便携式CO2高灵敏检测系统转让专利
申请号 : CN201310454511.6
文献号 : CN103575687B
文献日 : 2016-02-10
发明人 : 阚瑞峰 , 袁松 , 何亚柏 , 许振宇 , 阮俊 , 姚路 , 陈久瑛
申请人 : 中国科学院安徽光学精密机械研究所
摘要 :
本发明公开了一种便携式CO2高灵敏检测系统，包括有主控芯片，与主控芯片连接的有激光器温度控制器和电流控制器，主控芯片通过SPI接口连接SD卡，主控芯片通过通用异步收发传送器与上位机连接，所述的激光器温度控制器和电流控制器均与DFB激光器连接，所述的DFB激光器发射的激光通过光纤准直器准直后进入Herroitt多次反射吸收池内，光电探测器对Herroitt多次反射吸收池内的光谱信号进行探测，光电探测器与信号调理电路连接，信号调理电路与所述的主控芯片连接。本发明系统集成度高，体积小，重量轻，功耗低，便于外场实验和一些飞行实验，采用嵌入式系统，可以直接得到浓度值，并可以存储，不需要上位机的后续处理，采用多次反射吸收池，大大增加了检测灵敏度。
权利要求 :
1.一种便携式CO2高灵敏检测系统，其特征在于：包括有主控芯片，与主控芯片连接的有激光器温度控制器和电流控制器，主控芯片通过SPI接口连接SD卡，主控芯片通过通用异步收发传送器与上位机通讯，所述的激光器温度控制器和电流控制器均与DFB激光器连接，所述的DFB激光器发射的激光通过光纤准直器准直后进入Herroitt多次反射吸收池内，光电探测器对Herroitt多次反射吸收池内的光谱信号进行探测，光电探测器与信号调理电路连接，信号调理电路与所述的主控芯片的模数转换器连接，由主控芯片生成激光器扫描波形，产生500Hz的锯齿波扫描激光器波长，再配置系统外围设备，检测SD卡是否插入和初始化状态，当检测SD卡挂载成功后，在SD卡中生成文件夹，以保存浓度值和原始光谱信号，软启动DFB激光器，所述的激光器温度控制器和电流控制器驱动DFB激光器，当DFB激光器波长稳定后，激光经过光纤准直器准直后进入Herroitt多次反射吸收池内，光电探测器对Herroitt多次反射吸收池内的光谱信号进行探测，光电探测器将光谱信号转换为电信号，主控芯片的模数转换器采集通过信号调理电路调理后的电信号，控制芯片根据朗伯比尔定律，原始光谱数据经过背景扣除、基线拟合后得到吸光度曲线，根据标定好的激光器在稳定后的波长范围的相对波长，对吸光度在频域上进行积分，已知吸收光程、CO2吸收线强和温度，由积分面积计算出浓度，每150ms计算一个浓度结果存入SD卡，同时每10秒钟保存一次原始的吸收光谱数据，用以数据处理时对浓度进行修正。
2.根据权利要求1所述的便携式CO2高灵敏检测系统，其特征在于：所述的Herroitt
3
多次反射吸收池在25×10×10cm的体积内，实现了80次通过次数，总光程为20m，在Herroitt多次反射吸收池两边镜片上镀有2004nm波段的增反膜。
3.根据权利要求1所述的便携式CO2高灵敏检测系统，其特征在于：所述的主控芯片选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。
说明书 :
便携式CO2高灵敏检测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及可调谐二极管吸收光谱技术领域，尤其涉及一种便携式CO2高灵敏检测系统。
背景技术
[0002] 全球变化已经成为人类最关心的环境问题，它的核心是气候变化，其中含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的主要原因。温室效应导致全球变暖，造成了严重的气象灾害，我国是世界上因气象灾害损失最严重的国家，温室气体的排放占世界排放总量的很大份额，这种情况一方面给我国生态﹑环境带来严重影响，同时也面临着巨大的国际公约履约的压力。因此进行温室气体检测系统的研制是非常必要的。
[0003] 目前对温室气体，尤其是含量较低的甲烷，国内还是采用气相色谱和采样[0004] 的方法来进行测量，这种方法不但系统维护费用大，不能连续监测，而且由于[0005] 其采样之后需要一定的预处理过程而使得测量的结果误差较大。
[0006] 可调谐半导体激光器具有窄线宽和波长快速调谐特性，是痕量气体检测的理想光源。基于可调谐半导体激光吸收光谱的气体检测系统具有高分辨率﹑高灵敏度以及响应时间快等特点，是痕量气体高灵敏快速监测的方法。它的主要特点包括：
