[發明專利]基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 201710312356.2
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN106990069A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 高耀;陶德保;高仁祥;胡友昌
• 申請（專利權）人: 江蘇三恒科技股份有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙)32257
• 代理人: 李明

技術領域

本發明涉及氣體檢測技術領域，具體涉及一種基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置及方法。

背景技術

目前，市面上的激光甲烷檢測裝置，雖然具有氣體唯一性識別能力，但是，激光器的光強會因為光學鏡片表面附著液態水而減小，導致檢測精度下降。針對上述的問題，傳統的解決方法是增加參考光路，導致成本增加，且生產過程會增加相關調試環節；還有使用單光路的解決方案是諧波檢測方法，但是，當激光器的光強損失較大時，誤差增大，且諧波檢測范圍有限，單光路的方案無法兼顧精度和量程，即光程小時，諧波檢測對低濃度的檢測有限，而光程大時，對高濃度的檢測誤差較大，具體介紹如下：

甲烷氣體吸收遵循Lambert--Beer定律，即光強為I的一束激光，再通過光程為L的甲烷混合氣體和，其透射光強I可以表示為

其中，I₀為入射光強，α為吸收系數，C為甲烷濃度，

在已知I₀和光程L的條件下，通過透射光強I即可得到甲烷濃度，諧波檢測，則是基于DFB激光器的技術，增加調制信號v，

其中，為激光的中心頻率，v_m為頻率調制幅度，經過氣室吸收后光強公式的傅里葉展開式可近似表示為：

I(v)＝I₀(v)(1+ηsinωt)exp(-α(v)CL)

通過諧波技術可以通過一次諧波作為參考信號，抵消掉光強衰弱的影響，其速度缺陷在于AD分辨率確定條件下，光強衰弱較大時，一次諧波呈線性衰減，誤差變大；在傅里葉展開的前提是系數較小，所以光程L和C呈反比關系，即高濃測量需要光程小，而高精度測量要求光程L較大，形成矛盾。

發明內容

本發明的目的是克服現有的激光甲烷檢測裝置，單光路檢測無法兼顧精度和量程的問題。本發明的基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置及方法，能夠根據甲烷濃度信號幅值，進行調節補償，保證激光甲烷檢測精確度，具有良好的應用前景。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置，包括激光驅動單元、FPGA、信號采集及程控放大單元，所述激光驅動單元路的輸出端與激光器相連接，用于控制激光器輸出激光光束給甲烷氣室，所述信號采集及程控放大單元的輸入端用于采集甲烷氣室的濃度信號，所述信號采集及程控放大單元的輸出端與FPGA的信號輸入端相連接，

所述激光驅動單元，包括低頻掃描信號輸出電路、驅動電路、高頻調整信號輸出電路，所述低頻掃描信號輸出電路、高頻調整信號輸出電路分別與驅動電路的信號輸入端相連接，所述驅動電路的輸出端做為激光驅動單元的輸出端與激光器相連接

所述信號采集及程控放大單元，包括光電檢測電路、程控放大電路和前置放大電路，所述光電檢測電路的輸入端做為信號采集及程控放大單元的輸入端用于采集甲烷氣室的濃度信號，所述光電檢測電路的輸出端通過程控放大電路與前置放大電路的輸入端相連接，所述前置放大電路的輸出端做為信號采集及程控放大單元的輸出端與FPGA的信號輸入端相連接。

前述的基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置，所述激光驅動單元，還包括溫度控制電路，所述溫度控制電路與激光器的溫度控制端相連接。

前述的基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置，所述程控放大電路還接收FPGA的反饋信號。

前述的基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置，所述低頻掃描信號輸出電路輸出低頻三角波信號。

一種基于FPGA單光路信號補償的激光甲烷檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟，

步驟(A)，通過激光驅動單元控制激光器輸出激光光束給甲烷氣室；

步驟(B)，甲烷氣室輸出甲烷濃度信號給信號采集及程控放大單元進行信號采集、程控放大、前置放大，并將處理后的甲烷濃度信號給FPGA；

步驟(C)，FPGA對甲烷濃度信號進行處理，判斷甲烷濃度信號幅值的是否滿足條件，若甲烷濃度信號幅值變化過大，則執行步驟(D)；若甲烷濃度信號幅值變化不大，則執行步驟(E)；

步驟(D)，FPGA輸出反饋信號給程控放大電路，調節程控放大電路放大補償系數，減小甲烷濃度信號的幅值，滿足甲烷濃度信號幅值的條件后，并執行步驟(F)；