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一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法及装置制造方法及图纸

技术编号:19486303 阅读:33 留言:0更新日期:2018-11-17 11:26
本发明专利技术公布了一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法和装置。本发明专利技术装置包括LED、温控模块、光学部件、气路部件、电路部件;电路部件包括光电探测器、LED驱动器、数据采集卡、计算机;光学部件包括平凸透镜、光学谐振腔、高反镜、干涉滤光片;气路部件包括三通气阀、质量流量计、气体过滤器和采样泵。检测方法包括:产生驱动信号;对LED光源进行调制;调制光经过光学谐振腔射出,经光电探测器将光信号转化得到电压信号,由采集卡采集并输入到计算机中;经过软件锁相放大和进行滤波,解调出待测气体的浓度。本发明专利技术能够加快运算速度,减小系统噪声;提高检测精度、灵敏度和稳定性;且可连续采样,携带方便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法及装置
本专利技术属于大气成分检测
,涉及腔衰减相移光谱气体检测,尤其涉及一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法及装置。
技术介绍
目前大气污染物的种类很多,根据其存在的状态,可以概括为气态污染物和气溶胶状态污染物。气态污染物的种类多,主要分为5个方面:以SO2为主的含硫化合物、以NO和NO2为主的含氮化合物、碳氢化合物、碳的氧化物和卤素化合物等。大气污染对人体健康有极大危害,人体长期接触低浓度污染物会引起支气管炎、肺癌等,高浓度下会造成急性中毒甚至死亡。大气污染对植物的危害也非常大,高浓度污染下植物会产生急性损害,叶片表面的气孔被损伤,表面出现坏死斑点,光合作用和分泌作用受影响。因此有必要实时准确地检测环境大气中有毒有害气体的浓度。腔衰减相移光谱技术(CAPS)是将经过调制的宽带非相干光发光二极管(LED)耦合到由两个高反镜形成的光学谐振腔中,光在谐振腔内来回多次反射,从腔内射出的光经光电探测器检测,光电探测器将光信号转变为电信号输入到锁相放大器中,腔内若存在与LED光源对应吸收波长的气体,则会引起调制信号的相移变化,且相移大小与气体浓度成正比,由此可以推算出待测气体的浓度值。CAPS方法最初用于测量镜面反射率,随后用于测NO2和气溶胶消光系数。目前国内外对于CAPS技术的实现是通过任意波形发生器和锁相放大器共同构建调制锁相系统完成的,但存在的缺陷有:锁相放大器和任意波形发生器体积庞大,使得整套仪器不方便携带。而锁相放大器购买需从海外进口,受相关政策限制较大。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足,本专利技术的目的是提供一种基于软件锁相的腔减相移光谱气体检测方法和装置,能够提高系统检出限,运算速度快。本专利技术的技术方案是:一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其特征在于:软件锁相采用一个通用数据采集卡(以下称“采集卡”)配以软件锁相放大滤波算法,实现任意波形发生器和锁相放大器的功能,以采集卡的模拟输出端口的输出作为信号发生器输出,在锁相放大的基础上采用Savitzky-Golay卷积平滑滤波算法(S-G滤波),进一步提高系统检出限,运算速度快;基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法包括如下步骤:步骤一、由计算机产生驱动信号驱动采集卡产生电压信号,电压信号加载到LED光源的驱动器,驱动LED光源发射经过调制的光:采用软件程序开发环境在电脑中产生驱动信号,由采集卡内置的数据采集(dataacquisition,DAQ)DAQ驱动模块驱动采集卡的模拟输出端口产生电压信号,所述电压信号加载到LED光源的驱动器上,用以驱动该LED光源发射经过调制的光;步骤二、气体吸收及探测;经过调制的光经过充满待测气体的光学谐振腔,一部分光被待测气体吸收;余下另一部分光携带有待测气体浓度信息,从光学谐振腔中射出,经光电探测器将携带有气体浓度信息的光信号转化成不同吸收系数的电压信号,再由采集卡的模拟输入端口采集到电脑中;步骤三、软件锁相及解调;输入到电脑中的电信号,经过软件锁相放大滤波算法(采用Savitzky-Golay卷积平滑滤波算法S-G),解调出此时光学谐振腔内的气体浓度信息。进一步地,本专利技术基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其中:步骤一中包括:驱动信号的产生,以及驱动信号对LED光源的调制,采集卡在此步骤中具有信号发生器的功能,作为信号发生器;经调制后入射光强I0(t)表示为式1:I0(t)=I0(1+βsin(2πft))(式1)式1中,I0是未经调制的光强,β是调制深度,f是调制频率;t是时间。