一种激光甲烷传感器检测电路的制作方法

本实用新型属于甲烷传感器技术领域，特别涉及一种激光甲烷传感器检测电路。

背景技术：

现有的甲烷监测主要采用电子式、化学燃烧式等，存在“高浓度中毒”、零点漂移、响应时间慢、受高温高湿及其他气体影响，使用寿命短等缺陷，并且上述缺陷由原理和使用材料所致，不可避免。

因此，亟需一种激光甲烷传感器检测电路来解决上述技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种激光甲烷传感器检测电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种激光甲烷传感器检测电路，所述电路包括cpu处理单元、传输单元、驱动单元和控制单元，所述传输单元、驱动单元和控制单元均与cpu处理单元连接；

所述cpu处理单元包括单片机u2和运放u1，所述单片机u2的引脚11与运放u1的引脚1之间连接有电阻r1，所述单片机u2的引脚12和引脚13之间连接有电容c3，所述运放u1的引脚2接地，所述运放u1的引脚5分别连接3.3v电源和电容c1一端，所述电容c1另一端接地，所述运放u1的引脚3接地，所述运放u1的引脚1与引脚4之间连接有电容c2，所述电容c2的两端并联有变阻器r3；

所述传输单元包括用于传输光电探测器输出信号的接口p6，所述接口p6的引脚1和引脚2均与电容c2和变阻器r3连接，所述接口p6的引脚4和引脚5均接地；

所述单片机u2的引脚40连接指示灯d1的负极，所述指示灯d1的正极连接电阻r5的一端，所述电阻r5的另一端连接3.3v电源，所述单片机u2的引脚28与引脚29之间连接有电阻r10，所述单片机u2的引脚10分别连接电阻r6的一端、电容c8的一端和温度传感器p2的引脚1，所述电阻r6的另一端连接3.3v电源，所述电容c8的另一端接地，所述温度传感器p2的引脚2接地；

所述单片机u2的引脚1、引脚48、引脚24和引脚36均连接电容c13的一端，所述单片机u2的引脚47、引脚23和引脚35均连接电容c13的另一端，所述电容c13的两端并联有电容c12，所述电容c12的两端并联有电容c11，所述电容c11的两端并联有电容c10，所述电容c10的两端并联有电容c9，所述电容c9的正极连接3.3v电源，所述电容c9的负极接地，所述单片机u2的引脚8与引脚9之间连接有电容c15，所述电容c15的一端连接电阻r15的一端，所述电阻r15的另一端连接3.3v电源，所述电容c15的另一端连接电阻r16的一端，所述电阻r16的另一端接地，所述单片机u2的引脚7分别连接电阻r9的一端和电容c14的一端，所述电阻r9的另一端连接3.3v电源，所述电容c14的另一端接地，所述单片机u2的引脚44连接电阻r7的一端，所述电阻r7的另一端接地，所述单片机u2的引脚34连接接口p1的引脚2，所述单片机u2的引脚37连接接口p1的引脚4，所述接口p1的引脚1连接3.3v电源，所述接口p1的引脚3接地。

进一步的，所述驱动单元包括运放u3a、运放u3b、运放u4a和运放u4b，所述运放u3a的引脚1与运放u3b的引脚5连接，所述运放u3a的引脚2分别连接电阻r17的一端、电阻r18的一端和激光器u10的引脚6，所述电阻r17的另一端和电阻r18的另一端均接地，所述运放u3a的引脚3连接电阻r8的一端，所述电阻r8的另一端与单片机u2的引脚14连接，所述运放u3a的引脚4接地，所述运放u3a的引脚8分别连接3.3v电源和电容c6的一端，所述电容c6的另一端接地，所述运放u3b的引脚6与引脚7连接，所述运放u3b的引脚7与运放u4a的引脚3连接，所述运放u4a的引脚4接地，所述运放u4a的引脚8分别连接3.3v电源和电容c7的一端，所述电容c7的另一端接地，所述运放u4a的引脚2与引脚1连接，所述运放u4a的引脚1与运放u4b的引脚5连接，所述运放u4b的引脚6与引脚7连接，所述运放u3a的引脚1连接电阻r11的一端，所述运放u3b的引脚7连接电阻r12的一端，所述运放u4a的引脚1连接电阻r13的一端，所述运放u4b的引脚7连接电阻r14的一端，所述电阻r11的另一端、电阻r12的另一端、电阻r13的另一端、电阻r14的另一端均与激光器u10的引脚3连接。

