一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过采用波长调制并结合正交解调方法，将混有干扰噪声的吸收信号中的二倍高频窄带成分信号提取出来，即可将宽带直接吸收信号转移至窄带高频点，实现第一层抗噪；信号调理部分对采集前的二次谐波信号在硬件上做了带宽限制和线性放大，进一步提高信号信噪比及降低带宽外噪声，在硬件上实现了第二层抗噪；最后信号优化处理单元对调理过后的二次谐波信号做优化处理，得到优化二次谐波信号，有效克服了电路内部的不稳定因素会给二次谐波信号带来噪声，进一步提高了信号信噪比。本发明专利技术通过多级联合抗噪方法，保证了玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声鲁棒性。

A noise suppression device and method of gas concentration detection signal in glass bottle

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法
本专利技术属于气体检测
，具体涉及基于波长调制技术的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法。
技术介绍
在制药行业中，为了保证玻璃药瓶内药物的无菌性，在药瓶生产过程中需要对瓶内氧气浓度进行检测，国际上已有公司对密封玻璃药瓶内的氧气浓度进行检测，如美国的LIGHTHOUSE公司，意大利的贝威蒂公司等。然而，生产线线上密封玻璃药瓶(如：西林药瓶)的在线氧气浓度探测任务需要在开放光路环境中完成。其中，由于玻璃瓶内的激光光路极短，且氧气的激光光强吸收率也十分微弱，造成检测信号本身是一个弱信号，再次在开放光路中，光学器件之间的标准具效应造成的光干涉噪声、电路间连接不稳定所带来的电磁噪声、仪器构件的震动引起的随机噪声都会在弱检测信号上叠加多重干扰噪声。如何实现强干扰背景下的弱检测信号噪声抑制鲁棒性是完成高精度高可靠玻璃瓶内气体浓度检测的关键前提。目前，气体浓度检测信号的噪声抑制方法研究中，LIU等提出利用小波变换的方法对检测信号进行抗噪处理及基线校正，这种算法能够提高检测信号的信噪比，但是不同的小波函数及分解层数都会带来差异较大的滤波效果，Meng等提出利用经验模态分解方法对检测信号进行自适应分解，可以降低信号中的噪声成分，但是经验模态分解方法固有存在的模态混叠及数学模型不完备的缺点，在应用于波形去噪方面仍具有很大的提升空间。许多研究者都从数字滤波的角度进行信号降噪处理，硬件上增强信号质量的方法研究的比较少，寻找一种软硬件结合的方法并从系统的各个部分增强信号质量，且从机制上抑制弱检测信号的干扰噪声，以提高玻璃瓶内气体浓度正检率，是目前亟待解决的一个技术问题。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，提供一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过多层联合抗噪的原理，解决了整个检测系统中噪声随机出现而削弱检测信号质量的问题。为解决上述技问题，本专利技术所提供的技术方案为：一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，所述玻璃瓶内气体浓度检测信号为应用TDLAS/WMS(基于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱)技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测得到的谐波信号；所述噪声抑制装置包括依次连接的信号调理部分15和信号处理部分16；所述信号调理部分15包括信号放大电路151、带通滤波电路及电平搬移电路153，分别对谐波信号进行线性放大、带通滤波和电平搬移处理；所述信号处理部分16包括信号采集模块161和信号优化模块162；所述信号采集模块161采集经信号调理部分调理后输出的谐波信号，并对其进行模数转换；信号优化模块162对数字形式的谐波信号进行降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比。进一步地，所述信号放大电路151包括两级放大电路，即前级放大电路和次级放大电路，可以避免单级放大电路所带来的信号非线性失真问题。进一步地，所述带通滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；所述前级放大电路、低通滤波电路、次级放大电路和高通滤波电路依次连接。进一步地，所述前级放大电路选择有源运算放大电路进行5.1倍的线性放大，提高信噪比；所述低通滤波电路设置截止频率为327Hz，以抑制高频噪声；所述次级放大电路选择有源运算放大电路将经过低通滤波后的信号进行2倍放大。进一步地，信号优化模块162对数字形式的谐波信号进行降噪运算，即利用EWT方法对其进行数学变换滤波，包括频率成分分割、各个频率成分滤波、对滤波后的信号做优化恢复，由此得到优化后的谐波信号。进一步地，所述频率成分分割方法为：根据快速傅立叶变换算法将谐波信号自适应地分割为M个频带。进一步地，所述各个频率成分滤波方法为：首先，根据经验尺度函数设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器，根据经验小波函数设置M个频带的带通滤波器，具体地：设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器的频域表达式为：设置第n个频带的带通滤波器的频域表达式为：其中，β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3)；然后，采用低通滤波器和带通滤波器对相应的频率成分进行滤波，通过低通滤波器和各层带通滤波器后的信号分别为：其中，i'2f(ω)为数字形式的谐波信号i'2f(t)经过傅里叶变换后得到的频域信号。进一步地，所述对滤波后的信号做优化恢复的方法为：根据互相关运算得到优化后的谐波信号，具体地：首先，将与谐波信号i'2f(t)进行互相关运算，得到互相关系数Cn：然后，为每个通过带通滤波器后的信号赋予权重，得到置权重后的信号最后，对谐波信号i'2f(t)进行优化恢复，得到优化后的谐波信号其中，φ1(t)和ψn(t)分别为和经过傅里叶反变换得到的时域信号。进一步地，应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测的装置包括：激光控制器10、激光发射器11、光电检测器13、与所述光电检测器13连接的信号解调部分14；所述激光控制器10包括温度控制器101和电流控制器102；所述温度控制器101用于控制激光发射器11在正常的温度范围内工作，所述电流控制器102用于为激光发射器11提供一定范围内的调谐电流；所述激光发射器11包括激光二极管111和散热片112；所述激光二极管111向玻璃瓶12发射能够覆盖玻璃瓶中待测气体中心波长的调谐激光，所述散热片112将激光二极管111产生的热量发散到周围空间，避免激光二极管111长时间工作由于热量堆积造成的损害；所述光电检测13包括光敏传感器131和增益控制器132；所述光敏传感器131接收穿透玻璃瓶后的调谐激光，将接收到的光信号转换为电信号，所述光电检测器13中的增益控制器132用于调节光信号转换为电信号的增益倍数；所述信号解调部分(总体技术抗噪单元)14包括DDS141和谐波解调器142；所述DDS141合成低频锯齿波信号与高频正弦波信号，并将合成后的信号输入至电流控制器102，电流控制器102在低频锯齿波信号上叠加高频正弦波信号，生成调制信号，用于对激光发射信号进行波长调制，所述谐波解调器142用于将光电检测器13转换后的电信号i(t)进行正交解调，即将i(t)与高频正弦波信号的倍频信号相乘，得到谐波信号(不失一般性地，将i(t)与高频正弦波信号的二倍频信号相乘，解调得到二次谐波信号)。一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，采用上述的噪声抑制装置对玻璃瓶内气体浓度检测信号进行噪声抑制。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提供的一种用于玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置及方法，通过采用波长调制并结合正交解调方法，将混有干扰噪声的i(t)信号中的高频窄带成分信号(谐波信号)提取出来，即将宽带信号变换为窄带信号，不仅从机制上有效抑制环境噪声，且解调后的谐波信号具有更窄的带宽，在机制上抑制了环境干扰或是仪器震动等原因所引起的不确定性噪声，实现第一层抗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，所述玻璃瓶内气体浓度检测信号为应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测得到的谐波信号；所述噪声抑制装置包括依次连接的信号调理部分(15)和信号处理部分(16)；/n所述信号调理部分(15)包括信号放大电路(151)、带通滤波电路及电平搬移电路(153)，分别对谐波信号进行线性放大、带通滤波和电平搬移处理；/n所述信号处理部分(16)包括信号采集模块(161)和信号优化模块(162)；所述信号采集模块(161)采集经信号调理部分调理后输出的谐波信号，并对其进行模数转换；信号优化模块(162)对数字形式的谐波信号进行降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比。/n

