[發明專利]一種用于微量水蒸氣檢測的驅動直流調節并鎖相的新方法

無效

• 申請號: 201310452615.3
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103472030A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 魏巍;常軍;王強;朱存光;孫柏寧;劉曉慧;高婷
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

技術領域

本發明屬于光纖傳感探測技術領域，是一種同時使用鎖相、激光器直流調整和測量平均技術進行微量水蒸氣檢測的新方法。

背景技術

檢測水蒸氣濃度在很多領域都有很重要的意義。天然氣中水的存在會引起管線水堵，造成管線冰堵，腐蝕管線、設備和儀表，影響天然氣計量的準確度，給天然氣的安全生產和使用造成極大危害。變壓器油中含水量愈多，油質本身的老化、設備絕緣老化及金屬部件的腐蝕速度愈快，監測油中水分的含量十分必要。在高壓開關等電氣設備中，SF6會與水發生化學反應，造成設備絕緣性能下降，而且還會對環境造成污染。因此，對SF6中水蒸氣含量進行準確及時的在線監測非常重要?，F如今使用的微量氣體檢測方法有露點法、電解法、阻容法等。利用這些方法設計的檢測系統普遍存在著反應慢，使用壽命短，精度差而且成本非常高。因此，迫切需要一種簡單易行的檢測方法來決解上述問題。

中北大學徐振峰所寫論文《瓦斯濃度二次諧波檢測相關技術研究》中提到的二次諧波檢測方法是利用一次諧波對激光器進行調制，經過氣體吸收峰后激光信號了攜帶大量頻率的信號，利用鎖相模塊在二次參考信號輔助下進行二次頻率諧波探測可以得到包含氣體濃度信息的二次信號而濾掉其他頻率成分的信號。這種方法可大幅提高信噪比，但由于受鎖相模塊中積分器、濾波器等帶寬和設計參數的限制，使得鎖相波形容易產生變化甚至畸形，因此探測精度受到了限制。

發明內容

為了克服現有技術的缺陷和不足，本發明提供了一種高精度、高穩定性微量水蒸氣檢測的新方法。

本發明方法的技術方案如下：

一種用于微量水蒸氣檢測的驅動直流調節并鎖相的新方法，由以下測量系統來實現，該系統包括激光器的溫控和驅動模塊、DFB激光器、氣室、光電探測器、電流電壓轉換模塊、鎖相模塊、單片機，其中激光器的溫控和驅動模塊與DFB激光器相連接，DFB激光器位于氣室之前，氣室后面放置光電探測器，光電探測器輸出端連接到電流電壓轉換模塊的輸入端，電流電壓轉換模塊的輸出端和鎖相模塊相連接，鎖相模塊和單片機相連接，激光器的溫控和驅動模塊負責DFB激光器的溫度控制，提供DFB激光器的調制信號，分別給出位于水蒸氣吸收峰處波長即1368.597nm和1368.41nm（無吸收處）波長的直流偏置信號用于DFB激光器輸出中心波長的選擇，同時給鎖相模塊提供參考信號；輸出激光經過氣室后由光電探測器接收經過水蒸氣吸收峰處和無吸收處波長的激光，電流電壓轉換模塊用于將光電探測器轉換的光電流轉換為電壓信號，鎖相模塊用于從轉換的電壓信號中選取與參考信號頻率同頻的信號，由于中心波長的選擇固定因此鎖相結果是直流信號，而單片機則對鎖相結果檢測平均后輸出顯示，該方法步驟如下：

1)控制驅動和溫控模塊產生一次調制信號用于DFB激光器驅動，并產生頻率二倍于一次調制波的二次參考信號用于鎖相模塊選頻，同時，通過單片機控制驅動信號用于產生使DFB激光器輸出光波長中心分別在水蒸氣吸收峰處和無吸收處的位置的直流信號，分別用于檢測吸收強度和無吸收時基準選取；

2)連接光路，激光器輸出端連接待測氣體的氣室后由光電探測器接收，之后由電壓電流轉換模塊轉換為與驅動信號相應的含有水蒸汽吸收的電壓信號；

3)電壓電流轉換模塊輸出端連接鎖相模塊，對轉換后的結果進行鎖相，得到與二次參考信號相同頻率的直流諧波信號，分別對經過水蒸氣吸收峰和無吸收處所得的直流信號平均后相減得到水蒸氣濃度信息。

本發明采用的鎖相原理如中北大學徐振峰所寫論文《瓦斯濃度二次諧波檢測相關技術研究》所述，通常在一個大氣壓下，水蒸氣的吸收線性可由洛倫茲線型表示：