直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路及檢測方法技術

本發明專利技術公開了一種直接測量氣體吸收譜形的方法，屬于氣體檢測領域。所述方法為對由同一激光分出的兩束光經兩個不同光路，由兩個光探測器再對激光信號分別進行檢測，產生的電信號經過預放電路進行放大。其中一路激光信號經過了被測氣體的吸收，另外一路信號可經過已知濃度的氣體吸收或者沒經過氣體吸收。兩路探測器的信號經過除法器后，直接反映了氣體吸收強度。如果再經過對數器，可以直接得到吸收系數。本發明專利技術的檢測方法在數據被采集前直接將這些噪聲在電路上消除掉，使得后續數據采集電路采集到的信號直接和氣體吸收譜形成比例。簡化了數據處理的過程，提高了檢測精度。此外，本發明專利技術還公開了一種直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種氣體測量方法，特別是涉及一種直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路及檢測方法。
技術介紹
在大氣監測以及各種工業過程監控中，利用不同氣體的特征吸收波長各異的特點，可調諧激光吸收光譜方法越來越被重視。這種利用氣體特征吸收線的激光檢測法有靈敏度高、選擇性強、免維護以及使用壽命長等一系列優點，是最近十多年來發展迅速的一項新興的氣體檢測技術。其良好的技術發展前景日益受到國內外相關領域的研究者和使用者的廣泛重視。利用氣體的特征吸收線進行穩頻的激光器可以作為標準波長激光器。 采用可調諧激光吸收光譜技術研究氣體吸收時，現在大多采用體積小、控制方便、價格便宜的半導體激光器。調諧半導體激光器時，在激光器波長被調諧的同時，半導體激光器的輸出強度一樣被調制。這種被調制的強度被稱為殘余幅度噪聲(RAM)，在諧波檢測方法中，殘余幅度噪聲作為主要背景信號噪聲嚴重限制了測量精度。而且半導體激光器本身的功率_電流輸出特性往往會出現扭折，即非線性，這種非線性同樣會成為檢測的一種噪聲。在現在通用的方法中，大都是在數據采集電路將數據采集后，利用單片機或計算機進行數據處理的辦法來消除這些噪聲的影響。
技術實現思路
本專利技術的檢測方法在數據被采集前直接將這些噪聲在電路上消除掉，使得后續數據采集電路采集到的信號直接和氣體吸收譜形成比例。 所述技術方案如下 本專利技術的一種直接測量氣體吸收譜形的檢測方法，所述方法包括下列步驟 步驟A :由同一激光分出兩束光并經兩個不同光路，其中一路經過待測氣體吸收后由光探測器進行檢測，另一路不經過任何氣體進行吸收或經過已知氣體吸收后由另一光探測器進行檢測； 步驟B :將兩個光探測器輸出的電流信號分別進行放大處理； 步驟C:對經過放大處理后的輸出結果進行除法運算，其線性輸出直接反映待測氣體的吸收強度譜形。 本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的檢測方法，所述步驟C具體為，將經過放大處理的兩個輸出結果輸入除法器中進行相除運算。 本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的檢測方法，所述步驟C還包括，對除法運算的結果進行對數運算，其運算結果直接反映待測氣體的吸收系數譜形。 本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的檢測方法，在所述步驟B中，還包括通過調節兩個光探測器輸出的電流信號放大系數來調整輸出信號。 本專利技術還提供了一種直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路，所述平衡檢測電路包括第一放大電路和第二放大電路，兩個放大電路分別與除法器相連接，在除法器的輸出 端連接有對數器；所述第一放大電路的輸入端與第一光探測器相連接，所述第二放大電路 的輸入端與第二光探測器相連接。 本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路中，所述第一光探測器與所述第 二光探測器是同類探測器，其響應波長由待測氣體決定。 本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路中，所述第一放大電路和第二放 大電路可以分別對第一光探測器和所述第二光探測器輸入的電信號提供不同的放大系數。 本專利技術提供的技術方案的有益效果是本專利技術的檢測方法在數據被采集前直接將 這些噪聲在電路上消除掉，使得后續數據采集電路采集到的信號直接和氣體吸收譜形成比例。簡化了數據處理的過程，提高了檢測精度。 附圖說明 圖1是本專利技術提供的一種直接測量氣體吸收譜形的檢測方法的流程圖； 圖2是本專利技術提供的一種直接測量氣體吸收譜形的平衡檢測電路的結構示意圖。