一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统技术方案

本发明专利技术的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，浓度检测模块中向气体吸收池内通入待测气体，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经过衰减后的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；锁相放大器提取红外探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分，通过对数运算模块，进行对数运算、三次差分电路运算，得到变量V3，通过信号显示模块显示气体浓度值大小。本发明专利技术的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，实现了对于朗伯

【技术实现步骤摘要】
一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统


[0001]本专利技术属于红外气体光谱检测
，具体涉及一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统。

技术介绍

[0002]除了气候问题之外，诸如CO2之类的温室气体浓度的增加还会对人体造成不同程度的影响。传统的气体检测方法比如电化学法，主要是通过化学反应来实现对特定气体的检测，但这种方法无法检测大气中最常见的温室气体CO2，并且使用寿命短、精度低、容易受其它气体的干扰。而气体红外光谱检测技术则是基于不同气体在中红外光谱下的指纹吸收特性来检测气体，是依靠气体本身的光学特性来分辨气体的种类和浓度，具有稳定性高、工作寿命长、温度范围广、气体选择性好等特点，能够对CO2、CH4、CO、N2O、H2CO、NH3、NO、OCS、C2H4、O3多种气体进行高精度检测。
[0003]而气体红外光谱检测技术的一大难题就在于其非线性特性，根据朗伯
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比尔定律，气体的浓度与光强的衰减关系为指数关系，而这一非线性的关系将会带来以下劣势：首先，非线性传感器的输出与输入之间的关系更加复杂，可能需要更复杂的数学模型或校准方法来解释和处理传感器的输出数据。其次，非线性区域的误差较大。在传感器的非线性区域内，其输出可能与实际值之间存在较大的误差。这会导致测量结果的不准确性，并可能影响系统的性能和可靠性。再次，非线性传感器可能会引入信号失真，使得输出信号的波形变形或包含其他非线性特征。这可能对需要精确测量和准确控制的应用造成问题。最后，在信号传输过程中，非线性传感器的输出可能会受到传输特性的影响，例如噪声、衰减和非线性失真等。这会对传感器信号的可靠性和稳定性造成负面影响。尽管非线性传感器在某些应用中可能具有一定的优势，但在许多工程和科学应用中，线性传感器通常更为常见和可靠。线性输出使得传感器的校准、数据处理和系统集成更加简单，同时提供更可预测和准确的测量结果。
[0004]现有技术中利用单片机的运算实现线性化处理，但是通过单片机的运算实现的线性化处理方式存在以下问题：首先，单片机处理连续信号的能力较弱。单片机是基于数字信号处理的，无法直接处理连续信号。它们通过采样和量化将连续信号转换为离散的数字信号进行处理。这意味着在某些应用中，单片机无法提供与模拟电路相同的精确度和连续性。其次，实时性受限。虽然现代单片机的处理速度非常快，但在某些高速、实时要求严格的应用中，模拟电路可能更适合。单片机需要通过中断或轮询等方式来实现实时处理，可能存在一定的延迟。再次，单片机的复杂性较大，开发时间较长。相对于简单的模拟电路设计，单片机的设计和开发过程可能更为复杂。它们需要编程和调试，并涉及更多的软件开发环节。这可能导致设计和开发时间更长。从次，单片机依赖于供电和噪声干扰。单片机对稳定的电源供应有较高的要求，而模拟电路对电源波动和噪声干扰的容忍度更高。单片机可能对电源噪声和电磁干扰更为敏感，需要采取额外的措施来保证稳定的运行。最后，单片机成本昂贵。单片机通常需要外部器件，如晶体振荡器、存储器、外设等，这可能增加设计的成本和复
杂性。相比之下，简单的模拟电路通常具有较低的成本。
[0005]中国专利CN108760050 A，专利名称“吸光度检测电路”，公开日期2018年11月06日，提供一种吸光度检测电路，能够直接进行双波长吸光度差计算，测试结果分辨率高，测量误差小，响应速度快，且利于电路简洁、成本低。但是，该技术方案中，选取两路电信号传输后直接对其进行对数运算，容易受到探测器零点漂移、环境温湿度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，导致探测系统的不稳定，测量值的漂移严重。另外，该技术方案中，电路设计部分均采用单片机实现，如之前所述，单片机存在实时性差、复杂度高、连续性差、精确度低、成本高等缺点，无法满足高精度、低成本、小型化气体探测装置的需要。
[0006]为了更好地和实际工业生产要求相符合，专利技术一种实时性好、结构简单、连续性强、精确度高、成本低的基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于，提供一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，在原有气体检测装置线性动态范围较低的情况下，通过加入对数电路的方法，改变输出电信号与待测气体浓度之间的对应关系，实现正比例的对应关系，既扩大了线性动态范围，又降低了成本。本专利技术的基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统还具有很强的适配性与稳定性，能适配不同光程、不同光源、不同探测器、不同气体、不同浓度、不同温度、不同检测方式的气体红外光谱检测。这是因为凡是基于气体红外光谱检测技术的装置，都遵循朗伯
‑
比尔定律，而所有指数函数经过对数电路后都能够转换为线性函数，实现线性化输出。
