基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法，装置包括恒流驱动模块、宽带红外光源、第一凸透镜、气室、进气管、出气管、第二凸透镜、压力控制器、气泵、光栅模块、PZT、PZT驱动模块、探测器、锁相放大器、数据采集卡、微控制器。方法包括利用光栅模块对气体吸收后的宽带红外光信号进行精密分光处理，同时利用PZT对出射光信号进行扫描/调制式的“筛选”处理并输出探测，再利用锁相放大器提取出二次谐波信号表征气体浓度。本发明专利技术还提供了宽带红外光源的归一化输出光谱进行测试及定标的辅助装置和方法。本发明专利技术为研制基于宽带红外光源的低成本、高选择性与高灵敏的调制吸收光谱气体检测装置提供了新型解决方案。

【技术实现步骤摘要】
基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法
本专利技术属于红外气体检测
，尤其是涉及一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法。
技术介绍
红外吸收光谱技术是检测气体的关键技术之一，该技术利用气体分子对红外光的吸收作用实施探测，具有灵敏度高、精度高、调校周期长、寿命长、选择性好等优点。目前，在红外吸收光谱技术中，可调谐吸收光谱法(TAS)是利用波长可调谐的半导体激光光源，又称为分布反馈光源，通过扫描和调制激光光源的驱动电流，使其发光波长扫过待测气体的吸收峰，再利用锁相放大技术从探测器的输出信号中提取出2倍于调制信号频率的二次谐波信号，根据该二次信号的幅度来表征待测气体的浓度。由于目前该技术主要采用激光二极管或激光器，因此又被称为可调谐激光二极管吸收光谱法(TDLAS)。目前，人们采用中红外波段(4-20微米)的量子级联激光器(QCL)、中红外波段(2.5-6微米)的带间级联激光器(ICL)和近红外波段(0.8-2.5微米)的量子阱激光器或激光二极管(LD)报道了波长调制吸收光谱气体检测装置，其原理在于半导体激光器的发光波长随其工作温度和工作电流的变化特性。然而，采用半导体激光器研制红外气体检测装置面临的主要问题是半导体激光器的昂贵的价格，尤其是中红外波段的激光器，价格达1万美元以上，难以实用化。相比半导体激光器，宽带红外光源，包括红外热辐射光源或发光二极管，价格低廉、发光波长呈宽波段特征，也成为红外气体检测中的重要光源，人们一般采用该光源研制了非分散红外吸收光谱(NDIR)气体检测装置。然而，由于宽带红外光源不具有窄线宽、波长调谐特性，人们很难利用该类光源建立调制吸收光谱气体检测装置；同时，该类光源的宽带特性使得NDIR气体检测装置无法具有较好的选择性。
技术实现思路
与目前普遍采用的基于半导体激光器的调制吸收光谱气体检测技术与装置不同，本专利技术公开了一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法，在不改变宽带光源出射光参数的情况下，对气体吸收后的宽带光波信号进行光栅分光和扫描/调制式的“筛选”处理，实现了一种调制吸收光谱气体检测技术，克服了现有基于半导体激光器的TDLAS检测技术成本高以及现有基于宽带光源的NDIR传感器选择性差、分辨率低的缺点，为研制基于宽带红外光源的低成本、高选择性与高灵敏的调制吸收光谱气体检测装置提供了新型解决方案。针对现有技术的不足，本专利技术采取的技术方案是：基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置，包括宽带红外光源，检测装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、气室、光栅模块、探测器、PZT微位移器；所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器，所述气室包括第一窗口、第二窗口、进气管、出气管、压力控制器、气泵，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路、扫描信号产生电路、加法器电路、调制信号产生电路；恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，第一窗口和第二窗口分别设置在气室的两侧，第一凸透镜设置在宽带红外光源与第一窗口之间，第二凸透镜设置在第二窗口与第一狭缝之间，气室的进气孔通过进气管与压力控制器连接，气室的出气孔通过出气管与气泵连接，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，锁相放大器的输出与数据采集卡的输入电连接，数据采集卡的输出与微控制器的输入电连接，调制信号产生电路的输入端和扫描信号产生电路的输入端与微控制器的两个输出分别电连接，调制信号产生电路的输出端和扫描信号产生电路的输出端与加法器电路的两个输入端分别电连接，加法器的输出端与PZT驱动电路电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT电连接。利用上述装置的检测方法包括以下步骤：S1：打开气泵，使气室中充满待测气体；设置压力控制器，维持气室中的压强为设定值；初始化微控制器，设置PZT的扫描信号参数，使第二狭缝的位置处于线性变化状态，且第二狭缝的中心位置恰好能透过待测气体分子吸收峰处的红外光；设置PZT的调制信号参数，使第二狭缝的中心位置处于调制变化状态；设置锁相放大器参数，使其提取二次谐波信号；S2：在微控制器控制下，恒流驱动模块产生光源驱动信号，使宽带红外光源发出初始红外光信号，被第一凸透镜转换为平行光，并透过第一窗口传输至气室中；S3：受待测气体分子吸收作用，初始红外光信号中与待测气体分子吸收峰相吻合的光将被吸收，产生被吸收后的红外光信号；S4：S3中所述的被吸收的红外光信号经第二窗口到达第二凸透镜，被汇聚后入射到第一狭缝；汇聚至第一狭缝的红外光经过第一平凹镜的反射到达反射光栅，反射光栅将红外光色散，色散后的红外光经过第二平凹镜的反射到达带第二狭缝的第二不透光挡板；透过第二狭缝2的红外光入射到红外探测器上，红外探测器将红外光信号转换为电信号输出；S5：锁相放大器参数从探测器输出的信号中提取出二次谐波信号；数据采集卡采集二次谐波信号，并将其传输至微控制器；微控制器计算二次谐波信号的幅值，转换得到气体浓度信息。