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专利名称：一种气体的在线检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及物质的检测方法及装置，更具体地说，涉及一种气体的在线检测方法 和装置。
背景技术：
当前，汽车逐渐成为重要的交通工具，同时汽车排放的大量有害气体日益威胁着 人类健康和生存环境，是城市环境最主要的污染源之一。汽车排放污染物主要包括二氧 化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物(He)、氮氧化合物(NOx)、微粒物(由碳烟、铅氧化 物等重金属氧化物等组成)和硫化物等。目前，常见的气体检测技术主要有气相色谱法、傅 里叶变换红外光谱技术(FTIR)、光声光谱PAS技术、化学催化传感器等，色谱分析要求对 污染气体进行采样、处理，难以进行实时探测分析，而化学催化传感器的寿命短，稳定性 较差，受环境影响较大。这些方法都具有测试时间长、成本高、不便于实地操作的缺陷。随 着城市化进程加快，对气体进行在线检测变得越来越重要。发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述测试时间长、成本高、不便于 实地操作的缺陷，提供一种测试时间短、成本低、便于操作的一种气体的在线检测方法和装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种气体的在线检测方法，包 括如下步骤A)产生调制的驱动信号，使可调二极管激光器发出激光，并对所述激光分束输出两路 光信号;B)使所述两路光信号中的一路通过待检测气体传输指定距离，得到检测光信号；另一 路通过参考气体传输指定距离，得到参考光信号；C)分别将所述检测光信号和所述参考光信号经过光电转换并通过与锁相放大器处理 得到其各自的二次谐波；D)对比并处理所述二次谐波，并得到所述待测气体的成分和浓度。
在本发明所述的气体的在线检测方法中，所述步骤A)中进一步包括Al)产生锯齿波驱动信号并将其进行DA转换；A2)产生正弦波驱动信号并将其进行DA转换；A3)使用已进行DA转换的正弦波驱动信号对所述已进行DA转换的锯齿波驱动信号进 行调制，得到调制的驱动信号。
在本发明所述的气体的在线检测方法中，所述步骤C)中，对所述参考光信号和所 述检测光信号的处理步骤相同；对所述参考光信号或所述检测光信号的处理步骤分别进一 步包括Cl)将光信号进行光电转换并进行AD变换；C2)将上一步骤中得到的信号分别与锁相放大器输出的两路正交的、其频率为二次谐 波的参考信号相乘并分别进行低通滤波；C3)取得上一步骤中得到的两路信号的矢量和，得到该光信号的二次谐波。
在本发明所述的气体的在线检测方法中，所述步骤D)进一步包括Dl)对所述参考光信号和所述检测光信号进行步骤C)处理后得到的二次谐波信号进行 差分运算；D2)依据所述运算结果得到所述待测气体的浓度。
在本发明所述的气体的在线检测方法中，所述驱动信号产生、所述锁相放大器以 及对所述二次谐波的取得及运算均在同一个FPGA中实现。
本发明还涉及一种气体的在线检测装置，包括用于产生驱动信号的驱动信号产生 模块、用于将所述驱动信号产生模块所产生的驱动信号进行DA转换并调制而形成调制的 驱动波形的调制模块、用于将所述可调二极管激光器所发激光分为两路的分束器、用于容 纳待检测气体并使所述分束器分出的一路光信号在其中传输成为检测光信号的待检测气 体空间、用于容纳参考气体并使所述分束器分出的另一路光信号在其中传输成为参考光信 号的参考气体空间、用于将所述参考光信号转换为电信号并进行DA转换的参考光电转换 模块、用于将所述待测光信号转换为电信号并进行DA转换的待测光电转换模块，用于由所 述参考光电转换模块输出中取得其二次谐波分量的参考信号二次谐波取得模块，用于由所 述待测光电转换模块的输出中取得其第二谐波分量的待测信号二次谐波取得模块以及用 于将所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次谐波取得模块输出处理并得到所述 待测气体浓度的信号处理模块。
在本发明所述的气体的在线检测装置中，所述驱动信号产生模块包括产生用于 扫描待测气体的特征谱线的锯齿波的锯齿波产生单元和产生用于调制所述锯齿波的正弦 波的正弦波产生单元，所述锯齿波产生单元和所述正弦波产生单元分别输出到所述调制模 块；所述正弦波产生单元还输出正弦波到所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次 谐波取得模块并分别作为其参考信号。
