[發明專利]一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201811175703.2
• 申請日: 2018-10-10
• 公開（公告）號: CN109211825B
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 鄭傳濤;李亞飛;劉志偉;陳晨;謝洪濤;仁強;王一丁
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 郭佳寧

1.一種采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置的使用方法，其特征在于，采用聲光效應準直光路的水中溶解氣紅外檢測裝置包括光學部分、電學部分、輔助部分和機械部分；光學部分包括光源模塊、聲光調制器、封閉式氣室、光電探測模塊，所述的光源模塊、聲光調制器、封閉式氣室、光電探測模塊在一條直線上，形成直線式光路結構；電學部分包括電源模塊、光源驅動模塊、聲光驅動模塊、氣室控溫模塊、氣室控壓模塊、數據采集模塊、鎖相放大模塊、DSP處理器模塊、上位機通信模塊；所述的氣室控溫模塊包括加熱片、溫度傳感器和控溫電路，控溫電路的輸出端分別與加熱片和溫度傳感器的輸入端電連接；所述的氣室控壓模塊包括壓力傳感器、流量控制閥和控壓電路，控壓電路的輸出端分別與壓力傳感器和流量控制閥的輸入端電連接；輔助部分包括氣泵模塊；機械部分包括圓筒形密封外殼、上層平臺、下層平臺、前面板、后面板、24V電源輸入口、通信線纜出口、氣體出口、氣體入口；

其中光源模塊的輸入端與電學部分中的光源驅動模塊的輸出端電連接；光源模塊的輸出端與聲光調制器的光學輸入端相連；聲光調制器的電學輸入端與聲光驅動模塊的輸出端電連接；聲光調制器的光學輸出端與封閉式氣室的光學輸入端相連；封閉式氣室的光學輸出端與光電探測模塊的輸入端相連；封閉式氣室的氣體輸出端即出氣口與氣泵模塊的輸入端經由氣體管道相連；光電探測模塊的輸出端與鎖相放大模塊的輸入端電連接；

電學部分中DSP處理器模塊分別與上位機通信模塊的輸入端、光源驅動模塊的輸入端、聲光驅動模塊的輸入端、氣室控壓模塊中的控壓電路的輸入端、氣室控溫模塊中的控溫電路的輸入端和輔助部分中的氣泵模塊電連接；上位機通信模塊的輸出端與通信線纜出口連接；氣室控壓模塊中的控壓電路的輸出端分別與壓力傳感器和流量控制閥的輸入端電連接；流量控制閥的輸出端與所述的封閉式氣室的氣體輸入端即入氣口相連；流量控制閥的氣體輸入端與氣體入口相連；壓力傳感器與封閉式氣室的內部氣體通過流量控制閥連通，壓力傳感器的輸出端與數據采集模塊的輸入端連接；氣室控溫模塊的加熱片包裹在封閉式氣室的外部；溫度傳感器密封在封閉式氣室的內部，其輸出端與數據采集模塊的輸入端連接；控溫電路的輸出端分別與加熱片和溫度傳感器的輸入端電連接；鎖相放大模塊的輸出端與數據采集模塊的輸入端電連接；數據采集模塊的輸出端與DSP處理器模塊的輸入端電連接；電源模塊的輸出端與電學部分中的各個模塊相連接；

輔助部分中氣泵模塊的輸入端與封閉式氣室的氣體輸出端即出氣口相連，氣泵模塊的輸出端與氣體出口相連，同時氣泵模塊還與DSP處理器模塊電連接；

所述的機械部分中的上層平臺和下層平臺固定在圓筒形密封外殼內，前面板和后面板分別安裝在圓筒形密封外殼兩側面，其中上層平臺用于安裝光學部分、輔助部分和電學部分中的氣室控溫模塊中的溫度傳感器和加熱片，下層平臺用于安裝電學部分，其中電學部分中的氣室控溫模塊中只有控溫電路設置在下層平臺； 24V電源輸入口、通信線纜出口設置在前面板上；氣體入口、氣體出口設置在后面板上；24V電源輸入口與電源模塊的輸入端連接；通信線纜出口與上位機通信模塊的輸出端連接；氣體入口與流量控制閥的輸入端相連；氣體出口與氣泵模塊的輸出端經由氣體管道相連；

使用方法具有準直、標定、測量三種工作模式，具體如下：

一、在準直模式下，將該裝置置于實驗室應用環境，采用瓶裝目標氣體作為輔助準直材料，具體步驟如下：

（a）通過24V電源輸入口向電源模塊提供電壓，從而使其產生電學部分、氣泵模塊所需的工作電壓；DSP處理器模塊經由數據采集模塊采集各模塊的工作電壓，若不正常，則中斷準直過程；若電壓正常則進入步驟（b）；

