[发明专利]一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置及方法

权利要求书

1.一种采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置的使用方法，其特征在于，采用声光效应准直光路的水中溶解气红外检测装置包括光学部分、电学部分、辅助部分和机械部分；光学部分包括光源模块、声光调制器、封闭式气室、光电探测模块，所述的光源模块、声光调制器、封闭式气室、光电探测模块在一条直线上，形成直线式光路结构；电学部分包括电源模块、光源驱动模块、声光驱动模块、气室控温模块、气室控压模块、数据采集模块、锁相放大模块、DSP处理器模块、上位机通信模块；所述的气室控温模块包括加热片、温度传感器和控温电路，控温电路的输出端分别与加热片和温度传感器的输入端电连接；所述的气室控压模块包括压力传感器、流量控制阀和控压电路，控压电路的输出端分别与压力传感器和流量控制阀的输入端电连接；辅助部分包括气泵模块；机械部分包括圆筒形密封外壳、上层平台、下层平台、前面板、后面板、24V电源输入口、通信线缆出口、气体出口、气体入口；

其中光源模块的输入端与电学部分中的光源驱动模块的输出端电连接；光源模块的输出端与声光调制器的光学输入端相连；声光调制器的电学输入端与声光驱动模块的输出端电连接；声光调制器的光学输出端与封闭式气室的光学输入端相连；封闭式气室的光学输出端与光电探测模块的输入端相连；封闭式气室的气体输出端即出气口与气泵模块的输入端经由气体管道相连；光电探测模块的输出端与锁相放大模块的输入端电连接；

电学部分中DSP处理器模块分别与上位机通信模块的输入端、光源驱动模块的输入端、声光驱动模块的输入端、气室控压模块中的控压电路的输入端、气室控温模块中的控温电路的输入端和辅助部分中的气泵模块电连接；上位机通信模块的输出端与通信线缆出口连接；气室控压模块中的控压电路的输出端分别与压力传感器和流量控制阀的输入端电连接；流量控制阀的输出端与所述的封闭式气室的气体输入端即入气口相连；流量控制阀的气体输入端与气体入口相连；压力传感器与封闭式气室的内部气体通过流量控制阀连通，压力传感器的输出端与数据采集模块的输入端连接；气室控温模块的加热片包裹在封闭式气室的外部；温度传感器密封在封闭式气室的内部，其输出端与数据采集模块的输入端连接；控温电路的输出端分别与加热片和温度传感器的输入端电连接；锁相放大模块的输出端与数据采集模块的输入端电连接；数据采集模块的输出端与DSP处理器模块的输入端电连接；电源模块的输出端与电学部分中的各个模块相连接；

辅助部分中气泵模块的输入端与封闭式气室的气体输出端即出气口相连，气泵模块的输出端与气体出口相连，同时气泵模块还与DSP处理器模块电连接；

所述的机械部分中的上层平台和下层平台固定在圆筒形密封外壳内，前面板和后面板分别安装在圆筒形密封外壳两侧面，其中上层平台用于安装光学部分、辅助部分和电学部分中的气室控温模块中的温度传感器和加热片，下层平台用于安装电学部分，其中电学部分中的气室控温模块中只有控温电路设置在下层平台； 24V电源输入口、通信线缆出口设置在前面板上；气体入口、气体出口设置在后面板上；24V电源输入口与电源模块的输入端连接；通信线缆出口与上位机通信模块的输出端连接；气体入口与流量控制阀的输入端相连；气体出口与气泵模块的输出端经由气体管道相连；

使用方法具有准直、标定、测量三种工作模式，具体如下：

一、在准直模式下，将该装置置于实验室应用环境，采用瓶装目标气体作为辅助准直材料，具体步骤如下：

（a）通过24V电源输入口向电源模块提供电压，从而使其产生电学部分、气泵模块所需的工作电压；DSP处理器模块经由数据采集模块采集各模块的工作电压，若不正常，则中断准直过程；若电压正常则进入步骤（b）；

