一种一氧化碳浓度的检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一氧化碳浓度的检测装置及方法，检测装置中的第一分束器将光源发出的光束分成校准光束和检测光束；校准光束经准直器和校准吸收池后照射到光电探测器上获得校准电信号；第二分束器将检测光束分成参考光束和测量光束；参考光束经准直器后照射到光电探测器上获得参考电信号；测量光束经准直器后从菲涅尔透镜的中心发射输出，并经过待测区域后照射到反射端，反射端将光束原路反射到光电探测器上获得测量电信号；差分放大器对参考电信号和测量电信号进行差分运算获得差分信号；处理器根据校准电信号、参考电信号和差分信号确定待测区域中一氧化碳浓度。本发明专利技术提供的检测装置及检测方法能够提高开放区域一氧化碳浓度激光光谱测量的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种一氧化碳浓度的检测装置及检测方法
本专利技术涉及激光在线检测领域，特别是涉及一种一氧化碳浓度的检测装置及检测方法。
技术介绍
CO是化工、冶金等行业常见的易燃、易爆、有毒的过程气体，环境CO浓度监测技术可以为危化区的气体泄漏安全预警提供可靠依据。光学检测方法具有非接触测量，灵敏度高，寿命长等突出优点，通过与长光程技术相结合，可以实现区域安全监测的完全覆盖，是目前工业安全监测技术发展的一个重要方向。红外半导体激光光谱检测技术是基于气体分子对红外光谱的指纹吸收特性，利用目标气体分子的特征光谱吸收实现对气体的定性和定量的检测。在区域安全监测领域，由于激光技术具有高光功率密度特点，因而可以实现千米级范围的连续气体泄漏安全监测。直接吸收光谱技术和平衡探测技术是目前红外激光光谱检测方法的主要检测方法。其中，直接吸收光谱技术是通过传输光强直接探测，利用背景光强拟合和归一化处理实现光强变化的直接修正，但通常情况气体吸收相对较弱，直接吸收光谱表现为在较强背景上的一个微小变化，导致测量信号的信噪比和灵敏度低，从而降低了气体浓度的检测精度。平衡探测技术是基于双光路检测的一种高灵敏探测技术，利用无吸收的参考光路和外部检测光路信号的差分对消处理，达到有效抑制背景和共模噪声的目的。但是自动平衡探测技术无法获取光强信号，难以完成吸收信号与光强的归一处理，降低了气体浓度的检测精度。尤其是当测量环境为开放区域时，由于环境中的粉尘、雾、霾等环境因素会导致光强信号存在较大的波动，从而会进一步降低一氧化碳浓度的检测精度。因此，如何提高开放区域一氧化碳浓度的检测精度，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种一氧化碳浓度的检测装置及检测方法，以提高开放区域一氧化碳浓度的检测精度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种一氧化碳浓度的检测装置，所述检测装置以激光器作为检测光源，所述激光器发射波长在设定波长范围内周期性连续扫描的近红外光束；第一分束器将所述近红外光束分成校准光束和检测光束；所述校准光束经过校准光准直器准直后得到准直校准光束，所述准直校准光束经过校准吸收池后照射到校准光光电探测器上进行光电转换，获得校准电信号，所述校准光光电探测器将所述校准电信号发送给处理器，其中，所述校准吸收池中密封有标准大气压下浓度已知的一氧化碳气体；第二分束器将所述检测光束分成参考光束和测量光束；所述参考光束经过参考光准直器准直后照射到参考光光电探测器上进行光电转换，获得参考电信号，所述参考光光电探测器将所述参考电信号分别发送给差分放大电路和所述处理器；所述测量光束经测量光准直器准直后经过菲涅尔透镜的中心发射输出，所述菲涅尔透镜发射输出的光束经过待测区域后照射到反射端，其中，所述菲涅尔透镜和所述反射端对应设置在所述待测区域的两端，所述反射端将光束原路反射到测量光光电探测器上，获得测量电信号，所述测量光光电探测器将所述测量电信号发送给所述差分放大器；所述差分放大器对所述参考电信号和所述测量电信号进行差分运算，获得差分信号，并将所述差分信号发送给所述处理器；所述处理器根据所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号确定所述待测区域中一氧化碳的浓度。可选的，所述检测装置还包括与所述处理器连接的显示器，用于显示所述待测区域中一氧化碳的浓度。