[发明专利]一种检测谐波法测水蒸气浓度系统性能的方法

摘要

一种检测谐波法测水蒸气浓度系统性能的方法，属气体传感系统检测领域，涉及的系统主要包括单片机，驱动模块，电路模块，气室模块以及光路模块，信号采集模块。其中，检测电路模块包括电流-电压转换部分和锁相放大器；光路模块包括激光器和光电探测器。其特征在于，模拟比尔-朗勃定律，将激光器的高频正弦驱动信号与气体的吸收系数相乘，模拟吸收过程，并将此信号作为最终的驱动信号输入至检测系统，通过在系统中接入不同的检测模块，采集分析数据，从而确认系统线性度和重复性的性能。该系统实现了对水蒸气这一非标准气体的检测系统的性能进行标定的功能，对于水蒸气浓度的检测具有重要意义。

主权项

一种检测谐波法测水蒸气浓度系统性能的方法，由以下系统来实现，该系统主要包括单片机、驱动模块、电路模块、气路模块以及光路模块、信号采集模块，电路模块包括电流‑电压转换模块和锁相放大器；光路模块包括激光器、耦合器和光电探测器；气路模块包括气室，模拟比尔‑朗勃定律，将激光器的高频正弦驱动信号与气体的吸收系数在相对应的波长处相乘，模拟实际吸收过程，并将此信号作为最终的驱动信号输入检测系统使用，通过系统中接入不同的检测模块，采集分析数据，从而确认系统的重复性和线性度两方面的性能，以下分为电路模块、光路模块和气路模块三个部分进行检测，具体检测步骤为：一：电路模块性能的检测1)单片机和驱动模块相连，驱动模块上设置连接激光器的引脚处用激光器的等效电阻代替，驱动模块的输出端和电流‑电压转换模块的输入端相连接，电流‑电压转换模块的输出端和锁相放大器的输入端相连接，锁相放大器的输出端连接到信号采集模块；2)将上述各部件连接好，接通电源，使系统能正常工作；3)通过数学软件，模拟比尔‑朗勃定律，设置参数光强I(v)，吸收系数α(ν)为特定函数，气室长度L为固定不变参数，以气体浓度C为变量，可得到不同的驱动信号，分别设置C为10组相同浓度和10组不同浓度，可得到10组相同的驱动信号和10组不同的驱动信号；4)通过单片机依次将模拟得到的10组相同的驱动信号和10组不同的驱动信号给予驱动模块，信号从驱动模块输出后，接入电流电压转换部分，经过转换之后的信号输入锁相放大器的信号输入引脚，通过信号采集模块采集锁相放大器的输出结果；5)对信号采集模块所得到的检测结果分析整理，得到该系统电路模块的重复性和线性度的性能：对10组相同驱动信号的检测结果分析，计算采集结果之间的标准差，标准差越小，则重复性越好；对10组不同驱动信号的检测结果分析，以不同浓度C为自变量，以相对应的检测结果为因变量，根据最小二乘法，可得到自变量与因变量的相关系数，该相关系数越高，线性度越好；二：光路模块性能的检测6)将单片机和驱动模块相连接，驱动模块和激光器相连接，激光器后面放置耦合器，耦合器的输出与光电探测器相连接，光电探测器的输出端和电流‑电压转换模块的输入端相连接，电流‑电压转换模块的输出端和锁相放大器的输入端相连接，锁相放大器的输出端连接到信号采集模块；7)将上述各部件连接好，接通电源，使系统能正常工作；8)通过单片机依次将步骤3)中模拟得到的10组相同的驱动信号和10组不同的驱动信号给予驱动模块，信号从驱动模块输出后，进入激光器，驱动激光器发出与驱动信号相对应的光信号，光信号经过耦合器之后进入光电探测器，进行光电转换，光电探测器的的输出信号接入电流电压转换部分，经过转换之后的信号输入锁相放大器的信号输入引脚，通过信号采集模块采集锁相放大器的输出结果；9)在步骤5)的基础上，对信号采集模块所得到的检测结果分析整理，得到该系统光路模块的重复性和线性度的性能：对10组相同驱动信号的检测结果分析，计算采集结果之间的标准差，标准差越小，则重复性越好；对10组不同驱动信号的检测结果分析，以不同浓度C为自变量，以相对应的检测结果为因变量，根据最小二乘法，可得到自变量与因变量的相关系数，该相关系数越高，线性度越好；三：气路模块性能的检测10)将单片机和驱动模块相连接，驱动模块和激光器相连接，激光器后面放置耦合器，耦合器的输出与气室相连接，气室光电探测器相连接，光电探测器的输出端和电流‑电压转换模块的输入端相连接，电流‑电压转换模块的输出端和锁相放大器的输入端相连接，锁相放大器的输出端连接到信号采集模块；11)用氮气将其气室内原有空气排空，因为驱动信号中已经模拟了气体的吸收过程，在实际过程中，无需再重复实际的气体吸收过程，故需要将气室排空；12)将上述各部件连接好，接通电源，使系统能正常工作；13)通过单片机依次将步骤3)中模拟得到的10组相同的驱动信号和10组不同的驱动信号给予驱动模块，信号从驱动模块输出后，进入激光器，驱动激光器发出与驱动信号相对应的光信号，光信号经过耦合器之后进入气室，气室的输出信号进入光电光电探测器，进行光电转换，光电探测器的的输出信号接入电流电压转换部分，经过转换之后的信号输入锁相放大器的信号输入引脚，通过信号采集模块采集锁相放大器的输出结果；14)在步骤5)和步骤9)的基础上，对信号采集模块所得到的检测结果分析整理，得到该系统气路模块的重复性和线性度的性能：对10组相同驱动信号的检测结果分析，计算采集结果之间的标准差，标准差越小，则重复性越好；对10组不同驱动信号的检测结果分析，以不同浓度C为自变量，以相对应的检测结果为因变量，根据最小二乘法，可得到自变量与因变量的相关系数，该相关系数越高，线性度越好。