一种量程自控的微量水蒸气检测浓度方法技术

一种量程自控的微量水蒸气浓度检测方法，属气体传感系统检测领域，系统组成包括单片机、激光器温控和驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相放大器、高精度基准电压发生器，减法器，增益控制模块、信号采集模块。该系统对传统二次谐波法微量水蒸气检测系统中的多路固定参数的量程选择模块进行改造，在锁相放大器得到还有浓度信息的谐波幅值后，利用增益控制模块控制谐波增益，并通过增益控制模块与信号采集模块之间的信息交互，实现量程自控，最后通过输出谐波幅值与增益值得到待测气体中水蒸气浓度。该方法打破浓度量程对电路测量的限制，扩大探测浓度范围，有效提高信噪比，有利于提取气体浓度信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术气体传感系统检测领域，是一种同时使用高精度电压参考、直流调整和单 片机控制对微量水蒸汽浓度信息采集的新方法。
技术介绍
水是我们赖以生存的重要物质，检测水蒸气浓度在很多领域都有重要意义。例如 特高压输变电系统设备中介质气体sf6中含有水分时，会生成毒性和腐蚀性很强的化学物 质，腐蚀绝缘设备，甚至发生爆炸。在食品加工行业，包装袋内的水含量超标，会直接影响食 品质量。变压器油中含水量越多，油质本身老化、设备绝缘老化及金属部件腐蚀速度越快； 天然气中水的存在会引起管线水堵，腐蚀管线、仪表和设备，影响天然气计量的准确度，给 天然气的安全生产和使用造成极大危害。而光纤气体传感器因其稳定性好、测量精度高、抗 电磁干扰、在线检测、可实现无电检测等优点在痕量气体浓度的测量中得到越来越广泛的 应用。 现如今对于测量微量水蒸气最有效的方法是二次谐波法，属于光纤气体传感器的 一种有效应用，该方法测量精度高，稳定性好，抗干扰能力强。为了适应更宽范围的水蒸气 浓度测量，同时进一步提高系统信噪比，在不同的浓度范围，需要设置多路不同的电路参数 量程选择电路，这使得电路冗杂，资源浪费，而且会引进更多电路噪声。因此，迫切需要一种 简易有效的检测方法来解决上述问题。 哈尔滨工程大学张可可所写论文《光谱吸收式光纤气体检测理论及技术研究》中 提到的二次谐波检测方法是利用一次谐波对激光器进行调制，经过气体吸收峰后激光信号 了携带大量频率的信号，利用锁相放大器在二次参考信号辅助下进行二次频率谐波探测可 以得到包含气体浓度信息的二次信号而滤掉其他频率成分的信号。最终检测到的二次谐波 信号的幅值与水蒸气浓度有关，随着水蒸气浓度增加，谐波幅值呈现线性增长。如果不采取 相应措施，在宽范围的水气浓度检测中，会有部分的浓度量程下的谐波幅值超出采集范围。 因此对不同浓度下的水蒸气必须进行不同电路参数处理，这样会导致电路复杂，变换麻烦， 而且容易引进其他电路噪声，因此探测简易度受到了限制。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷和不足，本专利技术提供一种量程自控的微量水蒸气检测浓 度方法，该方法能更简易方便并且精确有效进行水蒸气浓度的检测。 本专利技术方法的技术方案如下： -种量程自控的微量水蒸气检测浓度方法，由以下测量系统来实现，该系统包括 单片机A、单片机B、温控驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相 放大器、高精度基准电压发生器、减法器、增益控制模块和信号采集模块，温控驱动模块包 括温控模块和驱动模块，单片机A连接驱动模块，温控驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激 光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模 块的输入端，电流电压转换模块输出端和锁相放大器相连接，单片机A连接锁相放大器的参 考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号;锁相放大器与减法器的正相输入端相连，由锁 