进一步的，所述控制单元包括控制器u6、数字电位器u9、电阻r24和电容c24，所述控制器u6的引脚11与引脚12之间连接有电容c19，所述电容c19的一端连接3.3v电源，另一端接地，所述控制器u6的引脚2与引脚20之间连接有电容c23，所述电容c23一端连接3.3v电源，另一端接地，所述控制器u6的引脚14与引脚16之间连接有电容c27，所述电容c27一端连接3.3v电源，另一端接地，所述电阻r24的一端接地，另一端高频接地，所述电容c24的一端连接接口p1的引脚1，另一端连接接口p1的引脚3。

进一步的，所述控制器u6的引脚9与引脚6、引脚7、引脚8之间连接有电阻r29，所述电阻r29的一端连接电容c28的一端，所述电容c28的另一端接地，所述电阻r29的另一端连接电阻r32的一端，所述电阻r32的另一端接地。

进一步的，所述控制器u6的引脚10分别连接电阻r36的一端和电容c33的一端，所述电容c33的另一端接地，所述电阻r36的另一端分别连接电容c32一端、电阻r34一端和运放u8的引脚1，所述电阻r34另一端连接电容c30一端，所述电容c30另一端、电容c32另一端和运放u8的引脚4均连接电阻r35一端，所述电阻r35另一端连接电容c31一端，所述电容c31另一端接地，所述运放u8的引脚2接地，所述运放u8的引脚5分别连接3.3v电源和电容c21一端，所述电容c21另一端接地，所述运放u8的引脚3分别连接电容c25一端、电阻r26一端和激光器u10的引脚2，所述电容c25另一端接地，所述电阻r26另一端连接电容c20一端，所述电容c20另一端接地，所述运放u8的引脚4还连接电阻r28一端，所述电阻r28另一端与数字电位器u9的引脚6连接。

进一步的，所述控制器u6的引脚3与单片机u2的引脚26连接，所述控制器u6的引脚13连接电阻r31一端，所述电阻r31另一端连接3.3v电源，所述控制器u6的引脚4连接电容c29一端，所述电容c29另一端接地，所述控制器u6的引脚15连接电感l2一端，所述电感l2另一端连接电容c26一端，所述电容c26另一端接地，所述电感l2另一端和控制器u6的引脚18均连接电容c22一端，所述控制器u6的引脚17连接电容c22另一端，所述控制器u6的引脚17与引脚19之间连接有电阻r25，所述控制器u6的引脚18还连接激光器u10的引脚1，所述控制器u6的引脚19还连接激光器u10的引脚8，所述控制器u6的引脚1连接电感l1一端，所述电感l1另一端和电容c22另一端均连接电容c18一端，所述电容c18另一端接地。

进一步的，所述数字电位器u9的引脚1与单片机u2的引脚45连接，所述数字电位器u9的引脚2与单片机u2的引脚30连接，所述数字电位器u9的引脚3与单片机u2的引脚31连接，所述数字电位器u9的引脚3还连接电阻r27一端，所述电阻r27另一端连接3.3v电源，所述数字电位器u9的引脚4接地，所述数字电位器u9的引脚5连接电阻r33一端，所述电阻r33另一端与控制器u6的引脚9连接，所述数字电位器u9的引脚7连接电阻r30一端，所述电阻r30另一端接地，所述数字电位器u9的引脚8连接3.3v电源。

进一步的，所述激光器u10的引脚4和引脚7均接地。

本实用新型的技术效果和优点：

本实用新型采用分步反馈式可调谐半导体激光器作为光源，通过改变注入电流使激光器波长扫描甲烷气体的单根吸收线，避免了气体干扰，从而获得甲烷的吸收光谱信号，提高了甲烷传感器的稳定性和准确度，增大使用寿命，现场使用免标校，降低人工成本。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例的单片机u2的u2a部分接线示意图；

