基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，包括用于暂存待测气体的气室,气室连接激光发生组件和激光接收组件，激光发生组件输出激光进入气室，激光进入气室内与待测气体反应后的激光信号被激光接收组件接收，激光发生组件向激光接收组件发送二次解调参考信号，激光接收组件籍由二次参考信号对在气室内接收的若干激光信号中解调得到二次谐波信号，激光接收组件连接信号采集模块，并将二次谐波信号传输到信号采集模块，信号采集模块对二次谐波信号检测并平均后输出。本实用新型专利技术根据二次谐波法，利用二次信号解调一次的调制信号，成功规避一次谐波带来的直流偏置的影响，大大提高信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光纤传感探测
技术，特别涉及一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统。
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。现如今使用的检测微量气体的方法有露点法、电解法、阻容法等。而这些检测方法存在反应速度慢，精确度低，寿命短并且成本很高。因此，迫切需要一种新的有效精确的方法来解决此类问题。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本技术提供一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，实现的目的之一是利用二次信号解调一次的调制信号，成功规避一次谐波带来的直流偏置的影响，大大提高信噪比，使得电路简化，减少电路冗杂带来的多余噪声。为实现上述目的，本技术提供了一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，包括用于暂存待测气体的气室,所述气室连接激光发生组件和激光接收组件，所述激光发生组件输出激光进入所述气室，所述激光进入所述气室内与所述待测气体中的水蒸气反应后的激光信号被所述激光接收组件接收，所述激光发生组件向所述激光接收组件发送二次解调参考信号，所述激光接收组件籍由所述二次参考信号对在所述气室内接收的若干所述激光信号中解调得到二次谐波信号，所述激光接收组件连接信号采集模块，并将所述二次谐波信号传输到所述信号采集模块，所述信号采集模块对所述二次谐波信号检测并平均后输出。前述结构根据二次谐波法，利用二次信号解调一次的调制信号，成功规避一次谐波带来的直流偏置的影响，大大提高信噪比。优选的，所述激光接收组件包括光电探测器、电流电压转换模块和锁相解调模块；所述光电探测器接收所述激光在所述气室内与所述待测气体中的水蒸气反应后的激光信号，所述激光信号包括经过水蒸气吸收峰处和无吸收处的多种波长，所述光电探测器将所述激光信号转换为光电流，所述光电流被送至电流电压转换模块；所述电流电压转换模块将所述光电流转换为电压信号，所述电压信号被送至所述锁相解调模块；所述锁相解调模块籍由所述二次解调参考信号从若干所述电压信号中选取所述二次谐波信号。通过利用锁相放大技术，有效且精确地测量出微量水蒸气浓度，通过单路锁相电路，利用二次信号解调一次的调制信号，成功规避一次谐波带来的直流偏置的影响，大大提高信噪比，使得电路简化，减少电路冗杂带来的多余噪声。在某些优选的实施例中，所述电流电压转换模块连接光强自动控制模块，所述光强自动控制模块在所述光电探测器接收的所述光信号光强不稳导致所述电压信号幅值漂移时稳定所述电流电压转换模块输出的所述电压信号。所述光强自动控制模块输出端连接所述锁相解调模块，对输出信号进行锁相，所述锁相解调模块籍由二次参考信号进行解调，得到与所述低频扫描信号相同频率的二次谐波信号。通过信号采集模块采得二次谐波幅值信息，根据水蒸气浓度与幅值关系，计算得出水蒸气浓度信息。优选的，所述二次解调参考信号的频率是所述电压信号的频率的两倍。优选的，所述激光发生组件包括波形发生模块，激光器驱动模块和DFB激光器，所述波形发生模块向所述激光器驱动模块发送所述一次调制信号，同时向所述激光接收组件发送所述二次解调参考信号。优选的，所述二次解调参考信号由所述波形发生模块产生低频扫描信号叠加于所述一次调制信号上形成，所述二次解调参考信号的频率是所述一次调制信号的频率的两倍。所述波形发生模块产生高频调制信号作为一次调制信号输送到激光器驱动模块用于调制激光器，另外所述波形发生模块同时产生低频扫描信号叠加于所述高频调制信号上形成所述二次解调参考信号，所述低频扫描信号叠加于所述高频调制信号用来扩大波长扫描范围，更能进一步抑制噪声。优选的，所述DFB激光器连接激光器温控模块，所述激光器温控模块控制所述DFB激光器的温度，并向所述DFB激光器提供水蒸气吸收峰处的波长和无吸收处的波长的直流偏置信号，用于所述DFB激光器输出中心波长的选择。在一些实施例中，所述水蒸气吸收峰处的波长为1368.597nm，所述无吸收处的波长为1368.41nm。优选的，所述DFB激光器籍由3:7耦合器与所述气室相连。本技术的有益效果：1、本技术基于光谱吸收理论，利用调制光谱技术和锁相放大技术，有效且精确地测量出微量水蒸气浓度。