[发明专利]基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置，包括宽带红外光源，其特征在于，所述基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、气室、光栅模块、探测器、PZT微位移器；

所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器，所述气室包括第一窗口、第二窗口、进气管、出气管、压力控制器、气泵，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路、扫描信号产生电路、加法器电路、调制信号产生电路；

恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，第一窗口和第二窗口分别设置在气室的两侧，第一凸透镜设置在宽带红外光源与第一窗口之间，第二凸透镜设置在第二窗口与第一狭缝之间，气室的进气孔通过进气管与压力控制器连接，气室的出气孔通过出气管与气泵连接，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，锁相放大器的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与微控制器的输入端电连接，调制信号产生电路的输入端和扫描信号产生电路的输入端与微控制器的两个输出端分别电连接，调制信号产生电路的输出端和扫描信号产生电路的输出端与加法器电路的两个输入端分别电连接，加法器的输出端与PZT驱动电路电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT电连接。

2.一种根据权利要求1所述的基于宽带红外光源的调制吸收光谱气体检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：打开气泵，使气室中充满待测气体；设置压力控制器，维持气室中的压强为设定值；初始化微控制器，设置PZT的扫描信号参数，使第二狭缝的位置处于线性变化状态，且第二狭缝的中心位置恰好能透过待测气体分子吸收峰处的红外光；设置PZT的调制信号参数，使第二狭缝的中心位置处于调制变化状态；设置锁相放大器参数，使其提取二次谐波信号；

S2：在微控制器控制下，恒流驱动模块产生光源驱动信号，使宽带红外光源发出初始红外光信号，被第一凸透镜转换为平行光，并透过第一窗口传输至气室中；

S3：受待测气体分子吸收作用，初始红外光信号中与待测气体分子吸收峰相吻合的光将被吸收，产生被吸收后的红外光信号；

S4：S3中所述的被吸收后的红外光信号经第二窗口到达第二凸透镜，被汇聚后入射到第一狭缝；汇聚至第一狭缝的红外光经过第一平凹镜的反射到达反射光栅，反射光栅将红外光色散，色散后的红外光经过第二平凹镜的反射到达带第二狭缝的第二不透光挡板；透过第二狭缝的红外光入射到探测器上，探测器将红外光信号转换为电信号输出；

S5：锁相放大器参数从探测器输出的信号中提取出二次谐波信号；数据采集卡采集二次谐波信号，并将其传输至微控制器；微控制器计算二次谐波信号的幅值，转换得到气体浓度信息。

3.一种对宽带红外光源归一化发光光谱进行测试的光谱测试装置，包括宽带红外光源，其特征在于，所述测试装置还包括控制模块、第一凸透镜、第二凸透镜、光学斩波器、光栅模块、探测器、PZT微位移器；

所述控制模块包括微控制器、恒流驱动模块、数据采集卡、锁相放大器、调制信号产生电路，所述光栅模块包括第一不透光挡板、第二不透光挡板、反射光栅、第一平凹镜、第二平凹镜，第一不透光挡板上设有第一狭缝，第二不透光挡板上设有第二狭缝，所述PZT微位移器包括PZT、PZT驱动电路；

恒流驱动模块的输入端与微控制器电连接，恒流驱动模块的输出端与宽带红外光源电连接，宽带红外光源与第一狭缝之间依次设置第一凸透镜、光学斩波器、第二凸透镜，第一平凹镜用于将通过第一狭缝入射到光栅模块中的汇聚光进行反射后变为平行光，然后入射到反射光栅上，反射光栅用于将红外光进行色散，然后反射到第二平凹镜上，第二平凹镜用于对反射光栅各点色散的光线按照波长进行反射汇聚，然后入射到带第二狭缝的第二不透光挡板上，第二狭缝用于将对应第二狭缝位置的波长的光有选择性的透射出光栅模块，并入射到探测器上，PZT与第二不透光挡板粘接，探测器的输出端和调制信号产生模块的一个输出端分别与锁相放大器的两个输入端电连接，调制信号产生模块的另一个输出端与光学斩波器电连接，锁相放大器的输出端与数据采集卡的输入端电连接，数据采集卡的输出端与微控制器的输入端电连接，调制信号产生电路的输入端和PZT驱动电路的输入端与微控制器的两个输出端分别电连接，PZT驱动电路的输出端与PZT电连接；