（b）利用氣體管道，將氣體入口連接到瓶裝目標氣體的鋼瓶上，調節鋼瓶減壓閥的壓力，使其滿足流量控制閥的入口壓力要求；打開氣泵模塊，向封閉式氣室中抽入瓶裝目標氣體； DSP處理器模塊調節流量控制閥的氣體流速，并通過壓力傳感器讀取封閉式氣室中的壓力，通過反饋控制，使封閉式氣室中壓力達到設定值；

（c）DSP處理器模塊調節加熱片的工作電壓，并通過溫度傳感器讀取封閉式氣室的溫度，通過反饋控制，使封閉式氣室的溫度達到設定值；

（d）DSP處理器模塊啟動光源驅動模塊，調節光源模塊的工作溫度為設定值；

（e）DSP處理器模塊向光源驅動模塊施加三角波信號和正弦波信號，使光源模塊發出波長被掃描和調制的紅外光信號；

（f）手動調節光源模塊、聲光調制器、封閉式氣室、光電探測模塊，使光源模塊發出的紅外光經過聲光調制器、封閉式氣室后入射到光電探測模塊上；鎖相放大模塊從光電探測模塊輸出的信號中提取二次諧波信號，并將其經由數據采集模塊傳輸到DSP處理器模塊；

（g）按照設定的聲光驅動信號的初值， DSP處理器模塊向聲光驅動模塊發出驅動信號，聲光驅動模塊產生特定載波頻率的電信號來驅動聲光調制器，超聲波進入聲光調制器后，聲光介質的折射率發生變化并形成光柵，入射的紅外光信號以一定的角度通過聲光介質時將發生衍射，從而改變紅外光的傳播方向；

（h）DSP處理器模塊經由數據采集模塊采集鎖相放大模塊輸出的二次諧波信號，并將其與從數據庫計算得到的標準二次諧波信號進行比對，計算出諧波信號的相似度，并將其存儲到內部存儲器中；

（i）DSP處理器模塊循環監測電源模塊的輸出電壓、封閉式氣室壓力、封閉式氣室溫度，觀察其是否正常；若不正常，回到步驟（a）；若正常，按照設定的聲光驅動模塊的驅動信號調整波長，修改聲光驅動信號， 重復步驟（g）~（i），直至循環結束；

（j）從計算得到的相似度結果中找出最大的相似度，并確定與其對應的聲光驅動模塊的驅動信號即驅動電壓值，將其作為聲光驅動模塊的最優驅動信號；

（k）DSP處理器模塊依次關閉光源驅動模塊、聲光驅動模塊、氣泵模塊，壓力控制模塊、溫度控制模塊、光電探測模塊、數據采集模塊；

（l）手動關閉DSP處理器模塊、電源模塊，結束準直調整過程；

二、在標定模式下，將該裝置置于實驗室應用環境，采用配氣系統、瓶裝氮氣、瓶裝目標氣體作為輔助標定設備或材料，具體步驟如下：

（a）通過24V電源輸入口向電源模塊提供電壓，從而產生電學部分、氣泵模塊所需的工作電壓；DSP處理器模塊經由數據采集模塊采集各模塊的工作電壓，若不正常，則中斷標定過程；若正常則進入步驟（b）；

（b）根據需要標定的目標氣體的濃度范圍和配氣系統的流量調節范圍，確定瓶裝目標氣體的濃度，利用瓶裝氮氣、瓶裝目標氣體作為配氣系統的輸入氣體，利用氣體管道，將氣體入口連接到配氣系統的輸出口上；

（c）根據需要標定的目標氣體濃度，設置配氣系統的瓶裝氮氣、瓶裝目標氣體的流量，產生所需濃度的目標氣體；

（d）打開氣泵模塊，向氣室中抽入需要標定濃度的目標氣體；通過DSP處理器模塊調節流量控制閥的氣體流速，并通過壓力傳感器讀取封閉式氣室中的壓力，通過反饋控制，使封閉式氣室中壓力達到設定值；

（e）DSP處理器模塊調節加熱片的工作電壓，并通過溫度傳感器讀取封閉式氣室的溫度，通過反饋控制，使封閉式氣室的溫度達到設定值；

（f）DSP處理器模塊啟動光源驅動模塊，調節光源模塊的工作溫度為設定值；

（g）DSP處理器模塊向光源驅動模塊施加三角波信號和正弦波信號，使光源模塊發出波長被掃描和調制的紅外光信號；

（h）按照準直模式優化結果，DSP處理器模塊向聲光驅動模塊發出最優驅動電壓值；使光源模塊發出的紅外光經過聲光調制器、封閉式氣室后入射到光電探測模塊上；鎖相放大模塊從光電探測模塊輸出的信號中提取二次諧波信號，并將其經由數據采集模塊傳輸至DSP處理器模塊；