可选的，所述检测装置还包括激光控制器和信号发生器，所述激光控制器与所述激光器连接，所述信号发生器与所述激光控制器连接，所述信号发生器用于产生锯齿波信号，所述激光控制器将所述锯齿波信号和所述激光控制器预设生成的直流电流叠加生成激光器的驱动电流，所述激光器根据所述激光控制器的预设温度和所述驱动电流发射波长在设定波长范围内周期性连续扫描的近红外光束。可选的，所述信号发生器与所述处理器连接，所述信号发生器还用于产生与所述锯齿波信号同步的矩形波信号，所述处理器根据所述矩形波信号同步采集所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号。一种一氧化碳浓度的检测方法，所述检测方法用于所述的检测装置，所述检测方法包括：获取校准电信号、参考电信号和差分信号；分别对所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号进行离散化数据采集，获得与所述校准电信号对应的离散校准信号、与所述参考电信号对应的离散参考信号、与所述差分信号对应的离散差分信号；对所述离散差分信号的光谱图中，没有一氧化碳吸收的背景光谱区域的数据进行拟合，获得差分信号的背景信号；对所述离散参考信号进行拟合，获得参考信号的背景信号；根据所述差分信号的背景信号、差分放大器的增益和所述参考信号的背景信号确定测量信号的背景信号；根据差分信号的背景信号、所述离散差分信号及差分放大器的增益确定离散吸收信号；根据所述离散吸收信号和所述测量信号的背景信号确定测量信号的积分吸收线强；对所述离散校准信号的光谱图中，没有一氧化碳吸收的背景光谱区域的数据进行拟合，获得校准信号的背景信号；对所述校准信号的背景信号及所述离散校准信号进行归一化处理，获得归一化校准信号；对所述归一化校准信号进行拟合，获得校准信号的积分吸收线强；根据所述测量信号的积分吸收线强、所述校准信号的积分吸收线强、校准吸收池的长度、测量光路的长度及所述校准吸收池中一氧化碳气体的浓度确定待测区域中一氧化碳的浓度。可选的，所述对所述离散差分信号的光谱图中，没有一氧化碳吸收的背景光谱区域的数据进行拟合之前，还包括：获取校正后的离散校准信号，所述校正后的离散校准信号为多个周期的所述离散校准信号的平均值；获取校正后的离散参考信号，所述校正后的离散参考信号为多个周期的所述离散参考信号的平均值；获取校正后的离散差分信号，所述校正后的离散差分信号为多个周期的所述离散差分信号的平均值。可选的，所述根据所述离散吸收信号和所述测量信号的背景信号确定测量信号的积分吸收线强，具体包括：根据所述离散吸收信号和所述测量信号的背景信号确定归一化吸收信号；采用洛伦兹函数对所述归一化信号进行拟合，获得测量信号的积分吸收线强。可选的，所述根据所述差分信号的背景信号、差分放大器的增益和所述参考信号的背景信号确定测量信号的背景信号，具体包括：根据公式：确定测量信号的背景信号，其中，SB(n)表示测量信号的背景信号，δ(n)表示差分信号的背景信号，G表示差分放大器的增益，RB(n)表示参考信号的背景信号。可选的，所述根据差分信号的背景信号、所述离散差分信号及差分放大器的增益确定离散吸收信号，具体包括：根据公式：确定离散吸收信号，其中，A(n)表示离散吸收信号，δ(n)表示差分信号的背景信号，G表示差分放大器的增益，M(n)表示离散差分信号。可选的，所述根据所述测量信号的积分吸收线强、所述校准信号的积分吸收线强、校准吸收池的长度、测量光路的长度及所述校准吸收池中一氧化碳气体的浓度确定待测区域中一氧化碳的浓度，具体包括：根据公式：确定待测区域中一氧化碳的浓度，其中，C表示待测区域中一氧化碳的平均浓度，AS表示测量信号的积分吸收线强，AJ表示校准信号的积分吸收线强，L0表示校准吸收池的长度，L表示测量光路的长度，C0表示校准吸收池中一氧化碳气体的浓度。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术将激光器发出的近红外光束分成校准光束和检测光束，其中，检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种一氧化碳浓度的检测装置，其特征在于，所述检测装置以激光器作为检测光源，所述激光器发射波长在设定波长范围内周期性连续扫描的近红外光束；第一分束器将所述近红外光束分成校准光束和检测光束；所述校准光束经过校准光准直器准直后得到准直校准光束，所述准直校准光束经过校准吸收池后照射到校准光光电探测器上进行光电转换，获得校准电信号，所述校准光光电探测器将所述校准