（b）利用气体管道，将气体入口连接到瓶装目标气体的钢瓶上，调节钢瓶减压阀的压力，使其满足流量控制阀的入口压力要求；打开气泵模块，向封闭式气室中抽入瓶装目标气体； DSP处理器模块调节流量控制阀的气体流速，并通过压力传感器读取封闭式气室中的压力，通过反馈控制，使封闭式气室中压力达到设定值；

（c）DSP处理器模块调节加热片的工作电压，并通过温度传感器读取封闭式气室的温度，通过反馈控制，使封闭式气室的温度达到设定值；

（d）DSP处理器模块启动光源驱动模块，调节光源模块的工作温度为设定值；

（e）DSP处理器模块向光源驱动模块施加三角波信号和正弦波信号，使光源模块发出波长被扫描和调制的红外光信号；

（f）手动调节光源模块、声光调制器、封闭式气室、光电探测模块，使光源模块发出的红外光经过声光调制器、封闭式气室后入射到光电探测模块上；锁相放大模块从光电探测模块输出的信号中提取二次谐波信号，并将其经由数据采集模块传输到DSP处理器模块；

（g）按照设定的声光驱动信号的初值， DSP处理器模块向声光驱动模块发出驱动信号，声光驱动模块产生特定载波频率的电信号来驱动声光调制器，超声波进入声光调制器后，声光介质的折射率发生变化并形成光栅，入射的红外光信号以一定的角度通过声光介质时将发生衍射，从而改变红外光的传播方向；

（h）DSP处理器模块经由数据采集模块采集锁相放大模块输出的二次谐波信号，并将其与从数据库计算得到的标准二次谐波信号进行比对，计算出谐波信号的相似度，并将其存储到内部存储器中；

（i）DSP处理器模块循环监测电源模块的输出电压、封闭式气室压力、封闭式气室温度，观察其是否正常；若不正常，回到步骤（a）；若正常，按照设定的声光驱动模块的驱动信号调整波长，修改声光驱动信号， 重复步骤（g）~（i），直至循环结束；

（j）从计算得到的相似度结果中找出最大的相似度，并确定与其对应的声光驱动模块的驱动信号即驱动电压值，将其作为声光驱动模块的最优驱动信号；

（k）DSP处理器模块依次关闭光源驱动模块、声光驱动模块、气泵模块，压力控制模块、温度控制模块、光电探测模块、数据采集模块；

（l）手动关闭DSP处理器模块、电源模块，结束准直调整过程；

二、在标定模式下，将该装置置于实验室应用环境，采用配气系统、瓶装氮气、瓶装目标气体作为辅助标定设备或材料，具体步骤如下：

（a）通过24V电源输入口向电源模块提供电压，从而产生电学部分、气泵模块所需的工作电压；DSP处理器模块经由数据采集模块采集各模块的工作电压，若不正常，则中断标定过程；若正常则进入步骤（b）；

（b）根据需要标定的目标气体的浓度范围和配气系统的流量调节范围，确定瓶装目标气体的浓度，利用瓶装氮气、瓶装目标气体作为配气系统的输入气体，利用气体管道，将气体入口连接到配气系统的输出口上；

（c）根据需要标定的目标气体浓度，设置配气系统的瓶装氮气、瓶装目标气体的流量，产生所需浓度的目标气体；

（d）打开气泵模块，向气室中抽入需要标定浓度的目标气体；通过DSP处理器模块调节流量控制阀的气体流速，并通过压力传感器读取封闭式气室中的压力，通过反馈控制，使封闭式气室中压力达到设定值；

（e）DSP处理器模块调节加热片的工作电压，并通过温度传感器读取封闭式气室的温度，通过反馈控制，使封闭式气室的温度达到设定值；

（f）DSP处理器模块启动光源驱动模块，调节光源模块的工作温度为设定值；

（g）DSP处理器模块向光源驱动模块施加三角波信号和正弦波信号，使光源模块发出波长被扫描和调制的红外光信号；

（h）按照准直模式优化结果，DSP处理器模块向声光驱动模块发出最优驱动电压值；使光源模块发出的红外光经过声光调制器、封闭式气室后入射到光电探测模块上；锁相放大模块从光电探测模块输出的信号中提取二次谐波信号，并将其经由数据采集模块传输至DSP处理器模块；

