。在锯齿波的一个周期内，信号为：
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路低通滤波后的信号；VLPF2(t)表示第2路低通滤波后的信号。
对两路低通滤波后的信号进行差分放大。在锯齿波的一个周期内，信号为：
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号；A＝2表示放大倍数。
对差分放大后的信号取积分，可以得到在锯齿波的一个周期内，甲烷气体浓度表示为：
其中，α(λ0+λm)为在锯齿波结束端，光源波长等于甲烷吸收谱线中心波长时的吸收系数；α(λ0)为在锯齿波起始端，光源波长低于甲烷吸收谱线中心波长时的吸收系数；
可以由控制器对采集的数字信号在锯齿波的一个周期内累加得到，从而计算得到甲烷气体浓度值。
当被测气体不含有甲烷时，VDIFF(t)波形如图8所示。
当被测气体甲烷浓度0.01％时，VDIFF(t)波形如图9所示。
当被测气体甲烷浓度0.05％时，VDIFF(t)波形如图10所示。
当被测气体甲烷浓度2.00％时，VDIFF(t)波形如图11所示。
本发明采用载有高频方波的锯齿波电流信号驱动光源，通过微分器去除锯齿波信号，然后利用第二和第三单刀双掷开关得到两路差分信号，利用差分原理实现甲烷气体浓度的高精度测量。与传统方法相比，两路差分信号经过的信号链路完全一致，检测信号和参考信号不存在任何差异，提高了检测精度。
本发明利用驱动电流对光源波长的影响，采用锯齿波作为调制信号，得到波长的线性变化，配合微分器和控制器的积分运算，得到甲烷气体浓度，弥补了传统方法未考虑驱动电流变化对光源波长产生影响的不足，进一步提高了检测精度。
本发明利用简单的锯齿波调制、方波调制和微分器、积分运算等技术手段，实现了甲烷气体浓度的高精度测量，与传统方法相比，极大降低了系统复杂度和成本。
本发明在控制器得到数字信号后，只需要进行积分运算就可以得出当前甲烷气体浓度值，与传统方法相比，响应时间大为缩短，提高了系统实用性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，包括：
驱动信号发生器，其与光源相连，用于产生载有高频方波的锯齿波电流信号来驱动光源；所述光源还与温控器相连，温控器用于调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长；
所述光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，所述微分器用于对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度；
所述微分器是模拟微分器，仅当输入信号频率在转折频率以下时起微分作用；当输入信号频率高于转折频率时，起放大作用；所述微分器的转折频率由无源器件决定，并被配置为锯齿波频率和方波频率的中间值。
2.如权利要求1所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述驱动信号发生器包括分别与控制器相连的第一数模转换器和第二数模转换器、第一单刀双掷开关、缓冲器和电流源，所述控制器同时驱动第一数模转换器和第二数模转换器分别产生一路锯齿波电压信号；所述第一数模转换器和第二数模转换器分别与第一单刀双掷开关相连，所述第一单刀双掷开关与控制器相连，用于生成载有高频方波的锯齿波电压信号。
3.如权利要求2所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述第一单刀双掷开关还依次串接有缓冲器和电流源，所述电流源与光源相连。
4.如权利要求1所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述光源输出的光信号经过环形器、反射式传感探头传输至光电探测器转换为电流信号，所述环形器与反射式传感探头相连。
5.如权利要求1所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，微分器的输出分别通过第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关与相应低通滤波器相连；所述第二单刀双掷开关和第三单刀双掷开关分别与控制器相连。
6.如权利要求1所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述差分放大器与控制器之间依次串接有抗混叠滤波器和模数转换器。
7.如权利要求6所述的一种伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述抗混叠滤波器配置为低通滤波器。
8.一种基于如权利要求1-7中任一所述的伪差分波长调制光纤甲烷气体浓度检测装置的检测方法，其特征在于，包括：
驱动信号发生器产生载有高频方波的锯齿波电流信号来驱动光源；
与光源相连的温控器调节光源的工作温度使其输出光强度最高时，波长恰好对准甲烷吸收谱线中心波长；
光源输出的光信号传输至光电探测器转换为电流信号，再经弱信号放大器放大并转化为电压信号；弱信号放大器输出的电压信号进入微分器，由微分器对电压信号进行频域局部微分和频域局部放大；
微分器的输出分为两路，第一路仅截取方波信号的低电压信号，第二路仅截取方波信号的高电压信号，这两路信号分别输入至低通滤波器进行低通滤波处理，再输入至差分放大器的两个输入端进行差分放大；差分放大器的输出信号传送至控制器内，由控制器对差分放大后的信号取积分后，得到甲烷气体浓度。
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104316493A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-01-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置 |
| CN205209956U (zh) * | 2015-12-11 | 2016-05-04 | 安徽理工大学 | 一种光纤甲烷传感器 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3968427A (en) * | 1975-08-11 | 1976-07-06 | Hewlett-Packard Company | Group delay measurement apparatus and method |
| EP0237583B1 (de) * | 1986-02-07 | 1989-11-29 | Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh | Verfahren und Schaltungsanordnung zum Umsetzen einer Messspannung in einen digitalen Wert |
| AU2002341544A1 (en) * | 2001-07-13 | 2003-01-29 | Rudolph Technologies Inc. | Method and apparatus for increasing signal to noise ratio in a photoacoustic film thickness measurement system |
| JP2007525658A (ja) * | 2003-10-10 | 2007-09-06 | ステノ コーポレイション | キラル分析のための差分光学技術 |
| CN1252462C (zh) * | 2004-06-02 | 2006-04-19 | 厦门大学 | 一种采用纳米级微孔结构光纤的气体浓度传感器 |
| CN101799404B (zh) * | 2010-03-16 | 2012-06-20 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于宽带光源双波长差分石英音叉光声气体传感装置 |
| US10063130B2 (en) * | 2014-09-19 | 2018-08-28 | Intersil Americas LLC | Multi-stage amplifier |
| CN104764702B (zh) * | 2015-04-14 | 2017-05-24 | 山东金睛锐达电子科技有限公司 | 一种基于斜波调制的光纤甲烷气体浓度检测方法及系统 |
| CN104865208A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-08-26 | 深圳市唯锐科技有限公司 | 气体分析检测装置、系统及数据处理方法 |
| CN204835912U (zh) * | 2015-08-07 | 2015-12-02 | 英飞特电子（杭州）股份有限公司 | 一种pfc电路 |
-
2017
- 2017-06-16 CN CN201710458449.6A patent/CN107121400B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104316493A (zh) * | 2014-11-04 | 2015-01-28 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 时分复用差分调制酒驾激光检测方法及装置 |
| CN205209956U (zh) * | 2015-12-11 | 2016-05-04 | 安徽理工大学 | 一种光纤甲烷传感器 |
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