相放大器解调得到的二次谐波可送入减法器的正相输入端，高精度基准电压发生器与减法 器的负向输入端相连，增益控制模块连接到减法器的输出端和负向输入端之间以构成负反 馈连接方式，同时增益控制模块和信号采集模块分别与单片机B相连接，以控制谐波幅值增 益的反馈回路，信号采集模块每采集一次幅值，单片机B控制增益控制模块进行一次调整， 同时单片机B将采集得到的谐波幅值以及调整的增益值的数据通过串口输入电脑，并在电 脑中显示保存，该方法步骤如下： 1)将上述各部件连接好，接通电源，调试光路和电路使其能够正常工作;打开气室 阀门，将待测气体注入气室内，充气20分钟，确保气室内无其他气体残留； 2)单片机A产生一次调制信号叠加低频的扫描信号作为驱动信号，输入驱动模块， 驱动模块驱动DFB激光器的发光，同时温控模块控制激光器工作温度，单片机A还产生一个 频率二倍于一次调制波的二次参考信号输入锁相放大器的参考信号输入端，用于锁相放大 器选频，在正式测量前，将示波器分别接在驱动模块输出端和锁相放大器参考信号输入端， 检查驱动信号以及参考信号是否正常； 3)激光器发出的激光输入气室产生吸收，吸收后的光信号经光纤到达光电探测 器，光电探测器将光信号转化为电流信号，通过电流电压转换模块将信号转变为携带水气 信息的电压信号，电流电压转换模块输出端连接锁相放大器输入端，锁相放大器对于该电 压信号和参考信号进行锁相处理，得到包含水气浓度信息的二次谐波信号； 4)为保证二次谐波信号在信号采集模块可采集的范围内，需要对锁相放大器输出 的谐波信号进行直流偏置电压调整，锁相放大器输出端连接减法器的正相输入端，高精度 基准电压发生器连接减法器的负向输入端为减法器提供高精度稳定电压，通过调节高精度 基准电压发生器产生的电压大小，调整参与减法器运算的直流电压大小，达到调整谐波信 号直流偏置电压的目的； 5)由减法器输出的二次谐波信号进入信号采集模块的输入端，信号采集模块对二 次谐波进行幅值采集，便可得到携带水气浓度信息的谐波幅值，信号采集模块与单片机B相 连，谐波幅值由信号采集模块输出后输入单片机B，单片机B内预先设定好控制增益的程序， 并指定谐波幅值范围，单片机B将采集的谐波幅值与设定范围作比较，谐波幅值如果在设定 范围之内，则不需调整;谐波幅值如果大于设定范围最大值，增益控制模块会控制减小增益 值，谐波增益减小，幅值下降；如果谐波幅值小于设定范围最小值，增益控制模块会控制增 大增益值，谐波增益增大，幅值变大;被调整过的谐波将再次进入信号采集模块，重复上述 过程，每经一次调整，单片机B将采集得到的谐波幅值以及调整的增益值的数据通过串口输 入电脑，并在电脑中显示保存，通过显示的数据，将原本谐波幅值还原，进而得到水蒸气浓 度； 6)待测气体的水气浓度检测完毕，关闭电源。 本专利技术采用的检测原理如哈尔滨工程大学张可可所写论文《光谱吸收光纤气体检 测理论及技术研究》所述，在一个大气压下，水蒸气的吸收线性可由洛伦兹线型表示，在红 外波段，水蒸气的吸收系数较小，标准大气压下的输出光强可表示为：I(v) =Io(v) (1) 式中α(u)为气体在光频率为u处的吸收系数，L为光通过待测气体的光程，C为待测 气体的体积浓度。调节激光器的温度和直流驱动电流，使激光波长为定在水蒸气的某一吸 收峰处。然后，在激光器的驱动电流信号上叠加适当频率和幅度的正弦信号，对激光器的波 长进行调制，使其在吸收峰处按正弦规律变化，激光器瞬时输出功率为： (t) =vc+Δvcosωt (2) 式中Δv为调制幅度，ω为调制角频率，为激光器中心频率。将激光器波长稳定 在吸收中心处，即有Vc^vo,，归一化频率偏移X可利用谱线半宽γ和瞬时频率v表示⑶ 式中：XQ=(vc-V())/y;m=Δν/γ为波长调制系数。通过气体吸收后，检测到的输 出信号为 S(x) =I(x) =I(xo+mcosωt) (4) 对(4)进行傅里叶展开，可得到直流及1，2,3次谐波的表达式，对于频率调制的洛 伦兹线型来说，在吸收线的中心频率处的偶次谐波信号幅值中包含了待测气体的浓度信 息，可用于测量气体浓度。