[0007] (1) 高选择性﹑高分辨率的光谱技术，由于分子光谱的“指纹”特征，它不[0008] 受其它气体的干扰。这一特性与其它方法相比有明显的优势。
[0009] (2) 它是一种对所有在红外有吸收的活跃分子都有效的通用技术，同样的[0010] 仪器可以方便的改成测量其它组分的仪器，只需要改变激光器和标准气。由于[0011] 这个特点，很容易就能将其改成同时测量多组分的仪器。
[0012] (3) 它具有速度快﹑灵敏度高的优点。在不失灵敏度的情况下，其时间分[0013] 辨率可以在ms 量级。应用该技术的主要领域有：分子光谱研究、工业过程监[0014] 测控制、燃烧过程诊断分析、发动机效率和机动车尾气测量、爆炸检测、大气[0015] 中痕量污染气体监测等。
[0016] 便携式CO2检测系统主要存在以下难点：
[0017] 1.检测系统要求小的体积和功耗，同时需要高的检测灵敏度。
[0018] 2.CO2在空气中浓度相对比较低，因而探测器探测到的噪声比较大。
[0019] 3.系统需要自带数据存储功能，方便后期的数据分析处理。
发明内容
[0020] 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种便携式CO2高灵敏检测系统。
[0021] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0022] 一种便携式CO2高灵敏检测系统，包括有主控芯片，与主控芯片连接的有激光器温度控制器和电流控制器，主控芯片通过SPI接口连接SD卡，主控芯片通过通用异步收发传送器与上位机通讯，所述的激光器温度控制器和电流控制器均与DFB激光器连接，所述的DFB激光器发射的激光通过光纤准直器准直后进入Herroitt多次反射吸收池内，光电探测器对Herroitt多次反射吸收池内的光谱信号进行探测，光电探测器与信号调理电路连接，信号调理电路与所述的主控芯片的模数转换器连接，由主控芯片生成激光器扫描波形，产生500Hz的锯齿波扫描激光器波长，再配置系统外围设备，检测SD卡是否插入和初始化状态，当检测SD卡挂载成功后，在SD卡中生成文件夹，以保存浓度值和原始光谱信号，软启动DFB激光器，所述的激光器温度控制器和电流控制器驱动DFB激光器，当DFB激光器波长稳定后，激光经过光纤准直器准直后进入Herroitt多次反射吸收池内，光电探测器对Herroitt多次反射吸收池内的光谱信号进行探测，光电探测器将光谱信号转换为电信号，主控芯片的模数转换器采集通过信号调理电路调理后的电信号，控制芯片根据朗伯比尔定律，原始光谱数据经过背景扣除、基线拟合后得到吸光度曲线，根据标定好的激光器在稳定后的波长范围的相对波长，对吸光度在频域上进行积分，已知吸收光程、CO2吸收线强和温度，由积分面积计算出浓度，每150ms计算一个浓度结果存入SD卡，同时每10秒钟保存一次原始的吸收光谱数据，用以数据处理时对浓度进行修正。
[0023] 所述的Herroitt多次反射吸收池在25×10×10cm3的体积内，实现了80次通过次数，总光程为20m，在Herroitt多次反射吸收池两边镜片上镀有2004nm波段的增反膜。
[0024] 所述的主控芯片选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。
[0025] 电子学系统在单块电路板上实现了小型化激光器驱动，信号调理，数据采集和处理电路等功能。使用小型化的激光器驱动模块替代了传统的商用控制器，在电流和温控方面保证控制精度和速度的前提下，有效减小了系统的功耗和体积，在小型化实现中起到了关键作用，目前选用的电流模块控制精度为0.1%，温度控制精度为0.01℃，满足浓度反演所需的精度要求；板上集成了低噪声的信号调理电路，实现探测器的弱电流到电压的转换和信号滤波调理等功能；主控芯片选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps，激光器的扫描波形信号由片上12bit的DAC生成，由后级输出调理电路实现波形的幅值和偏移调节，以得到合适的激光器扫描波长范围，处理器和ADC和DAC之间的数据传输为DMA模式，有效减轻了处理器运算压力，浓度计算结果可以通过串口发送或存储在板载SD卡上，系统中移植了适合嵌入式结构的FatFs文件系统，通过SPI方式读写SD卡。系统最快数据更新周期3