采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器调制,可用正弦波、方波、三角波等实现,以正弦波为例,加载到LED光源驱动器上的驱动电压V(t)表示为式2:V(t)=V0(1+βsin(2πft))(式2)其中,V0为电压直流分量,β是调制深度,f是调制频率;t是时间。驱动电压函数由软件生成并通过数据采集卡模拟输出端口输出。步骤二中,经调制的LED光经光学谐振腔被不同浓度气体吸收或经过空腔透射出谐振腔后,经光电探测器将携带有气体浓度信息的光信号转化成不同吸收系数的电压信号,具体如下:光经过不含吸收气体的空腔后,透射光强I(t)表示为式3:其中,是空腔时入射信号与出射信号的相位差,τ0是空腔时间常数;k0为静态灵敏度,是振幅相关量;I0是未经调制的光强;β是调制深度;f是调制频率;t是时间。当光学谐振腔内存在吸收气体时,透射光强I(t)表示为式4:是谐振腔内存在吸收气体时入射信号与出射信号的相位差,τ是时间常数。空腔时选择最佳调制频率,使得(n为整数),以使得本装置有最佳灵敏度,气体浓度与呈线性关系,故将作为气体浓度的衡量。步骤三中,软件锁相放大滤波算法是将LED调制信号作为第一参考信号,将第一参考信号移相π/2得到第二参考信号,采集卡采集到电脑中的电压信号作为检测信号,利用参考信号(包括第一参考信号和第二参考信号)频率与检测信号频率相关,并与噪声频率不相关的特征,从而从噪声中提取有用信号,即携带待测气体浓度信息的信号。本方法把待测信号中与参考信号同步的信号放大,也就是把交流分量放大并变成相应的直流信号,由软件锁相放大滤波算法输出,作为计算待测气体浓度的数据。进一步讲,系统实际的测量信号表示为式5:Vs(t)=x(t)+n(t)(式5)其中,x(t)是需要检测出来的样品信号,n(t)表示背景噪声;x(t)表示为式6:式6中,A为V0k0;与x(t)同频的第一参考信号Vr(t)表示为式7,第二参考信号与第一参考信号的相位相差π/2,第二参考信号V′r(t)表示为式8:Vr(t)=V0(1+βsin(2πft))(式7)经过采集卡采集得到的信号是离散时间信号,其与第一参考信号的互相关函数值Rsr(0)、与第二参考信号的互相关函数值R′sr(0)和自相关函数值Rrr(0)分别表示为:其中,N表示采样点数;i表示第i个采样点。Vs(i)表示采集卡采集到的离散时间信号,Vr(i)表示对应采样点的第一参考信号,V′r(t)表示对应采样点的第二参考信号。使用上述锁相算法(步骤一~步骤三,式5-式11)可以滤除系统噪声,但是由于有很多偶然噪声的存在,单使用锁相算法去噪不足以滤除偶然噪声,因此还需采用S-G滤波,S-G滤波算法相比于巴特沃斯和切比雪夫滤波,其均方差更小,且不会产生相移,不会对测量结果有干扰,使得测量结果更接近真实浓度值,能提高系统的检测精度。样品信号x(t)与第一参考信号Vr(t)的相位差可表示为:标定确定浓度的标准气体(包括N2,即浓度为0的标准气体)测得相位差做出工作曲线,工作曲线为一次线性曲线,软件拟合得到斜率a和截距b,可表示为式13。再测得待测气体的相位差通过计算机将带入式13,算出待测气体的浓度值c。其中,表示待测气体样品信号与空腔(充满N2)信号的相位差;c表示待测气体浓度;a表示工作曲线的斜率;b表示工作曲线的截距。一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测装置,其特征在于:包括LED,为LED和光电探测器温控的温控模块,光学部件,气路部件,电路部件;所述光学部件包括平凸透镜、光学谐振腔、高反镜、干涉滤光片;所述气路部件包括三通气阀、两个质量流量计、气体过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其特征在于:软件锁相通过数据采集卡和放大滤波算法,实现任意波形发生器和锁相放大器的功能;以数据采集卡的模拟输出端口的输出作为信号发生器输出,进行锁相放大,再进行滤波,进一步提高系统检出限,加快运算速度;包括如下步骤:步骤一、以数据采集卡作为信号发生器,由计算机产生驱动信号;驱动信号对LED光源进行调制,包括:驱动信号驱动采集卡产生电压信号,电压信号加载到LED光源的驱动器,采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器进行调制;驱动LED光源发射经过调制的光;经调制后入射光强I0(t)表示为式1:I0(t)=I0(1+βsin(2πft))   (式1)式1中,I0是未经调制的光强,β是调制深度,f是调制频率;t是时间;步骤二、气体吸收及探测:经过调制的光经过充满待测气体的光学谐振腔,一部分光被待测气体吸收;余下另一部分光携带有待测气体浓度信息,从光学谐振腔中射出,经光电探测器将光信号转化得到电压信号,由采集卡的模拟输入端口采集并输入到计算机中;透射出光学谐振腔的光包括被不同浓度气体吸收的携带有待测气体浓度信息的光和经过空腔透射出的光;其中:光经过不含吸收气体的空腔后的透射光强I(t)表示为式3:...