（i）按照每个标定浓度的气体样品的采集时间，DSP处理器模块经由数据采集模块在这个采样周期内循环采集锁相放大模块得到的二次谐波信号，获取二次谐波信号的幅值并将其存储到内部存储器中；到达采集时间后，计算所采集二次谐波信号幅值的平均值，并将其连同标定气体的浓度一起存储到内部存储器中；

（j）DSP处理器模块循环监测电源模块的输出电压、封闭式气室压力、封闭式气室温度，观察其是否正常；若不正常，回到步骤（a）；若正常，按照设定的下一个标定浓度，调整配气系统两个输入钢瓶气体的流量，重复步骤（c）~（j），直至全部浓度标定结束；

（k）根据循环标定的结果，拟合出二次谐波信号幅度与所标定气体浓度的线性关系，将拟合系数存储到DSP处理器模块的内部存储器中；

（l）DSP处理器模块依次关闭光源驱动模块、声光驱动模块、气泵模块，压力控制模块、温度控制模块、光电探测模块、数据采集模块；

（m）手动关闭DSP处理器模块、电源模块，结束标定过程；

三、在测量模式下，将该装置置于水下应用环境，采用水下气液分离设备、水上船体甲板监控计算机、水上船体甲板24V电源作为辅助应用设备，具体步骤如下：

（a）在甲板上，利用气体管道，将气体入口连接到水下气液分离设备的气体输出口上；利用水上船体甲板24V电源通过电缆线经由24V电源输入口向电源模块提供工作电压，从而产生电学部分、气泵模块所需的工作电压；水上船体甲板监控计算机通过电缆线和通信电缆出口与上位机通信模块连接，利用DSP处理器模块采集经由数据采集模块采集各模块的工作电压，并将其传输至水上船体甲板监控计算机，直至其工作正常；将水下气液分离设备以及该装置放置于耐压舱内，并通过拖体放置于水中；

（b）水上船体甲板监控计算机向DSP处理器模块发送启动测量命令；

（c）DSP处理器模块打开气泵模块，向封闭式气室中抽入气液分离设备输出的气体；DSP处理器模块调节流量控制阀的气体流速，并通过压力传感器读取封闭式气室中的压力，并将其传输至水上船体甲板监控计算机；通过反馈控制，使封闭式气室中压力达到设定值；

（d）DSP处理器模块调节加热片的工作电压，并通过温度传感器读取封闭式气室的温度，通过反馈控制，使封闭式气室的温度达到设定值；

（e）DSP处理器模块启动光源驱动模块，调节光源模块的工作温度，使其为设定值；

（f）DSP处理器模块向光源驱动模块施加三角波信号和正弦波信号，使光源模块发出波长被扫描和调制的红外光信号；

（g）按照准直的结果，DSP处理器模块设定声光驱动模块的电压为最优驱动电压值；使光源模块发出的红外光经过声光调制器、封闭式气室后入射到光电探测模块上；

（h）锁相放大模块从光电探测模块输出的信号中提取二次谐波信号，并将其经由数据采集模块传输到DSP处理器模块；

（i）DSP处理器模块根据采样得到的二次谐波信号幅值以及根据标定的目标气体浓度和二次谐波信号幅值的线性关系，计算出待测气体的浓度，并将其经由电缆线传输至船体甲板上的监控计算机；

（j）DSP处理器模块循环监测电源模块的输出电压、封闭式气室压力、封闭式气室温度，观察其是否正常；若不正常，则向甲板监控计算机发出报警指令；若正常，则查询是否接到监控计算机发送的停止测量命令；若接收到停止测量命令，则转到步骤（k）；若未接到停止测量命令，则重复步骤（h）~（j）；

（k）DSP处理器模块依次关闭光源驱动模块、声光驱动模块、气泵模块，压力控制模块、温度控制模块、光电探测模块、数据采集模块；

（l）在甲板上手动切断水上船体甲板24V电源，结束测量过程。