电信号发送给处理器，其中，所述校准吸收池中密封有标准大气压下浓度已知的一氧化碳气体；第二分束器将所述检测光束分成参考光束和测量光束；所述参考光束经过参考光准直器准直后照射到参考光光电探测器上进行光电转换，获得参考电信号，所述参考光光电探测器将所述参考电信号分别发送给差分放大电路和所述处理器；所述测量光束经测量光准直器准直后经过菲涅尔透镜的中心发射输出，所述菲涅尔透镜发射输出的光束经过待测区域后照射到反射端，其中，所述菲涅尔透镜和所述反射端对应设置在所述待测区域的两端，所述反射端将光束原路反射到测量光光电探测器上，获得测量电信号，所述测量光光电探测器将所述测量电信号发送给所述差分放大器；所述差分放大器对所述参考电信号和所述测量电信号进行差分运算，获得差分信号，并将所述差分信号发送给所述处理器；所述处理器根据所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号确定所述待测区域中一氧化碳的浓度。...

【技术特征摘要】
1.一种一氧化碳浓度的检测装置，其特征在于，所述检测装置以激光器作为检测光源，所述激光器发射波长在设定波长范围内周期性连续扫描的近红外光束；第一分束器将所述近红外光束分成校准光束和检测光束；所述校准光束经过校准光准直器准直后得到准直校准光束，所述准直校准光束经过校准吸收池后照射到校准光光电探测器上进行光电转换，获得校准电信号，所述校准光光电探测器将所述校准电信号发送给处理器，其中，所述校准吸收池中密封有标准大气压下浓度已知的一氧化碳气体；第二分束器将所述检测光束分成参考光束和测量光束；所述参考光束经过参考光准直器准直后照射到参考光光电探测器上进行光电转换，获得参考电信号，所述参考光光电探测器将所述参考电信号分别发送给差分放大电路和所述处理器；所述测量光束经测量光准直器准直后经过菲涅尔透镜的中心发射输出，所述菲涅尔透镜发射输出的光束经过待测区域后照射到反射端，其中，所述菲涅尔透镜和所述反射端对应设置在所述待测区域的两端，所述反射端将光束原路反射到测量光光电探测器上，获得测量电信号，所述测量光光电探测器将所述测量电信号发送给所述差分放大器；所述差分放大器对所述参考电信号和所述测量电信号进行差分运算，获得差分信号，并将所述差分信号发送给所述处理器；所述处理器根据所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号确定所述待测区域中一氧化碳的浓度。2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括与所述处理器连接的显示器，用于显示所述待测区域中一氧化碳的浓度。3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括激光控制器和信号发生器，所述激光控制器与所述激光器连接，所述信号发生器与所述激光控制器连接，所述信号发生器用于产生锯齿波信号，所述激光控制器将所述锯齿波信号和所述激光控制器预设生成的直流电流叠加生成激光器的驱动电流，所述激光器根据所述激光控制器的预设温度和所述驱动电流发射波长在设定波长范围内周期性连续扫描的近红外光束。4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述信号发生器与所述处理器连接，所述信号发生器还用于产生与所述锯齿波信号同步的矩形波信号，所述处理器根据所述矩形波信号同步采集所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号。5.一种一氧化碳浓度的检测方法，其特征在于，所述检测方法用于根据权利要求1-4中任一项所述的检测装置，所述检测方法包括：获取校准电信号、参考电信号和差分信号；分别对所述校准电信号、所述参考电信号和所述差分信号进行离散化数据采集，获得与所述校准电信号对应的离散校准信号、与所述参考电信号对应的离散参考信号、与所述差分信号对应的离散差分信号；对所述离散差分信号的光谱图中，没有一氧化碳吸收的背景光谱区域的数据进行拟合，获得差分信号的背景信号；对所述离散参考信号进行拟合，获得参考信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉钧，陈东，尤坤，何莹，唐七星，刘国华，鲁一冰，范博强，刘建国，刘文清，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34