在本发明所述的气体的在线检测装置中，所述参考光电转换模块包括依次连接的 第一 PIN管和第一 DA转换单元；所述待测光电转换模块包括依次连接的第二 PIN管和第 二 DA转换单元；所述参考信号二次谐波取得模块使用两个正交的参考信号分别与所述参 考信号二次谐波取得模块的输入相乘的乘法器、分别将所述两个乘法器输出滤波的两个低 通滤波器以及取得所述两个低通滤波器输出的矢量和的矢量运算单元；所述待测信号二次 谐波取得模块使用两个正交的参考信号分别与所述待测信号二次谐波取得模块的输入相 乘的乘法器、分别将所述两个乘法器输出滤波的两个低通滤波器以及取得所述两个低通滤 波器输出的矢量和的矢量运算单元。
在本发明所述的气体的在线检测装置中，所述信号处理模块进一步包括差分运算单元用于对所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次谐波取得模块的输出量进行差分运算，并得到运算结果；查表单元用于依据上述运算结果查表，得到待测气体的浓度值。
在本发明所述的气体的在线检测装置中，所述驱动信号产生模块、所述参考信号 二次谐波取得模块、待测信号二次谐波取得模块以及所述信号处理模块设置在同一 FPGA芯片内。
实施本发明的气体的在线检测方法和装置，具有以下有益效果由于将可调制激 光二极管所发出的光分为两路，一路通过待检测气体，而另一路通过参考气体，再比较这两 路光信号的差别，进而得到待检测气体的成分、浓度；同时，将驱动信号的产生、光信号的转 换为电信号后的处理及运算均设置在同一可编程逻辑器件上，这使得检测的时间较短、检 测成本较低、可以在现场检测。


图1是本发明一种气体的在线检测方法和装置实施例中的方法流程图；图2是图1中驱动信号产生步骤的进一步的流程图；图3是图1中取得二次谐波分量步骤的进一步的流程图；图4是所述实施例中气体的在线检测装置的结构示意图；图5是所述实施例中气体的在线检测装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作出进一步说明。
如图1所示，在本发明的一种气体的在线检测方法和装置实施例中，其气体在线 检测方法流程如下步骤Sll产生调制的驱动波形，使可调二极管激光发光在实施例中，需要使用光线 通过待测的气体，因此，首先要满足的条件，就是产生出要求的光信号，在本步骤中，产生调 制的驱动信号，这些驱动信号使得作为光源的可调二极管激光器发出激光，该激光将用于 后续的测试步骤。至于如何得到调制的驱动信号，在稍后会有较为详细的描述。
步骤S12对产生的激光进行分束，使其成为两路在本步骤中，对上述步骤中得 到的激光进行分束，使其分为两路传输，在本实施例中，就是使得上述激光通过分束器，该 分束器输出两路参数一致的激光束，作为开始测试的光信号。
步骤S13 一路通过待测气体，得到待测光信号在本步骤中，使得上述两路光信 号中的一路通过待检测气体并传输指定距离，得到检测光信号。值得一提的是，在本实施 例中，步骤S13、S14与步骤S15、S16之间是并行的，也就是说，两路光信号同时通过不同的 传输介质(待测气体和参考气体)传输指定的距离后，得到不同的光信号，再分别对这些不 同的光信号进行处理，并对处理结果进行运算。光信号传输时是并行的，对其处理也是并行 的，最后再将这些并行得到的信号合起来并经过处理或运算，得到表示待测气体浓度的信 号量。
步骤S14光电转换，处理并得到待测光信号二次谐波分量在本步骤中，先将得 到的待测光信号进行光电转换，使得其转换为电信号，在处理得到的电信号并从其中取出 二次谐波分量。在本实施例中，对上述电信号并对其进行处理而得到二次谐波分量是通过 数字锁相放大器来进行的。其具体的步骤在稍后有较为详细的描述。
步骤S15另一路通过参考气体，得到参考光信号在本步骤中，另一路通过参考 气体并传输指定距离，得到参考光信号；步骤S16光电转换，处理并得到参考光信号二次谐波分量在本步骤中，先将得到的参考光信号进行光电转换，使得其转换为电信号，在处理得到的电信号并从其中取出二次谐波分量。在本实施例中，对上述电信号并对其进行处理而得到二次谐波分量是通过数字锁相放大器来进行的。步骤S17差分运算在本步骤中，将上述步骤S14和步骤S16中得到的二次谐波分量进行处理，具体而言是对这两个二次谐波分量进行差分运算，得到结果。这个结果与待测气体中的杂质浓度相关，其相互之间的关系被制成表格形式存储起来。本步骤中，就是得到上述结果。步骤S18依据运算结果查表得到待测气体浓度在本步骤中，依据得到的结果，查表求得待测气体的浓度。在本实施例中，请参见图2，上述步骤Sll又包括如下步骤
