一种中红外激光气体传感检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种中红外激光气体传感检测装置，利用中红外激光LED及正交锁相检测技术实现对微量气体的有效检测。装置的光源由两只远红外激光LED构成，分别覆盖气体的吸收光谱和非气体的吸收光谱。驱动与切换单元对检测信号进行放大并可控制两个激光管按照时序进行发光，同时对气体进行检测，有效消除环境及电路飘移的影响，精确高、本低噪声低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种中红外激光气体传感检测装置及方法。
技术介绍
目前红外吸收技术利用的光源中，宽带光源主要有使用热电器件或红外灯作为检测光源，窄带源主要有具有布拉格反馈的光栅级联激光器。但前者热惯性大，无法进行调制，导致检测系统底噪过大，分辨率低。后者具有很高的分辨率，能够区分不同的吸收谱线，但要求激光波长与幅度精确稳定、成本高，需要频繁的调整激光器的波长和温度。因此，需要一种新的中红外激光气体传感检测装置以解决上述问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术中中红外激光气体传感检测存在问题，提供了一种中红外激光管的驱动与切换单元。技术方案：为达到上述专利技术目的，本专利技术的中红外激光管的驱动与切换单元采用以下技术方案：一种中红外激光管的驱动与切换单元，其特征在于，包括三极管Q1、三极管Q2、双控开关S1、双控开关S2、三极管Q3和三极管Q4，所述三极管Q1的集电极连接VCC电压端，所述三极管Q1的集电极和基极通过电阻R1连接，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q1的发射极连接所述三极管Q2的基极并连接双控开关S1和双控开关S2的一端，所述双控开关S2和双控开关S1的第二端接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R2接地；所述双控开关S2的第三端连接三极管Q3的基极并通过电阻R5接地，所述双控开关S1的第三端连接三极管Q4的基极并通过电阻R6接地；所述三极管Q3的集电极连接发光二极管L1，所述三极管Q4的集电极连接发光二极管L2；所述三极管Q3的发射极通过电阻R3接地；所述三极管Q4的发射极通过电阻R4接地；缓冲器U1的输出端连接所述双控开关S2的第三端，缓冲器U2的输出端连接所述双控开关S1的第三端。更进一步的，所述发光二极管L1和发光二极管L2均为中红外激光LED。采用中红外光谱范围的新型激光LED成本较低，激光光谱范围较窄，中心波长易于控制。中红外激光LED的调制频率可达1MHz以上，具有较窄的光谱范围，利用该类激光LED ，结合正交锁相放大技术，可以实现高灵敏度、低成本的红外气体检测装置。专利技术原理：其中，发光二极管L1和L2分别为参考LED和实测LED，三极管Q1、Q2、Q3和Q4构成了开关恒流源，实现对发光二极管L1和L2的限流驱动。三极管Q1和Q2为驱动晶体管，缓冲器U1和U2分别为驱动晶体管Q1和Q2提供门控信号，控制发光二极管L1和L2按照时序进行发光。有益效果：本专利技术的中红外激光管的驱动与切换单元可以实现对驱动信号进行放大并可控制两个激光管按照时序进行发光。在每个检测周期内，按照控制时序依次对发光二极管进行驱动并检测光电管的电压，可以有效地消除光电管暗电流飘移带来的影响，通过对比参照LED的检测电压，可以消除光路污染以及电路参数变化对检测结果的影响，能有效地检测气体浓度的微量变化。本专利技术还公开了一种中红外激光气体传感检测装置，包括如上所述的驱动与切换单元、正交信号产生单元、处理器、锁相检测单元、第一中红外激光LED、第二中红外激光LED、检测气室、光电管、光电放大单元、第一锁相检测单元、第二锁相检测单元、第一滤波单元、第二滤波单元和AD转换单元，所述处理器、正交信号产生单元和驱动与切换单元连接，所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED设置在所述检测气室的一端，所述光电管设置在所述检测气室的另一端，所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED均连接所述驱动与切换单元，所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元均连接所述光电放大单元，所述第一锁相检测单元、第一滤波单元、AD转换单元和处理器依次连接，所述第二锁相检测单元、第二滤波单元、AD转换单元和处理器依次连接，所述正交信号产生单元连接所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元，所述正交信号产生单元用于产生检测所需要的驱动信号和锁相检测单元的正交参考信号；所述驱动与切换单元中将所述正交信号产生单元的驱动信号进行放大，并将放大后的驱动信号分时加载到所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED上；所述光电放大单元用于对光电管检测到的光信号进行放大；所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元用于提取所述光电放大单元的输出信号中与气体浓度变化相关的信号；所述第一滤波单元和第二滤波单元分别对所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元提取的信号进行处理并将处理后的信号送入处理器。有益效果：本专利技术的中红外激光气体传感检测装置利用驱动与切换单元控制第一中红外激光LED和第二中红外激光LED按照时序发光，采用两个激光管同时对气体进行检测，有效消除环境的影响，精确度较高。采用中红外激光LED，用激励信号进行激励并利用正交锁相检放大器进行信号解调，大幅度降低了装置自身的噪声，消除了检测装置相位变化带来的检测误差，检测装置的灵敏度和本底噪声两项指标远低于传统的热电式红外气体检测装置。与窄带激光气体检测装置相比，具有更低的成本。