测试方法包括以下步骤：

S1：在微控制器控制下，恒流驱动模块驱动宽带红外光源，使其发出红外光；在微控制器控制下，调制信号产生电路产生调制信号驱动光学斩波器，使光学斩波器产生转动；设定波长的扫描范围λ_min-λ_max，扫描步长为Δλ；

S2：在第一凸透镜作用下，红外光被变为平行光，然后通过光学斩波器后被调制；

S3：第二凸透镜将被光学斩波器调制的红外光汇聚后入射到光栅模块中；

S4：按照定标的第二狭缝出射波长与PZT驱动电路输入电压的关系，利用微控制器向PZT驱动电路输出驱动电压vi，使第二狭缝输出波长为λi＝λ_min+(i-1)Δλ的红外光；

S5：探测器接收第二狭缝输出的红外光信号，将其变为电信号，并输出至锁相放大器中；利用调制信号产生电路输出的调制信号作为参考信号，锁相放大器从探测器输出的电信号中提取出一次谐波信号；

S6：数据采集卡采集锁相放大器输出的一次谐波信号，并将其输出至微控制器；微控制器计算出一次谐波信号的幅度Ai，并将其连同波长λi存储；

S7：按照设定步长，重复S4-S6，直至设定的波长范围被扫描结束；最终得到宽带红外光源的输出光谱曲线A-λ；对该曲线做归一化处理后即可得到宽带红外光源的归一化输出光谱；

所述方法中定标第二狭缝的装置包括：

激光器、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、微控制器、数据采集卡、探测器、扫描信号产生电路、PZT、驱动电路、待定标光栅模块；激光器温度控制模块和激光器电流驱动模块的输入端与微控制器的输出端电连接，激光器温度控制模块的输出端和激光器电流驱动模块的输出端与激光器的输入端电连接；激光器的输出端对于待定标光栅模块的输入端；扫描信号产生电路的输入端与微控制器的输出端电连接；扫描信号产生电路的输出端与驱动电路的输入端电连接；驱动电路的输出端与PZT电连接；PZT粘接在待定标光栅模块中带第二狭缝的第二不透光挡板上；待定标光栅模块的输出端与探测器的输入端连接；探测器的输出端与数据采集卡的输入端电连接；数据采集卡的输出端与微控制器的输入端电连接；

利用定标第二狭缝的装置实现定标第二狭缝的方法包括以下步骤：

步骤1：在微控制器控制下，通过激光器温度控制模块设置激光器的工作温度；

步骤2：设定激光器的发光波长范围λ_min-λ_max、步长Δλ及对应的激光器的工作电流范围u_min-u_max、步长Δu，在微控制器控制下，通过激光器电流驱动模块设置激光器的工作电流ui，使激光器出射特定波长λi的红外光；

步骤3：在微控制器控制下，通过扫描信号产生电路产生一个锯齿波扫描电压；

步骤4：利用数据采集卡采集探测器的输出信号，计算探测器输出最大值时对应的锯齿波扫描电压的值，记为vi，由此得到从第二狭缝射出波长为λi的光对应的电压vi；

步骤5：重复步骤2至步骤4，按照步长Δu、Δλ，改变激光器的工作电流和激光器的出射波长，得到相应的扫描信号产生电路的输入电压，直至扫描完毕；最终拟合得到PZT扫描电路的输入电压与第二狭缝出射光波长的关系曲线v-λ，完成定标。