水蒸气浓度越大，谐波幅值会越高。然而各偶次谐波信号的最大 幅值随谐波次数的增大而减小，只有偶次谐波并且二次谐波信号是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量程自控的微量水蒸气检测浓度方法，由以下测量系统来实现，该系统包括单片机A、单片机B、温控驱动模块、DFB激光器、气室、光电探测器、电流电压转换模块、锁相放大器、高精度基准电压发生器、减法器、增益控制模块和信号采集模块，温控驱动模块包括温控模块和驱动模块，单片机A连接驱动模块，温控驱动模块与DFB激光器相连接，DFB激光器位于气室之前，气室后面放置光电探测器，光电探测器输出端连接到电流电压转换模块的输入端，电流电压转换模块输出端和锁相放大器相连接，单片机A连接锁相放大器的参考信号输入端，为锁相放大器提供参考信号；锁相放大器与减法器的正相输入端相连，由锁相放大器解调得到的二次谐波可送入减法器的正相输入端，高精度基准电压发生器与减法器的负向输入端相连，增益控制模块连接到减法器的输出端和负向输入端之间以构成负反馈连接方式，同时增益控制模块和信号采集模块分别与单片机B相连接，以控制谐波幅值增益的反馈回路，信号采集模块每采集一次幅值，单片机B控制增益控制模块进行一次调整，同时单片机B将采集得到的谐波幅值以及调整的增益值的数据通过串口输入电脑，并在电脑中显示保存，该方法步骤如下：1)将上述各部件连接好，接通电源，调试光路和电路使其能够正常工作；打开气室阀门，将待测气体注入气室内，充气20分钟，确保气室内无其他气体残留；2)单片机A产生一次调制信号叠加低频的扫描信号作为驱动信号，输入驱动模块，驱动模块驱动DFB激光器的发光，同时温控模块控制激光器工作温度，单片机A还产生一个频率二倍于一次调制波的二次参考信号输入锁相放大器的参考信号输入端，用于锁相放大器选频，在正式测量前，将示波器分别接在驱动模块输出端和锁相放大器参考信号输入端，检查驱动信号以及参考信号是否正常；3)激光器发出的激光输入气室产生吸收，吸收后的光信号经光纤到达光电探测器，光电探测器将光信号转化为电流信号，通过电流电压转换模块将信号转变为携带水气信息的电压信号，电流电压转换模块输出端连接锁相放大器输入端，锁相放大器对于该电压信号和参考信号进行锁相处理，得到包含水气浓度信息的二次谐波信号；4)为保证二次谐波信号在信号采集模块可采集的范围内，需要对锁相放大器输出的谐波信号进行直流偏置电压调整，锁相放大器输出端连接减法器的正相输入端，高精度基准电压发生器连接减法器的负向输入端为减法器提供高精度稳定电压，通过调节高精度基准电压发生器产生的电压大小，调整参与减法器运算的直流电压大小，达到调整谐波信号直流偏置电压的目的；5)由减法器输出的二次谐波信号进入信号采集模块的输入端，信号采集模块对二次谐波进行幅值采集，便可得到携带水气浓度信息的谐波幅值，信号采集模块与单片机B相连，谐波幅值由信号采集模块输出后输入单片机B，单片机B内预先设定好控制增益的程序，并指定谐波幅值范围，单片机B将采集的谐波幅值与设定范围作比较，谐波幅值如果在设定范围之内，则不需调整；谐波幅值如果大于设定范围最大值，增益控制模块会控制减小增益值，谐波增益减小，幅值下降；如果谐波幅值小于设定范围最小值，增益控制模块会控制增大增益值，谐波增益增大，幅值变大；被调整过的谐波将再次进入信号采集模块，重复上述过程，每经一次调整，单片机B将采集得到的谐波幅值以及调整的增益值的数据通过串口输入电脑，并在电脑中显示保存，通过显示的数据，将原本谐波幅值还原，进而得到水蒸气浓度；6)待测气体的水气浓度检测完毕，关闭电源。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈希，常军，魏巍，刘媛媛，王福鹏，刘永宁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37