图2示出了本实用新型实施例的单片机u2的u2b部分接线示意图；

图3示出了本实用新型实施例的单片机u2的u2c部分接线示意图；

图4示出了本实用新型实施例的接口p6接线示意图；

图5示出了本实用新型实施例的驱动单元电路示意图；

图6示出了本实用新型实施例的控制单元电路示意图；

图7示出了本实用新型实施例的激光器u10接线示意图；

图8示出了本实用新型实施例的电阻r24接线示意图；

图9示出了本实用新型实施例的电容c24接线示意图；

图10示出了本实用新型实施例的不同浓度甲烷吸收曲线图；

图11示出了本实用新型实施例的典型甲烷传感器标定曲线示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种激光甲烷传感器检测电路，示例性的，如图1-9所示，所述电路包括cpu处理单元、传输单元、驱动单元和控制单元，所述传输单元、驱动单元和控制单元均与cpu处理单元连接；

所述cpu处理单元包括单片机u2和运放u1，所述单片机u2的引脚11与运放u1的引脚1之间连接有电阻r1，所述单片机u2的引脚12和引脚13之间连接有电容c3，所述运放u1的引脚2接地，所述运放u1的引脚5分别连接3.3v电源和电容c1一端，所述电容c1另一端接地，所述运放u1的引脚3接地，所述运放u1的引脚1与引脚4之间连接有电容c2，所述电容c2的两端并联有变阻器r3；

所述传输单元包括用于传输光电探测器输出信号的接口p6，所述接口p6的引脚1和引脚2均与电容c2和变阻器r3连接，所述接口p6的引脚4和引脚5均接地；

所述单片机u2的引脚40连接指示灯d1的负极，所述指示灯d1的正极连接电阻r5的一端，所述电阻r5的另一端连接3.3v电源，所述单片机u2的引脚28与引脚29之间连接有电阻r10，所述单片机u2的引脚10分别连接电阻r6的一端、电容c8的一端和温度传感器p2的引脚1，所述电阻r6的另一端连接3.3v电源，所述电容c8的另一端接地，所述温度传感器p2的引脚2接地；

所述单片机u2的引脚1、引脚48、引脚24和引脚36均连接电容c13的一端，所述单片机u2的引脚47、引脚23和引脚35均连接电容c13的另一端，所述电容c13的两端并联有电容c12，所述电容c12的两端并联有电容c11，所述电容c11的两端并联有电容c10，所述电容c10的两端并联有电容c9，所述电容c9的正极连接3.3v电源，所述电容c9的负极接地，所述单片机u2的引脚8与引脚9之间连接有电容c15，所述电容c15的一端连接电阻r15的一端，所述电阻r15的另一端连接3.3v电源，所述电容c15的另一端连接电阻r16的一端，所述电阻r16的另一端接地，所述单片机u2的引脚7分别连接电阻r9的一端和电容c14的一端，所述电阻r9的另一端连接3.3v电源，所述电容c14的另一端接地，所述单片机u2的引脚44连接电阻r7的一端，所述电阻r7的另一端接地，所述单片机u2的引脚34连接接口p1的引脚2，所述单片机u2的引脚37连接接口p1的引脚4，所述接口p1的引脚1连接3.3v电源，所述接口p1的引脚3接地。

所述驱动单元包括运放u3a、运放u3b、运放u4a和运放u4b，所述运放u3a的引脚1与运放u3b的引脚5连接，所述运放u3a的引脚2分别连接电阻r17的一端、电阻r18的一端和激光器u10的引脚6，所述电阻r17的另一端和电阻r18的另一端均接地，所述运放u3a的引脚3连接电阻r8的一端，所述电阻r8的另一端与单片机u2的引脚14连接，所述运放u3a的引脚4接地，所述运放u3a的引脚8分别连接3.3v电源和电容c6的一端，所述电容c6的另一端接地，所述运放u3b的引脚6与引脚7连接，所述运放u3b的引脚7与运放u4a的引脚3连接，所述运放u4a的引脚4接地，所述运放u4a的引脚8分别连接3.3v电源和电容c7的一端，所述电容c7的另一端接地，所述运放u4a的引脚2与引脚1连接，所述运放u4a的引脚1与运放u4b的引脚5连接，所述运放u4b的引脚6与引脚7连接，所述运放u3a的引脚1连接电阻r11的一端，所述运放u3b的引脚7连接电阻r12的一端，所述运放u4a的引脚1连接电阻r13的一端，所述运放u4b的引脚7连接电阻r14的一端，所述电阻r11的另一端、电阻r12的另一端、电阻r13的另一端、电阻r14的另一端均与激光器u10的引脚3连接。