2、本技术结合二次谐波法，通过单路锁相电路，利用二次信号解调一次的调制信号，成功规避一次谐波带来的直流偏置的影响，大大提高信噪比，使得电路简化，减少电路冗杂带来的多余噪声。2、本技术还添加光强自动控制模块，用来消除光强变化带来的测量误差，增强系统稳定性，大幅提高探测精度，提高分辨率。以下将结合附图对本技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本技术的目的、特征和效果。附图说明图1示出的是本技术的系统结构示意图。图2示出的是本技术水蒸气吸收的光谱图波长选择示意图。图3示出的是本技术使用的激光器驱动信号波形图。图4示出的是本技术检测到的二次谐波信号波形图。具体实施方式实施例1如图1所示，一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，包括用于暂存待测气体的气室5，气室5连接激光发生组件和激光接收组件，激光发生组件输出激光进入气室5，激光进入气室5内与待测气体中的水蒸气反应后的激光信号被激光接收组件接收，激光发生组件向激光接收组件发送二次解调参考信号13，激光接收组件籍由二次参考信号13对在气室5内接收的若干激光信号中解调得到二次谐波信号，激光接收组件连接信号采集模块11，并将二次谐波信号传输到信号采集模块11，信号采集模块11对二次谐波信号检测平均后输出显示。在一些实施例中，激光接收组件包括光电探测器6、电流电压转换模块8和锁相解调模块10；光电探测器6接收激光在气室5内与待测气体中的水蒸气反应后的激光信号，激光信号包括经过水蒸气吸收峰处和无吸收处的若干波长，光电探测器6将激光信号转换为光电流，光电流被送至电流电压转换模块8；电流电压转换模块8将光电流转换为电压信号，电压信号被送至锁相解调模块10；锁相解调模块10籍由二次解调参考信号13从若干电压信号中选取二次谐波信号。正是由于本技术采用了前述设计特征，通过锁相解调模块10的应用，根据波长调制光谱与谐波检测理论，在频率调制信号模型的基础上，采用频率-强度调制信号，依据高斯线型和洛伦兹线型的各次谐波信号与波长调制系数的关系，确定各次谐波最佳的波长调制系数。以锁相放大器的基本原理为基础，利用锁相放大器提取二次谐波的幅值信号，有效抑制移相调节误差和模拟器件漂移对谐波幅值测量准确性的影响，提高系统的检测精度。具体来说，本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》，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，标准大气压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，包括用于暂存待测气体的气室(5)；其特征在于，所述气室(5)连接激光发生组件和激光接收组件，所述激光发生组件输出激光进入所述气室(5)，所述激光进入所述气室(5)内与所述待测气体反应后的激光信号被所述激光接收组件接收，所述激光发生组件向所述激光接收组件发送二次解调参考信号(13)，所述激光接收组件籍由所述二次参考信号(13)对在所述气室(5)内接收的若干所述激光信号中解调得到二次谐波信号，所述激光接收组件连接信号采集模块(11)，并将所述二次谐波信号传输到所述信号采集模块(11)，所述信号采集模块(11)对所述二次谐波信号检测并平均后输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，包括用于暂存待测气体的气室(5)；其特征在于，所述气室(5)连接激光发生组件和激光接收组件，所述激光发生组件输出激光进入所述气室(5)，所述激光进入所述气室(5)内与所述待测气体反应后的激光信号被所述激光接收组件接收，所述激光发生组件向所述激光接收组件发送二次解调参考信号(13)，所述激光接收组件籍由所述二次参考信号(13)对在所述气室(5)内接收的若干所述激光信号中解调得到二次谐波信号，所述激光接收组件连接信号采集模块(11)，并将所述二次谐波信号传输到所述信号采集模块(11)，所述信号采集模块(11)对所述二次谐波信号检测并平均后输出。2.根据权利要求1所述的基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，其特征在于，所述激光接收组件包括光电探测器(6)、电流电压转换模块(8)和锁相解调模块(10)；所述光电探测器(6)接收所述激光在所述气室(5)内与所述待测气体中的水蒸气反应后的激光信号，所述激光信号包括经过水蒸气吸收峰处和无吸收处的若干波长，所述光电探测器(6)将所述激光信号转换为光电流，所述光电流被送至电流电压转换模块(8)；所述电流电压转换模块(8)将所述光电流转换为电压信号，所述电压信号被送至所述锁相解调模块(10)；所述锁相解调模块(10)籍由所述二次解调参考信号(13)从若干所述电压信号中选取所述二次谐波信号。3.根据权利要求2所述的基于波长调制光谱的高分辨率红外微量水蒸气检测系统，其特征在于，所述电流电压转换模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建芳，朱海波，
申请(专利权)人：上海国孚电力设计工程股份有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31