一種中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前紅外吸收技術(shù)利用的光源中，寬帶光源主要有使用熱電器件或紅外燈作為檢測(cè)光源，窄帶源主要有具有布拉格反饋的光柵級(jí)聯(lián)激光器。但前者熱慣性大，無法進(jìn)行調(diào)制，導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)底噪過大，分辨率低。后者具有很高的分辨率，能夠區(qū)分不同的吸收譜線，但要求激光波長(zhǎng)與幅度精確穩(wěn)定、成本高，需要頻繁的調(diào)整激光器的波長(zhǎng)和溫度。
[0003]因此，需要一種新的中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置以解決上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中中紅外激光氣體傳感檢測(cè)存在問題，提供了一種中紅外激光管的驅(qū)動(dòng)與切換單元。
[0005]技術(shù)方案:為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明的中紅外激光管的驅(qū)動(dòng)與切換單元采用以下技術(shù)方案:
一種中紅外激光管的驅(qū)動(dòng)與切換單元，其特征在于，包括三極管Q1、三極管Q2、雙控開關(guān)S1、雙控開關(guān)S2、三極管Q3和三極管Q4，所述三極管Ql的集電極連接VCC電壓端，所述三極管Ql的集電極和基極通過電阻Rl連接，所述三極管Ql的基極連接所述三極管Q2的集電極，所述三極管Ql的發(fā)射極連接所述三極管Q2的基極并連接雙控開關(guān)SI和雙控開關(guān)S2的一端，所述雙控開關(guān)S2和雙控開關(guān)SI的第二端接地，所述三極管Q2的發(fā)射極通過電阻R2接地；
所述雙控開關(guān)S2的第三端連接三極管Q3的基極并通過電阻R5接地，所述雙控開關(guān)SI的第三端連接三極管Q4的基極并通過電阻R6接地；
所述三極管Q3的集電極連接發(fā)光二極管LI，所述三極管Q4的集電極連接發(fā)光二極管
L2 ；
所述三極管Q3的發(fā)射極通過電阻R3接地；所述三極管Q4的發(fā)射極通過電阻R4接地；緩沖器Ul的輸出端連接所述雙控開關(guān)S2的第三端，緩沖器U2的輸出端連接所述雙控開關(guān)SI的第三端。
[0006]更進(jìn)一步的，所述發(fā)光二極管LI和發(fā)光二極管L2均為中紅外激光LED。采用中紅外光譜范圍的新型激光LED成本較低，激光光譜范圍較窄，中心波長(zhǎng)易于控制。中紅外激光LED的調(diào)制頻率可達(dá)IMHz以上，具有較窄的光譜范圍，利用該類激光LED，結(jié)合正交鎖相放大技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低成本的紅外氣體檢測(cè)裝置。
[0007]發(fā)明原理:其中，發(fā)光二極管LI和L2分別為參考LED和實(shí)測(cè)LED，三極管Ql、Q2、Q3和Q4構(gòu)成了開關(guān)恒流源，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)光二極管LI和L2的限流驅(qū)動(dòng)。三極管Ql和Q2為驅(qū)動(dòng)晶體管，緩沖器Ul和U2分別為驅(qū)動(dòng)晶體管Ql和Q2提供門控信號(hào)，控制發(fā)光二極管LI和L2按照時(shí)序進(jìn)行發(fā)光。
[0008]有益效果:本發(fā)明的中紅外激光管的驅(qū)動(dòng)與切換單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大并可控制兩個(gè)激光管按照時(shí)序進(jìn)行發(fā)光。在每個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，按照控制時(shí)序依次對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并檢測(cè)光電管的電壓，可以有效地消除光電管暗電流飄移帶來的影響，通過對(duì)比參照LED的檢測(cè)電壓，可以消除光路污染以及電路參數(shù)變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，能有效地檢測(cè)氣體濃度的微量變化。
[0009]本發(fā)明還公開了一種中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置，包括如上所述的驅(qū)動(dòng)與切換單元、正交信號(hào)產(chǎn)生單元、處理器、鎖相檢測(cè)單元、第一中紅外激光LED、第二中紅外激光LED、檢測(cè)氣室、光電管、光電放大單元、第一鎖相檢測(cè)單元、第二鎖相檢測(cè)單元、第一濾波單元、第二濾波單元和AD轉(zhuǎn)換單元，所述處理器、正交信號(hào)產(chǎn)生單元和驅(qū)動(dòng)與切換單元連接，所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED設(shè)置在所述檢測(cè)氣室的一端，所述光電管設(shè)置在所述檢測(cè)氣室的另一端，所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED均連接所述驅(qū)動(dòng)與切換單元，所述第一鎖相檢測(cè)單元和第二鎖相檢測(cè)單元均連接所述光電放大單元，所述第一鎖相檢測(cè)單元、第一濾波單元、AD轉(zhuǎn)換單元和處理器依次連接，所述第二鎖相檢測(cè)單元、第二濾波單元、AD轉(zhuǎn)換單元和處理器依次連接，所述正交信號(hào)產(chǎn)生單元連接所述第一鎖相檢測(cè)單元和第二鎖相檢測(cè)單元，
所述正交信號(hào)產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生檢測(cè)所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和鎖相檢測(cè)單元的正交參考信號(hào);