【技术特征摘要】
1.一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，所述玻璃瓶内气体浓度检测信号为应用TDLAS/WMS技术对玻璃瓶内气体浓度进行检测得到的谐波信号；所述噪声抑制装置包括依次连接的信号调理部分(15)和信号处理部分(16)；
所述信号调理部分(15)包括信号放大电路(151)、带通滤波电路及电平搬移电路(153)，分别对谐波信号进行线性放大、带通滤波和电平搬移处理；
所述信号处理部分(16)包括信号采集模块(161)和信号优化模块(162)；所述信号采集模块(161)采集经信号调理部分调理后输出的谐波信号，并对其进行模数转换；信号优化模块(162)对数字形式的谐波信号进行降噪运算，再次提高谐波信号的信噪比。


2.根据权利要求1所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，所述信号放大电路(151)包括两级放大电路，即前级放大电路和次级放大电路。


3.根据权利要求2所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述带通滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；所述前级放大电路、低通滤波电路、次级放大电路和高通滤波电路依次连接。


4.根据权利要求3所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述前级放大电路选择有源运算放大电路对检测得到的谐波信号进行5.1倍的功率放大；所述低通滤波电路设置截止频率为327Hz；所述次级放大电路选择有源运算放大电路将经过低通滤波后的信号进行2倍放大。


5.根据权利要求1所述的玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制装置，其特征在于，信号优化模块(162)对数字形式的谐波信号进行降噪运算，即利用EWT方法对其进行数学变换滤波，包括频率成分分割、各个频率成分滤波、对滤波后的信号做优化恢复，由此得到优化后的谐波信号。


6.根据权利要求5所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述频率成分分割方法为：根据快速傅立叶变换算法将谐波信号自适应地分割为M个频带，其中第n个频带的频率范围为[ωn-1,ωn]，n＝1,2,…,M。


7.根据权利要求6所述的一种玻璃瓶内气体浓度检测信号的噪声抑制方法，其特征在于，所述各个频率成分滤波方法为：
首先，根据经验尺度函数设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器，根据经验小波函数设置M个频带的带通滤波器，具体地：
设置频率范围为[0,ω1]内的低通滤波器的频域表达式为：



设置第n个频带的带通滤波器的频域表达式为：



其中，β(x)＝x4(35-84x+70x2-20x3)；
然后，采用低通滤波...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗旗舞，阳春华，桂卫华，宋操，刘紫怀，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43