150ms，可用于涡度相关的通量检测，功耗<1.2W，体积25×10×10cm，重量<3Kg，使用电池供电可连续工作8小时。
150ms，可用于涡度相关的通量检测，功耗<1.2W，体积25×10×10cm，重量<3Kg，使用电池供电可连续工作8小时。
[0026] 光学系统采用2004nm分布反馈（DFB）激光器，光束经准直器准直后进入多次反射吸收池，同时探测器对光谱信号进行探测。多次反射吸收池外形紧凑，结构稳定可靠，两边镜片镀有对2004nm波段的增反膜，可有效减小光损失，同时耐环境温度变化能力强，温度变化对光束路径影响比较小。
[0027] 本发明的优点是：本发明系统集成度高，体积小，重量轻，功耗低，便于外场实验和一些飞行实验，采用嵌入式系统，可以直接得到浓度值，并可以存储，不需要上位机的后续处理，采用多次反射吸收池，大大增加了检测灵敏度，多次反射吸收池对温度敏感度较低，避免了温度变化对光路的影响。
附图说明
[0028] 图1为本发明的原理结构图。
[0029] 图2为本发明的流程图。
具体实施方式
[0030] 如图1、2所示，一种便携式CO2高灵敏检测系统，其特征在于：包括有主控芯片1，与主控芯片1连接的有激光器温度控制器2和电流控制器3，主控芯片1通过SPI接口连接SD卡4，主控芯片1通过通用异步收发传送器与上位机5通讯，所述的激光器温度控制器2和电流控制器3均与DFB激光器6连接，所述的DFB激光器6发射的激光通过光纤准直器7准直后进入Herroitt多次反射吸收池8内，光电探测器9对Herroitt多次反射吸收池
8内的光谱信号进行探测，光电探测器9与信号调理电路10连接，信号调理电路10与所述的主控芯片1的模数转换器连接，由主控芯片1生成激光器扫描波形，产生500Hz的锯齿波扫描激光器波长，再配置系统外围设备，检测SD卡4是否插入和初始化状态，当检测SD卡
4挂载成功后，在SD卡4中生成文件夹，以保存浓度值和原始光谱信号，软启动DFB激光器
6，所述的激光器温度控制器2和电流控制器4驱动DFB激光器6，当DFB激光器6波长稳定后，激光经过光纤准直器7准直后进入Herroitt多次反射吸收池8内，光电探测器9对Herroitt多次反射吸收池8内的光谱信号进行探测，光电探测器9将光谱信号转换为电信号，主控芯片1的模数转换器采集通过信号调理电路10调理后的电信号，控制芯片1根据朗伯比尔定律，原始光谱数据经过背景扣除、基线拟合后得到吸光度曲线，根据标定好的激光器在稳定后的波长范围的相对波长，对吸光度在频域上进行积分，已知吸收光程、CO2吸收线强和温度，由积分面积计算出浓度，每150ms计算一个浓度结果存入SD卡4，同时每10秒钟保存一次原始的吸收光谱数据，用以数据处理时对浓度进行修正。
8内的光谱信号进行探测，光电探测器9与信号调理电路10连接，信号调理电路10与所述的主控芯片1的模数转换器连接，由主控芯片1生成激光器扫描波形，产生500Hz的锯齿波扫描激光器波长，再配置系统外围设备，检测SD卡4是否插入和初始化状态，当检测SD卡
4挂载成功后，在SD卡4中生成文件夹，以保存浓度值和原始光谱信号，软启动DFB激光器
6，所述的激光器温度控制器2和电流控制器4驱动DFB激光器6，当DFB激光器6波长稳定后，激光经过光纤准直器7准直后进入Herroitt多次反射吸收池8内，光电探测器9对Herroitt多次反射吸收池8内的光谱信号进行探测，光电探测器9将光谱信号转换为电信号，主控芯片1的模数转换器采集通过信号调理电路10调理后的电信号，控制芯片1根据朗伯比尔定律，原始光谱数据经过背景扣除、基线拟合后得到吸光度曲线，根据标定好的激光器在稳定后的波长范围的相对波长，对吸光度在频域上进行积分，已知吸收光程、CO2吸收线强和温度，由积分面积计算出浓度，每150ms计算一个浓度结果存入SD卡4，同时每10秒钟保存一次原始的吸收光谱数据，用以数据处理时对浓度进行修正。
[0031] 所述的Herroitt多次反射吸收池8在25×10×10cm3的体积内，实现了80次通过次数，总光程为20m，在Herroitt多次反射吸收池8两边镜片上镀有2004nm波段的增反膜。
[0032] 所述的主控芯片1选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。