（i）按照每個標定濃度的氣體樣品的采集時間，DSP處理器模塊經由數據采集模塊在這個采樣周期內循環采集鎖相放大模塊得到的二次諧波信號，獲取二次諧波信號的幅值并將其存儲到內部存儲器中；到達采集時間后，計算所采集二次諧波信號幅值的平均值，并將其連同標定氣體的濃度一起存儲到內部存儲器中；

（j）DSP處理器模塊循環監測電源模塊的輸出電壓、封閉式氣室壓力、封閉式氣室溫度，觀察其是否正常；若不正常，回到步驟（a）；若正常，按照設定的下一個標定濃度，調整配氣系統兩個輸入鋼瓶氣體的流量，重復步驟（c）~（j），直至全部濃度標定結束；

（k）根據循環標定的結果，擬合出二次諧波信號幅度與所標定氣體濃度的線性關系，將擬合系數存儲到DSP處理器模塊的內部存儲器中；

（l）DSP處理器模塊依次關閉光源驅動模塊、聲光驅動模塊、氣泵模塊，壓力控制模塊、溫度控制模塊、光電探測模塊、數據采集模塊；

（m）手動關閉DSP處理器模塊、電源模塊，結束標定過程；

三、在測量模式下，將該裝置置于水下應用環境，采用水下氣液分離設備、水上船體甲板監控計算機、水上船體甲板24V電源作為輔助應用設備，具體步驟如下：

（a）在甲板上，利用氣體管道，將氣體入口連接到水下氣液分離設備的氣體輸出口上；利用水上船體甲板24V電源通過電纜線經由24V電源輸入口向電源模塊提供工作電壓，從而產生電學部分、氣泵模塊所需的工作電壓；水上船體甲板監控計算機通過電纜線和通信電纜出口與上位機通信模塊連接，利用DSP處理器模塊采集經由數據采集模塊采集各模塊的工作電壓，并將其傳輸至水上船體甲板監控計算機，直至其工作正常；將水下氣液分離設備以及該裝置放置于耐壓艙內，并通過拖體放置于水中；

（b）水上船體甲板監控計算機向DSP處理器模塊發送啟動測量命令；

（c）DSP處理器模塊打開氣泵模塊，向封閉式氣室中抽入氣液分離設備輸出的氣體；DSP處理器模塊調節流量控制閥的氣體流速，并通過壓力傳感器讀取封閉式氣室中的壓力，并將其傳輸至水上船體甲板監控計算機；通過反饋控制，使封閉式氣室中壓力達到設定值；

（d）DSP處理器模塊調節加熱片的工作電壓，并通過溫度傳感器讀取封閉式氣室的溫度，通過反饋控制，使封閉式氣室的溫度達到設定值；

（e）DSP處理器模塊啟動光源驅動模塊，調節光源模塊的工作溫度，使其為設定值；

（f）DSP處理器模塊向光源驅動模塊施加三角波信號和正弦波信號，使光源模塊發出波長被掃描和調制的紅外光信號；

（g）按照準直的結果，DSP處理器模塊設定聲光驅動模塊的電壓為最優驅動電壓值；使光源模塊發出的紅外光經過聲光調制器、封閉式氣室后入射到光電探測模塊上；

（h）鎖相放大模塊從光電探測模塊輸出的信號中提取二次諧波信號，并將其經由數據采集模塊傳輸到DSP處理器模塊；

（i）DSP處理器模塊根據采樣得到的二次諧波信號幅值以及根據標定的目標氣體濃度和二次諧波信號幅值的線性關系，計算出待測氣體的濃度，并將其經由電纜線傳輸至船體甲板上的監控計算機；

（j）DSP處理器模塊循環監測電源模塊的輸出電壓、封閉式氣室壓力、封閉式氣室溫度，觀察其是否正常；若不正常，則向甲板監控計算機發出報警指令；若正常，則查詢是否接到監控計算機發送的停止測量命令；若接收到停止測量命令，則轉到步驟（k）；若未接到停止測量命令，則重復步驟（h）~（j）；

（k）DSP處理器模塊依次關閉光源驅動模塊、聲光驅動模塊、氣泵模塊，壓力控制模塊、溫度控制模塊、光電探測模塊、數據采集模塊；

（l）在甲板上手動切斷水上船體甲板24V電源，結束測量過程。