步骤Slll产生锯齿波在本步骤中，利用一个锯齿波发生器产生一个连续的锯齿波；在本实施例中，上述锯齿波发生器是由一个FPGA内的逻辑电路组成的；
步骤S112产生正弦波在本步骤中，利用一个正弦波发生器产生一个连续的正弦波；在本实施例中，上述正弦波发生器是由步骤Slll中同一个FPGA内的逻辑电路组成的；步骤S113将正弦波调制到上述锯齿波上，同时，输出正弦波在本步骤中，将上述步骤中得到的正弦波和锯齿波合并在一起，即将正弦波调制到上述锯齿波上，形成调制的驱动信号，该调制的驱动信号作为可调二极管激光器的驱动信号输出到该可调二极管激光器，使其发光。同时，在本实施例中，上述正弦波还被输出，作为后续步骤的参考信号，例如，经过处理后作为数字锁相放大器的正交的参考信号。在本实施例中，在经过分束器后，可调二极管激光器发出的激光被分为两路，其中一路通过待测气体，当其在待测气体中传输设定距离时，得到待测光信号；而另一路通过参考气体，当其在参考气体中传输设定距离之后得到参考光信号；之后，分别对上述待测光信号和参考光信号进行处理，取出其中的二次谐波分量。在本实施例中，这两个处理是同时进行的，也就是并行的，正如上述两路光传输一样，请参见图3，在图3中，其步骤下方标注的表达式是本实施例中采取该步骤后输出的信号表达式，例如，在图3中，以第一乘法器为例，其一个输入端输入的信号为
CO
.，另一个输入端输入的信号为f Ks f3 ,其输出端输出的信号为。
asmJ 2*_1 ^K=I
其中，asin2on是二倍频信号，Κη是第η次谐波信息。如图3所示，对于待测光信号的处理步骤如下
步骤S141光电转换在本步骤中，将已经在待测气体中传输了一定距离的光信号即待测光信号进行光电转换，使其转换为电信号；在本实施例中，使用一个光电二极管(即PIN管)来实现这一转换。步骤S142模数转换光电转换后的电信号是一个连续模拟信号，在本步骤之后的处理方式都是以数字信号为主，因此，在本步骤中，将上述模拟信号进行模数转换，变为
数字信号。步骤S143第二乘法运算将上述步骤中得到的数字信号送到第二乘法器，与一个参考信号进行乘法运算；在本实施例中，上述参考信号是由前面所述的正弦波产生器提供的一个正弦波信号，在进入乘法器之前，可能经过变换或移相，因为在第二乘法器中使用的参考信号，与第一乘法器中使用的参考信号是一对正交的参考信号。步骤S144第二低通滤波在本步骤中，对第二乘法器输出的信号进行第二低通滤波，去掉其基波取出其二次谐波分量。值得一提的是，上述步骤S143、S144和步骤S145、S146是同时进行的，其操作也是相同的，唯一不同的是，他们之间在做乘法运算时使用的参考信号不一样，而且其参考信号之间是正交的。步骤S145第一乘法运算将上述步骤S142中得到的数字信号送到第一乘法器，与一个参考信号进行乘法运算；在本实施例中，上述参考信号是由前面所述的正弦波产生器提供的一个正弦波信号，在进入乘法器之前，可能经过变换或移相，因为在第一乘法器中使用的参考信号，与第二乘法器中使用的参考信号是一对正交的参考信号。步骤S146第一低通滤波在本步骤中，对第一乘法器输出的信号进行第一低通滤波，去掉其基波取出其二次谐波分量。·步骤S147矢量求和通过上述步骤之后，在第一低通滤波和第二低通滤波分别得到一个二次谐波分量，在本步骤中，就是要将上述两个二次谐波分量进行矢量求和的运算，得到二次谐波信号；具体而言，设第一低通滤波后得到的二次谐波分量为X，第二低通滤波后得到的二次谐波分量为1，则在本步骤中进行
权利要求
1.一种气体的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤 A)产生调制的驱动信号，使可调二极管激光器发出受激光，并对所述激光分束输出两路光信号； B)使所述两路光信号中的一路通过待检测气体传输指定距离，得到检测光信号；另一路通过参考气体传输指定距离，得到参考光信号； C)分别将所述检测光信号和所述参考光信号经过光电转换并通过与锁相放大器处理得到其各自的二次谐波； D)对比并处理所述二次谐波，并得到所述待测气体的成分和浓度。
2.根据权利要求1所述的气体的在线检测方法，其特征在于，所述步骤A)中进一步包括 Al)产生锯齿波驱动信号并将其进行DA转换； A2)产生正弦波驱动信号并将其进行DA转换； A3)使用已进行DA转换的正弦波驱动信号对所述已进行DA转换的锯齿波驱动信号进行调制，得到调制的驱动信号。
