[发明专利]多组分气体浓度检测及温度误差修正方法

权利要求书

1.一种多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用波长调制技术驱动DFB激光器；

(2)采集含有气体浓度信息的回波信号；

(3)基于FPGA构建谐波检测电路；

以调制频率的倍频作为参考信号通过锁相放大器对透射光进行相敏检波，从噪声中提取二次谐波信号，利用FPGA高速处理信号设计正交锁相放大器，用参考正弦和余弦信号与采集的原始信号相乘，经低通滤波器和矢量运算后得到锁相放大器的最终输出，即2f谐波信号；

(4)采用二次谐波幅值反演CO、CO₂浓度；

在吸收谱线中心处，对应偶次谐波信号的峰值和奇次谐波信号的零点，选用二次谐波幅值反演CO、CO₂浓度，即可检测CO、CO₂浓度。

2.根据权利要求1所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：还包括步骤(5)对测量结果进行温度补偿；

在气室上安装热电偶对气室实时测温，同时读取试验机的实时温度进行对比，温度范围设定为-20℃～60℃，记录不同温度下步骤(3)中得到的谐波峰值，对实验得到的数据进行平均处理并进行温度补偿修正温度影响。

3.根据权利要求1或2所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述步骤(1)具体操作为：

通过温度调节对DFB激光器进行“粗调”，使激光频率在光谱中心频率1579nm-1580nm处扫描，使用电流调节对DFB激光进行“细调”，给DFB激光器注入20Hz低频锯齿波扫描信号和4k高频正弦波调制信号，通过加法器和压控恒流源电路产生电流驱动信号，使调制后的激光稳定扫描选定的1579.74nm，1579.57nm波段谱线，使激光被CO、CO₂吸收。

4.根据权利要求3所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述步骤(2)具体操作为：

DFB激光器发出的光通过准直镜被准直为平行光束，穿过气体吸收池后经靶标产生漫反射，在传感器最前端放置一个石英材质的平凸透镜来接收反射光，光束经过透镜后汇聚于放置在焦点处的InGAs光电探测器上，探测器接收的光强信号经过气体吸收散射，利用低噪声运放OPA657和OPA37设计跨阻放大电路和光电转换电路，将前置放大电路的信噪比提升3dB，并把含有浓度信息的光信号转化为电信号，并用带通滤波器滤除噪音信号，提取二次谐波频率分量，将其转化为原始信号进行后续处理。

5.根据权利要求1所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述的DFB激光器可调谐波长范围为1580nm±2nm。

6.根据权利要求3所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述的4k高频正弦波调制信号是利用FPGA实现DDS功能，配合DAC芯片和低通滤波器产生的。

7.根据权利要求3所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述的20Hz低频锯齿波扫描信号是利用STM32F103RCT6内部DAC以直接内存存取的方法产生的。

8.根据权利要求2所述的多组分气体浓度检测及温度误差修正方法，其特征在于：所述温度补偿是指设定25℃作为标准对其他温度的结果修正，同一浓度不同温度的二次谐波幅值均不同，将它们转变为标定温度25℃下的幅值再进行浓度反演即可。