更进一步的，所述第一滤波单元和第二滤波单元均为窄带滤波器。在降低噪声的同时也具有一定的动态特性。更进一步的，所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED分别为检测激光管和参考激光管。利用检测激光管和参考激光管交替作用以消除环境变化带来的误差。本专利技术还公开了一种中红外激光气体传感检测方法，利用如上所述的中红外激光气体传感检测装置，包括以下步骤：1）、利用正交信号产生单元产生激励信号并将此信号送入驱动与切换单元进行放大，并将放大的激励信号分时加载到所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED上，所述激励信号的频率大于10KHz；2）、所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED在驱动与切换单元的作用下交替发出中红外激光；3）、光电管检测经过气体吸收后的中红外激光并将光强信息转化为光电流；4）、光电放大单元对步骤3）的光电流进行放大并消除其中的暗电流分量；5）、采用锁相检测方法提取光电放大单元输出的信号中与气体浓度相关的信号分量并利用第一滤波单元和第二滤波单元滤除其它信号分量；6）、利用AD转换单元将第一滤波单元和第二滤波单元的模拟信号转化为数字量并送至处理器进行处理，得到气体的浓度值。更进一步的，所述激励信号的驱动时序中每个周期包括四个时间片，第一时间片中，第二中红外激光LED不发射激光，第一中红外激光LED发射中红外激光，第二时间片中，第一中红外激光LED和第二中红外激光LED均不发射激光；第三时间片中，第二中红外激光LED发射中红外激光，第一中红外激光LED不发射激光；第四时间片中，第一中红外激光LED和第二中红外激管光均不发射激光。原理：所述激励信号的驱动时序中每个周期包括四个时间片，第一时间片中，第二中红外激光LED不发射激光，第一中红外激光LED发射中红外激光，光电管采集检测量；第二时间片中，第一中红外激光LED和第二中红外激光LED均不发射激光，光电管采集一次暗电流数值；第三时间片中，第二中红外激光LED发射中红外激光，第一中红外激光LED不发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中红外激光管的驱动与切换单元，其特征在于，包括三极管Q1、三极管Q2、双控开关S1、双控开关S2、三极管Q3和三极管Q4，所述三极管Q1的集电极连接VCC电压端，所述三极管Q1的集电极和基极通过电阻R1连接，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q1的发射极连接所述三极管Q2的基极并连接双控开关S1和双控开关S2的一端，所述双控开关S2和双控开关S1的第二端接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R2接地；所述双控开关S2的第三端连接三极管Q3的基极并通过电阻R5接地，所述双控开关S1的第三端连接三极管Q4的基极并通过电阻R6接地；所述三极管Q3的集电极连接发光二极管L1，所述三极管Q4的集电极连接发光二极管L2；所述三极管Q3的发射极通过电阻R3接地；所述三极管Q4的发射极通过电阻R4接地；缓冲器U1的输出端连接所述双控开关S2的第三端，缓冲器U2的输出端连接所述双控开关S1的第三端。

【技术特征摘要】
1.一种中红外激光管的驱动与切换单元，其特征在于，包括三极管Q1、三极管Q2、双控开关S1、双控开关S2、三极管Q3和三极管Q4，所述三极管Q1的集电极连接VCC电压端，所述三极管Q1的集电极和基极通过电阻R1连接，所述三极管Q1的基极连接所述三极管Q2的集电极，所述三极管Q1的发射极连接所述三极管Q2的基极并连接双控开关S1和双控开关S2的一端，所述双控开关S2和双控开关S1的第二端接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R2接地；
所述双控开关S2的第三端连接三极管Q3的基极并通过电阻R5接地，所述双控开关S1的第三端连接三极管Q4的基极并通过电阻R6接地；
所述三极管Q3的集电极连接发光二极管L1，所述三极管Q4的集电极连接发光二极管L2；
所述三极管Q3的发射极通过电阻R3接地；所述三极管Q4的发射极通过电阻R4接地；
缓冲器U1的输出端连接所述双控开关S2的第三端，缓冲器U2的输出端连接所述双控开关S1的第三端。
2.如权利要求1所述的中红外激光管的驱动与切换单元，其特征在于，所述发光二极管L1和发光二极管L2均为中红外激光LED。
3.一种中红外激光气体传感检测装置，其特征在于，包括权利要求1所述的驱动与切换单元、正交信号产生单元、处理器、锁相检测单元、第一中红外激光LED、第二中红外激光LED、检测气室、光电管、光电放大单元、第一锁相检测单元、第二锁相检测单元、第一滤波单元、第二滤波单元和AD转换单元，所述处理器、正交信号产生单元和驱动与切换单元连接，所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED设置在所述检测气室的一端，所述光电管设置在所述检测气室的另一端，所述第一中红外激光LED和第二中红外激光LED均连接所述驱动与切换单元，所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元均连接所述光电放大单元，所述第一锁相检测单元、第一滤波单元、AD转换单元和处理器依次连接，所述第二锁相检测单元、第二滤波单元、AD转换单元和处理器依次连接，所述正交信号产生单元连接所述第一锁相检测单元和第二锁相检测单元，
所述正交信号产生单元用于产生检测所需要的驱动信号和锁相检测单元的正交参考信号；
所述驱动与切换单元中将所述正交信号产生单元的驱动信号进行放大，并将放大后的驱动信号分时加载到所述第一中...

【专利技术属性】
技术研发人员：司峻峰，金勇，
申请(专利权)人：南京大学，南京北路自动化系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32