所述控制单元包括控制器u6、数字电位器u9、电阻r24和电容c24，所述控制器u6的引脚11与引脚12之间连接有电容c19，所述电容c19的一端连接3.3v电源，另一端接地，所述控制器u6的引脚2与引脚20之间连接有电容c23，所述电容c23一端连接3.3v电源，另一端接地，所述控制器u6的引脚14与引脚16之间连接有电容c27，所述电容c27一端连接3.3v电源，另一端接地，所述电阻r24的一端接地，另一端高频接地，所述电容c24的一端连接接口p1的引脚1，另一端连接接口p1的引脚3。

所述控制器u6的引脚9与引脚6、引脚7、引脚8之间连接有电阻r29，所述电阻r29的一端连接电容c28的一端，所述电容c28的另一端接地，所述电阻r29的另一端连接电阻r32的一端，所述电阻r32的另一端接地。

所述控制器u6的引脚10分别连接电阻r36的一端和电容c33的一端，所述电容c33的另一端接地，所述电阻r36的另一端分别连接电容c32一端、电阻r34一端和运放u8的引脚1，所述电阻r34另一端连接电容c30一端，所述电容c30另一端、电容c32另一端和运放u8的引脚4均连接电阻r35一端，所述电阻r35另一端连接电容c31一端，所述电容c31另一端接地，所述运放u8的引脚2接地，所述运放u8的引脚5分别连接3.3v电源和电容c21一端，所述电容c21另一端接地，所述运放u8的引脚3分别连接电容c25一端、电阻r26一端和激光器u10的引脚2，所述电容c25另一端接地，所述电阻r26另一端连接电容c20一端，所述电容c20另一端接地，所述运放u8的引脚4还连接电阻r28一端，所述电阻r28另一端与数字电位器u9的引脚6连接。

所述控制器u6的引脚3与单片机u2的引脚26连接，所述控制器u6的引脚13连接电阻r31一端，所述电阻r31另一端连接3.3v电源，所述控制器u6的引脚4连接电容c29一端，所述电容c29另一端接地，所述控制器u6的引脚15连接电感l2一端，所述电感l2另一端连接电容c26一端，所述电容c26另一端接地，所述电感l2另一端和控制器u6的引脚18均连接电容c22一端，所述控制器u6的引脚17连接电容c22另一端，所述控制器u6的引脚17与引脚19之间连接有电阻r25，所述控制器u6的引脚18还连接激光器u10的引脚1，所述控制器u6的引脚19还连接激光器u10的引脚8，所述控制器u6的引脚1连接电感l1一端，所述电感l1另一端和电容c22另一端均连接电容c18一端，所述电容c18另一端接地。

所述数字电位器u9的引脚1与单片机u2的引脚45连接，所述数字电位器u9的引脚2与单片机u2的引脚30连接，所述数字电位器u9的引脚3与单片机u2的引脚31连接，所述数字电位器u9的引脚3还连接电阻r27一端，所述电阻r27另一端连接3.3v电源，所述数字电位器u9的引脚4接地，所述数字电位器u9的引脚5连接电阻r33一端，所述电阻r33另一端与控制器u6的引脚9连接，所述数字电位器u9的引脚7连接电阻r30一端，所述电阻r30另一端接地，所述数字电位器u9的引脚8连接3.3v电源。