3.根据权利要求2所述的气体的在线检测方法，其特征在于，所述步骤C)中，对所述参考光信号和所述检测光信号的处理步骤相同；对所述参考光信号或所述检测光信号的处理步骤分别进一步包括 Cl)将光信号进行光电转换并进行AD变换； C2)将上一步骤中得到的信号分别与锁相放大器输出的两路正交的、其频率为二次谐波的参考信号相乘并分别进行低通滤波； C3)取得上一步骤中得到的两路信号的矢量和，得到该光信号的二次谐波。
4.根据权利要求3所述的气体的在线检测方法，其特征在于，所述步骤D)进一步包括 Dl)对所述参考光信号和所述检测光信号进行步骤C)处理后得到的二次谐波信号进行差分运算； D2)依据所述运算结果得到所述待测气体的浓度。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的气体的在线检测方法，其特征在于，所述驱动信号产生、所述锁相放大器以及对所述二次谐波的取得及运算均在同一个FPGA中实现。
6.一种气体的在线检测装置，其特征在于，包括用于产生驱动信号的驱动信号产生模块、用于将所述驱动信号产生模块所产生的驱动信号进行DA转换并调制而形成调制的驱动波形的调制模块、用于将所述可调二极管激光器所发激光分为两路的分束器、用于容纳待检测气体并使所述分束器分出的一路光信号在其中传输成为检测光信号的待检测气体空间、用于容纳参考气体并使所述分束器分出的另一路光信号在其中传输成为参考光信号的参考气体空间、用于将所述参考光信号转换为电信号并进行DA转换的参考光电转换模块、用于将所述待测光信号转换为电信号并进行DA转换的待测光电转换模块，用于由所述参考光电转换模块输出中取得其二次谐波分量的参考信号二次谐波取得模块，用于由所述待测光电转换模块的输出中取得其第二谐波分量的待测信号二次谐波取得模块以及用于将所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次谐波取得模块输出处理并得到所述待测气体浓度的信号处理模块。
7.根据权利要求6所述的气体的在线检测在现场对气体进行检测的装置，其特征在于，所述驱动信号产生模块包括产生用于扫描待测气体的特征谱线的锯齿波的锯齿波产生单元和产生用于调制所述锯齿波的正弦波产生单元，所述锯齿波产生单元和所述正弦波产生单元分别输出到所述调制模块；所述正弦波产生单元还输出正弦波到所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次谐波取得模块并分别作为其参考信号。
8.根据权利要求7所述的气体的在线检测装置，其特征在于，所述参考光电转换模块包括依次连接的第一 PIN管和第一 DA转换单元；所述待测光电转换模块包括依次连接的第二 PIN管和第二 DA转换单元；所述参考信号二次谐波取得模块使用两个正交的参考信号分别与所述参考信号二次谐波取得模块的输入相乘的乘法器、分别将所述两个乘法器输出滤波的两个低通滤波器以及取得所述两个低通滤波器输出的矢量和的矢量运算单元；所述待测信号二次谐波取得模块使用两个正交的参考信号分别与所述待测信号二次谐波取得模块的输入相乘的乘法器、分别将所述两个乘法器输出滤波的两个低通滤波器以及取得所述两个低通滤波器输出的矢量和的矢量运算单元。
9.根据权利要求8所述的气体的在线检测装置，其特征在于，所述信号处理模块进一步包括 差分运算单元用于对所述参考信号二次谐波取得模块和待测信号二次谐波取得模块的输出量进行差分运算，并得到运算结果； 查表单元用于依据上述运算结果查表，得到待测气体的浓度值。
10.根据权利要求6-8任意一项所述的气体的在线检测装置，其特征在于，所述驱动信号产生模块、所述参考信号二次谐波取得模块、待测信号二次谐波取得模块以及所述信号处理模块设置在同一 FPGA芯片内。
全文摘要
本发明涉及构造一种气体的在线检测方法，包括如下步骤产生调制驱动信号，使可调谐二极管激光器发出激光，并对所述激光分束输出两路光信号；使所述两路光信号中的一路通过待检测气体传输，得到检测光信号；另一路通过参考气体传输，得到参考光信号；分别将所述检测光信号和所述参考光信号经过光电转换并通过与锁相放大器处理得到其各自的二次谐波；对比并处理所述二次谐波，并得到所述待测气体的成分和浓度。本发明还涉及一种气体的在线检测装置。实施本发明的气体在线检测方法和装置，具有以下有益效果使得检测时间较短、可实现非接触检测、可以在现场检测。
文档编号G01N21/39GK102998280SQ20111027544
公开日2013年3月27日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者高致慧, 陈升, 陈子聪, 黄必昌, 曹志, 洪泽华, 王洪艳, 张桃华 申请人:高致慧, 深圳大学