【技术特征摘要】
1.一种基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其特征在于:软件锁相通过数据采集卡和放大滤波算法,实现任意波形发生器和锁相放大器的功能;以数据采集卡的模拟输出端口的输出作为信号发生器输出,进行锁相放大,再进行滤波,进一步提高系统检出限,加快运算速度;包括如下步骤:步骤一、以数据采集卡作为信号发生器,由计算机产生驱动信号;驱动信号对LED光源进行调制,包括:驱动信号驱动采集卡产生电压信号,电压信号加载到LED光源的驱动器,采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器进行调制;驱动LED光源发射经过调制的光;经调制后入射光强I0(t)表示为式1:I0(t)=I0(1+βsin(2πft))(式1)式1中,I0是未经调制的光强,β是调制深度,f是调制频率;t是时间;步骤二、气体吸收及探测:经过调制的光经过充满待测气体的光学谐振腔,一部分光被待测气体吸收;余下另一部分光携带有待测气体浓度信息,从光学谐振腔中射出,经光电探测器将光信号转化得到电压信号,由采集卡的模拟输入端口采集并输入到计算机中;透射出光学谐振腔的光包括被不同浓度气体吸收的携带有待测气体浓度信息的光和经过空腔透射出的光;其中:光经过不含吸收气体的空腔后的透射光强I(t)表示为式3:其中,是光学谐振腔是空腔时入射信号与出射信号的相位差,τ0是空腔时间常数;k0为静态灵敏度,是振幅相关量;I0是未经调制的光强;β是调制深度;f是调制频率;t是时间;当光学谐振腔内存在吸收气体时的透射光强I(t)表示为式4:是谐振腔内存在吸收气体时入射信号与出射信号的相位差,τ是时间常数;步骤三、软件锁相及解调:输入到计算机中的电信号经过软件锁相放大和进行滤波,解调出待测气体的浓度信息;软件锁相放大滤波算法具体执行如下操作:31)将LED调制信号作为参考信号,包括第一参考信号和第二参考信号;采集卡采集到计算机中的信号作为待测信号;将待测信号中与参考信号同步的信号放大,即把交流分量放大并变成相应的直流信号;32)利用参考信号频率与检测信号频率相关并与噪声频率不相关的特征,从噪声中提取得到携带待测气体浓度信息的信号;33)通过锁相算法滤除系统噪声,得到实际测量信号;实际测量信号表示为式5:Vs(t)=x(t)+n(t)(式5)其中,x(t)是需要检测出来的样品信号,n(t)表示背景噪声;x(t)表示为式6:式6中,A为V0k0;V0为电压直流分量;与x(t)同频的第一参考信号Vr(t)表示为式7,第二参考信号与第一参考信号的相位相差π/2,第二参考信号V′r(t)表示为式8:Vr(t)=V0(1+βsin(2πft))(式7)经过采集卡采集得到的信号是离散时间信号,其与第一参考信号的互相关函数值Rsr(0)、与第二参考信号的互相关函数值R′sr(0)和自相关函数值Rrr(0)分别表示为:其中,N表示采样点数;i表示第i个采样点。Vs(i)表示采集卡采集到的离散时间信号,Vr(i)表示对应采样点的第一参考信号,V′r(t)表示对应采样点的第二参考信号;34)采用滤波算法滤除偶然噪声,使得测量结果更接近真实浓度值,提高检测精度;执行如下操作:将样品信号x(t)与第一参考信号Vr(t)的相位差表示为式12:计算出样品信号与参考信号的相位差,标定确定浓度的标准气体测得相位差得到工作曲线,工作曲线为一次线性曲线,表示为式13:其中,表示待测气体样品信号与空腔信号的相位差;c表示待测气体浓度;a表示工作曲线的斜率;b表示工作曲线的截距;将待测气体的相位差带入工作曲线,即推算出待测气体的浓度值。2.如权利要求1所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其特征是,步骤一中,采用虚拟仪器技术对LED光源驱动器进行调制,包括正弦波、方波、三角波的实现方法。3.如权利要求2所述基于软件锁相的腔衰减相移光谱气体检测方法,其特征是,采用正弦波实现对LED光源驱动器进行调制,加载到LED光源驱动器上...

【专利技术属性】
技术研发人员:曾立民况彩菱毛心旻汲惠德
申请(专利权)人:北京大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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