所述驅(qū)動(dòng)與切換單元中將所述正交信號(hào)產(chǎn)生單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大，并將放大后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分時(shí)加載到所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED上；
所述光電放大單元用于對(duì)光電管檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行放大；
所述第一鎖相檢測(cè)單元和第二鎖相檢測(cè)單元用于提取所述光電放大單元的輸出信號(hào)中與氣體濃度變化相關(guān)的信號(hào)；
所述第一濾波單元和第二濾波單元分別對(duì)所述第一鎖相檢測(cè)單元和第二鎖相檢測(cè)單元提取的信號(hào)進(jìn)行處理并將處理后的信號(hào)送入處理器。
[0010]有益效果:本發(fā)明的中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置利用驅(qū)動(dòng)與切換單元控制第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED按照時(shí)序發(fā)光，采用兩個(gè)激光管同時(shí)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)，有效消除環(huán)境的影響，精確度較高。采用中紅外激光LED，用激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)并利用正交鎖相檢放大器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，大幅度降低了裝置自身的噪聲，消除了檢測(cè)裝置相位變化帶來的檢測(cè)誤差，檢測(cè)裝置的靈敏度和本底噪聲兩項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的熱電式紅外氣體檢測(cè)裝置。與窄帶激光氣體檢測(cè)裝置相比，具有更低的成本。
[0011]更進(jìn)一步的，所述第一濾波單元和第二濾波單元均為窄帶濾波器。在降低噪聲的同時(shí)也具有一定的動(dòng)態(tài)特性。
[0012]更進(jìn)一步的，所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED分別為檢測(cè)激光管和參考激光管。利用檢測(cè)激光管和參考激光管交替作用以消除環(huán)境變化帶來的誤差。
[0013]本發(fā)明還公開了一種中紅外激光氣體傳感檢測(cè)方法，利用如上所述的中紅外激光氣體傳感檢測(cè)裝置，包括以下步驟:
1)、利用正交信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)并將此信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)與切換單元進(jìn)行放大，并將放大的激勵(lì)信號(hào)分時(shí)加載到所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED上，所述激勵(lì)信號(hào)的頻率大于1KHz ； 2)、所述第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED在驅(qū)動(dòng)與切換單元的作用下交替發(fā)出中紅外激光；
3)、光電管檢測(cè)經(jīng)過氣體吸收后的中紅外激光并將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為光電流；
4)、光電放大單元對(duì)步驟3)的光電流進(jìn)行放大并消除其中的暗電流分量；
5)、采用鎖相檢測(cè)方法提取光電放大單元輸出的信號(hào)中與氣體濃度相關(guān)的信號(hào)分量并利用第一濾波單元和第二濾波單元濾除其它信號(hào)分量；
6)、利用AD轉(zhuǎn)換單元將第一濾波單元和第二濾波單元的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并送至處理器進(jìn)行處理，得到氣體的濃度值。
[0014]更進(jìn)一步的，所述激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序中每個(gè)周期包括四個(gè)時(shí)間片，第一時(shí)間片中，第二中紅外激光LED不發(fā)射激光，第一中紅外激光LED發(fā)射中紅外激光，第二時(shí)間片中，第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED均不發(fā)射激光；第三時(shí)間片中，第二中紅外激光LED發(fā)射中紅外激光，第一中紅外激光LED不發(fā)射激光；第四時(shí)間片中，第一中紅外激光LED和第二中紅外激管光均不發(fā)射激光。
[0015]原理:所述激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序中每個(gè)周期包括四個(gè)時(shí)間片，第一時(shí)間片中，第二中紅外激光LED不發(fā)射激光，第一中紅外激光LED發(fā)射中紅外激光，光電管采集檢測(cè)量；第二時(shí)間片中，第一中紅外激光LED和第二中紅外激光LED均不發(fā)射激光，光電管采集一次暗電流數(shù)值；第三時(shí)間片中，第二中紅外激光LED發(fā)射中紅外激光，第一中紅外激光LED不發(fā)射激光，光電管采集檢測(cè)通路的參考值；第四時(shí)間片中，第一中紅外激光LED和第二中紅外激管光均不發(fā)射激光，光電管采集一次暗電流數(shù)值。
[0016]有益效果:本發(fā)明的中紅外激光氣體傳感檢測(cè)方法采用中紅外激光LED，用1KHz以上的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)并利用正交鎖相檢放大器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，大幅度降低了裝置自身的噪聲，消除了檢測(cè)裝置相位變化帶來的檢測(cè)誤差，