所述激光器u10的引脚4和引脚7均接地。

本实用新型实施例中，单片机u2的型号采用stm32f303cbt6，数字电位器u9的型号采用mcp4561-103e，控制器u6的型号采用max8521，控制器u6设计用于驱动空间受限的光纤模块中的热电制冷器(tec)。提供±1.5a输出电流，并控制tec电流，以消除有害的电流浪涌。片内fet减少了外部元件的数目，高开关频率减小了外部元件的尺寸。控制器u6工作于单电源，在两个同步buck转换器输出之间连接tec。这种工作方式允许在低电流时实现无死区和其他非线性的温度控制。这种策略保证在设置点非常接近环境工作点时，控制系统不会发生振荡，仅需少量的加热或者冷却。由模拟控制信号精确地设置tec电流，具有精确的、独立可调的加热电流限制和冷却电流限制，以及最大tec电压限制，以提高光模块的可靠性，有一路模拟输出信号监测tec电流，独特的纹波抵消技术有助于减小噪声。

单片机u2通过接口p1，实现对单片机u2的仿真和编程。接口p6经过与运放u1的引脚4相连，组成i/v转换器，实现把探测信号变成电压信号。该信号通过与单片机u2的pa1脚相连，经过单片机u2内部集成运放进项跟随输出到内部ad2进行数模转换，把探测器接收的光信号转换成数字信号。指示灯d1与单片机u2的pb4脚相连，实现模块状态的指示。温度传感器p2通过与单片机u2的pa0脚相连，实现对温度的测量。

驱动单元由单片机u2内部的dac控制，由pa4脚输出模拟信号通过电阻r8与运放u3a的引脚3相连，经过运放u3a、运放u3b、运放u4a、运放u4b组成恒流源电路对激光器u10的ld+和ld-进行锯齿波扫描。

单片机u2通过pb9脚和pa15脚控制数字电位器u9的引脚2和引脚3，完成对数字电位器u9的电阻值设置，再配合运放u8与激光器u10的r+，r-连接构成负反馈电路，输出给控制器u6，由控制器u6控制tec-和tec+完成对激光器u10温度的控制。

本实用新型实施例基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，是利用二极管激光器的波长调谐特性，获得被选定的待测气体特征吸收线的吸收光谱，从而对气体进行定性或者定量分析。本实用新型实施例的传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性，当光通过某种介质时，即使不发生反射、折射和衍射现象，其传播情况也会发生变化，这是因为光频电磁波与组成介质的原子、分子发生作用，作用的结果使得光被吸收和散射而产生衰减。由于气体分子对光的散射很微弱，远小于气体的吸收光能，故衰减主要由吸收这一过程产生，散射可以忽略，利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型激光气体传感器。

光谱定量分析的理论基础是朗伯－比尔定律，对于含n种物质成分的气体而言，其数学表达式为：

其中：a为吸光度，是波长的函数，i0和it分别为入射和出射光强，cn为成分n的浓度(mg/dl)，l为光程长，αn为成分n的吸收系数(mg/dl.m)。

光谱吸收法测量痕量气体浓度是基于对气体分子吸收线的探测，而吸收线的频率及线形是气体分子的固有特征。根据朗伯－比尔定律，光源发出强度i0的激光，经多次反射池后的光强为：

iλ＝i0(λ)rⁿexp[-σ(λ)cl](2)

其中：r为多次反射池反射面的反射率，n为反射次数，σ(λ)表示待测分子在波长λ处的吸收截面，c为分子数浓度，l为总的光程。系统设计完成后认为r、σ(λ)、l是固定值，只需测试吸收前后光强的变化，通过一定的信号处理即可得到待测气体的浓度。

本实用新型实施例使用1650nm附近的吸收峰来检测甲烷浓度，不同浓度甲烷气体的吸收如图10所示。

针对不同浓度的甲烷气体，具有非常好的线性特性，如图11所示，因此保证了现场测试数据的准确性。

本实用新型采用分步反馈式可调谐半导体激光器作为光源，通过改变注入电流使激光器波长扫描甲烷气体的单根吸收线，避免了气体干扰，从而获得甲烷的吸收光谱信号，提高了甲烷传感器的稳定性和准确度，增大使用寿命，现场使用免标校，降低人工成本。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。