本专利技术还提供了另外一种测试装置，具体的技术方案为：对宽带红外光源归一化发光光谱进行测试的光谱测试装置，包括宽带红外光源，测试装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、光学斩波器、光栅模块、探测器、PZT微位移器；所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器、调制信号产生电路，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路；恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，宽带红外光源与第一狭缝之间依次设置第一凸透镜、光学斩波器、第二凸透镜，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的一个输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，调制信号产生模块的另一个输出端与光学斩波器电连接，锁相放大器的输出与数据采集卡的输入电连接，数据采集卡的输出与微控制器的输入电连接，调制信号产生电路的输入端和PZT驱动电路的输入端与微控制器的两个输出分别电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置，包括宽带红外光源，其特征在于，所述基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、气室、光栅模块、探测器、PZT微位移器；所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器，所述气室包括第一窗口、第二窗口、进气管、出气管、压力控制器、气泵，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路、扫描信号产生电路、加法器电路、调制信号产生电路；恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，第一窗口和第二窗口分别设置在气室的两侧，第一凸透镜设置在宽带红外光源与第一窗口之间，第二凸透镜设置在第二窗口与第一狭缝之间，气室的进气孔通过进气管与压力控制器连接，气室的出气孔通过出气管与气泵连接，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，锁相放大器的输出与数据采集卡的输入电连接，数据采集卡的输出与微控制器的输入电连接，调制信号产生电路的输入端和扫描信号产生电路的输入端与微控制器的两个输出分别电连接，调制信号产生电路的输出端和扫描信号产生电路的输出端与加法器电路的两个输入端分别电连接，加法器的输出端与PZT驱动电路电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT电连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置，包括宽带红外光源，其特征在于，所述基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、气室、光栅模块、探测器、PZT微位移器；所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器，所述气室包括第一窗口、第二窗口、进气管、出气管、压力控制器、气泵，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路、扫描信号产生电路、加法器电路、调制信号产生电路；恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，第一窗口和第二窗口分别设置在气室的两侧，第一凸透镜设置在宽带红外光源与第一窗口之间，第二凸透镜设置在第二窗口与第一狭缝之间，气室的进气孔通过进气管与压力控制器连接，气室的出气孔通过出气管与气泵连接，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，锁相放大器的输出与数据采集卡的输入电连接，数据采集卡的输出与微控制器的输入电连接，调制信号产生电路的输入端和扫描信号产生电路的输入端与微控制器的两个输出分别电连接，调制信号产生电路的输出端和扫描信号产生电路的输出端与加法器电路的两个输入端分别电连接，加法器的输出端与PZT驱动电路电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT电连接。2.一种根据权利要求1所述的基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：打开气泵，使气室中充满待测气体；设置压力控制器，维持气室中的压强为设定值；初始化微控制器，设置PZT的扫描信号参数，使第二狭缝的位置处于线性变化状态，且第二狭缝的中心位置恰好能透过待测气体分子吸收峰处的红外光；设置PZT的调制信号参数，使第二狭缝的中心位置处于调制变化状态；设置锁相放大器参数，使其提取二次谐波信号；S2：在微控制器控制下，恒流驱动模块产生光源驱动信号，使宽带红外光源发出初始红外光信号，被第一凸透镜转换为平行光，并透过第一窗口传输至气室中；S3：受待测气体分子吸收作用，初始红外光信号中与待测气体分子吸收峰相吻合的光将被吸收，产生被吸收后的红外光信号；S4：S3中所述的被吸收的红外光信号经第二窗口到达第二凸透镜，被汇聚后入射到第一狭缝；汇聚至第一狭缝的红外光经过第一平凹镜的反射到达反射光栅，反射光栅将红外光色散，色散后的红外光经过第二平凹镜的反射到达带第二狭缝的第二不透光挡板；透过第二狭缝2的红外光入射到红外探测器上，红外探测器将红外光信号转换为电信号输出；S5：锁相放大器参数从探测器输出的信号中提取出二次谐波信号；数据采集卡采集二次谐波信号，并将其传输至微控制器；微控制器计算二次谐波信号的幅值，转换得到气体浓度信息。3.一种对宽带红外光源归一化发光光谱进行测试的光谱测试装置，包括宽带红外光源，其特征在于，所述测试装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、光学斩波器、光栅模块、探测器、PZT微位移器；所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器、调制信号产生电路，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路；恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，宽带红外光源与第一狭缝之间依次设置第一凸透镜、光学斩波器、第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑传涛，刘志伟，皮明权，赵焕，王一丁，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22