[0008]为此，本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述系统包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；其中，所述浓度检测模块中向气体吸收池内通入待测气体充满整个气室，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经过衰减后的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；所述差分放大模块中的锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取红外探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分消除所述一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项后，通过对数运算模块，进行对数运算、三次差分电路的一系列运算，得到与浓度成正比例关系的变量V3，通过信号显示模块显示气体浓度值大小。
[0009]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本专利技术的优选技术方案：所述浓度检测模块包括中红外光源、准直透镜、光学斩波器、气体吸收池、聚焦透镜；所述中红外光源所发出的红外光范围为3
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5μm；所述准直透镜选择波段范围为2
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5μm的平凸透镜，所述准直透镜放置于所述中红外光源之后用于准直光线；所述光学斩波器对光信号进行频率调制，降低背景光的干扰；所述气体吸收池提供中红外光吸收的场所，待测气体从其进气口通入，在吸收了中红外光之后从其出气口流出；所述聚焦透镜波段范围为2
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5μm的平凸透镜，其放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光
线，提升探测器的输出信噪比；作为本专利技术的优选技术方案：所述中红外光源包括黑体光源、中红外激光器、中红外LED灯。
[0010]作为本专利技术的优选技术方案：所述准直透镜、所述聚焦透镜，选用氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，作为本专利技术的优选技术方案：所述光电转换模块包括带通滤光片和红外探测器，所述带通滤光片包含测量滤光片和参考滤光片，所述测量滤光片的带通范围内包含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于检测被测气体的浓度值，所述参考滤光片的带通范围内要求不含有被测气体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；所述浓度检测模块包括向气体吸收池内通入待测气体直至充满气室，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经衰减的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；所述差分放大模块中的锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取红外探测器双通道信号，一次差分放大电路对输入的双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分消除，二次差分消除一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项后，输出的电信号通过对数运算模块、三次差分电路的运算，得到与浓度成正比例关系的变量V3，通过信号显示模块显示气体浓度值。2.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述浓度检测模块包括中红外光源、准直透镜、光学斩波器、气体吸收池、聚焦透镜；所述中红外光源所发出的红外光范围为3
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5μm；所述准直透镜选择波段范围为2
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5μm的平凸透镜，所述准直透镜放置于所述中红外光源之后用于准直光线；所述光学斩波器对光信号进行频率调制，用于降低背景光的干扰；所述气体吸收池提供中红外光吸收的场所，待测气体从其进气口通入，在吸收了中红外光之后从其出气口流出；所述聚焦透镜波段范围为2
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5μm的平凸透镜，其放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光线，以提升探测器的输出信噪比。3.如权利要求2所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述中红外光源选用黑体光源、中红外激光器或中红外LED灯。4.如权利要求2所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述准直透镜选用氟化钙平凸透镜、氟化镁平凸透镜、氟化钡平凸透镜或硒化锌平凸透镜；所述聚焦透镜选用氟化钙平凸透镜、氟化镁平凸透镜、氟化钡平凸透镜或硒化锌平凸透镜。5.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述光电转换模块包括带通滤光片和红外探...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡伟达，吴海涛，李庆，贺婷，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：