具體實施例方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本專利技術實施方 式作進一步地詳細描述。 本專利技術的目的為了消除在用可調諧半導體激光吸收光譜方法檢測氣體濃度時，由半導體激光器的電流調制或其功率_電流輸出非線性造成的殘余幅度噪聲。 為此，本專利技術直接測量氣體吸收譜形的方法提出了一種平衡檢測電路，利用該電路將由同一激光分出兩束激光信號，其中一路經過氣體吸收的激光信號和另一路激光器直接輸出的信號分別進行放大后，將二者比較相除，其除法器得到的信號是和氣體吸收譜形直接相關的信號，此時由于半導體激光器本身強度變化產生的噪聲分量將被很大程度上被抵消。如果將除法器的信號進一步經過對數器，則最終的對數輸出結果將是和吸收強度、氣體濃度、吸收長度成比例的信號。 利用本專利技術的直接測量氣體吸收譜形的方法進行測量的基本步驟如下 步驟101 :由同一激光發生裝置發出的兩束激光信號，其中一路激光信號經過待 測氣體進行吸收后入射至光探測器B，并產生電流iB，而另一路激光信號作為參考光不經任 何氣體進行吸收或經過已知濃度和吸收長度的氣體進行吸收后入射至光探測器A，并產生 電流iA。 根據氣體分子的選擇性吸收理論，由比爾_郎伯定律，波長為A的光通過吸收長度為L的氣體吸收后，出射光強IB( A ， t)為 IB (入，t) = I0 (入，t) CB (入)exp (_ a (入)cU 其中I。( A ， t)是激光器入射進氣體的光強，a ( A )是氣體吸收系數，c是氣體濃 度，Ce(A)是考慮了測量光路各種光損耗的總耦合吸收。 假設入射到光探測器A的光強為IA ( A ， t)，則 IA(A ， t) = 1。(入，t)Q(入) 其中是Q(A)是考慮了參考光路各種光損耗的總耦合吸收。 假設兩個探測器的響應度分別為DA ( A )和DB ( A )，則經過兩個探測器產生的電流 分別為 iB(A ， t)IB =(入，t) XDb(入)=1。(入，t)Q(入)Db(入)exp(-a (入)cL"(入，t) = Ia(入，t) XDa(入)=1。(入，t)Q(入)da(入) 兩個光探測器是特性相近的同類探測器，其響應波長由被檢測氣體決定。 為方便測量，也可以利用一臺本身帶有背光探測器的半導體激光器作為激光發生裝置，該背光探測器輸出的電流信號即為iA，而從激光器發出的激光信號經過被測氣體進行吸收后入射至光探測器B，并產生電流iB。 還可以由一臺半導體激光器輸出激光后經光纖分路器經一束激光分為兩路。其中 一路激光信號經過被測氣體進行吸收后入射至光探測器B，并產生電流iB，而另一路激光信 號不經任何氣體進行吸收或經過已知濃度的氣體進行吸收后入射至光探測器A，并產生電 流土a。 步驟102 :分別將由光探測器A輸出的電流"和由光探測器B輸出的電流ie輸入 放大電路進行放大。其兩個放大電路的放大系數分別為GB和Ga，得到放大后的信號Va和 VB。在該步驟中可以根據光路損耗不同分別調節放大電路的放大系數，進而通過調節電流 的方式對半導體激光器的輸出波長進行調節。 假設兩個放大電路的放大系數分別為GB和GA，則進入除法器的兩路信號分別為 VB( A ， t) = iB(A ， t) XGB = 1。(入，t) CB ( A ) DB ( A ) GBexp (—a ( A ))cL VA(A ， t)="(入，t) XGA = 1。(入，t)GA(A)DA(A)GA 步驟103 :將經過放大的兩路信號VA和VB輸入除法器進行除法運算，得到待測氣 體的強度吸收譜。 經過除法器后，得到的信號為 S(入，t) = VJ入，t)/Vb(入，t) = CA(A)DA(A)GA/ —般來講，由于所使用的光譜范圍很窄，光路上的損耗和探測器的響應度基本和 波長無關，這樣上式可以簡化為 S (人，t) = C/本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種直接測量氣體吸收譜形的檢測方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟：步驟Ａ：由同一激光分出兩束光并經兩個不同光路，其中一路經過待測氣體吸收后由光探測器進行檢測，另一路不經過任何氣體進行吸收或經過已知氣體吸收后由另一光探測器進行檢測；步驟Ｂ：將兩個光探測器輸出的電流信號分別進行放大處理；步驟Ｃ：對經過放大處理后的輸出結果進行除法運算，其輸出直接反映待測氣體的吸收強度譜形。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：錢進，張哲民，原輝，石春英，譚慧萍，
申請(專利權)人：中國計量科學研究院，張哲民，原輝，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]