一种甲烷浓度检测方法及激光甲烷气体传感器与流程

本发明主要涉及甲烷检测，具体涉及一种甲烷浓度检测方法及激光甲烷气体传感器。

背景技术：

1、甲烷(ch4)是一种无色无味的易燃易爆气体，是天然气、沼气和多种液化燃料的主要成份，在能源领域占有重要地位。甲烷具有较低的爆炸下限(5％vol)，遇火易发生爆炸，因此，天然气在存储、运输和使用过程的安全问题不容忽视。甲烷传感器在监测天然气的各领域中广泛应用，这也要求甲烷传感器具有高精度、高灵敏度、低功耗、低成本和小型化等技术特点。

2、在众多的气体检测方法中，红外吸收光谱法应用广泛。可调谐二极管激光吸收光谱技术(tdlas)是一种将激光应用于吸收光谱测量技术的光学和光谱学测量方法，它通过改变激光器中心工作波长使其扫过待测气体吸收峰，该技术以其选择性强灵敏度高、响应速度快等优点成为气体检测的常用方法。

3、tdlas技术可分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术，直接吸收光谱技术以较低的频率对激光器输出波长进行调谐，使其在待测气体特征吸收谱线反复扫描，测量得到多次的吸收光谱数据，之后累加计算平均值得到最终的吸收光谱信号。波长调制光谱技术通过改变激光器的工作温度，使其发光波长稳定在气体吸收峰附近，再对激光器的驱动电流进行调节，使其发光波长扫过气体吸收峰，通常用正弦波对激光器的驱动电流进行调制，经过气体吸收后，二次谐波信号的幅值与被测气体浓度成正比，因此用锁相放大器提取谐波信号，就可以得到被测气体浓度。

4、其中直接吸收光谱技术通过低频扫描进行控制,使激光器出光波长扫描范围能够覆盖一个完整的吸收峰，通过入射光和出射光的比值，得到气体吸收信息，再根据比尔朗伯定律推算出气体浓度。但是在实际应用中，光路和电路均存在随机噪声，直接吸收方法受背景干扰、其他频带噪声影响较大，在微弱信号的测量方面效果不够理想。利用波长调制技术和谐波检测技术可以提高检测灵敏度，现有技术，通过搭建倍频器、锁相放大器、滤波器等电路实现二次谐波信号检测，提高检测灵敏度的同时，但是增加了系统实现的成本和体积。

5、已有专利申请“基于直接吸收法的激光甲烷气体传感器”中提出利用tdlas直接吸收法技术，通过直接吸收光谱计算出入射光和出射光的比值，减少计算量和硬件电路成本，实现对甲烷气体的检测。该技术方案受背景干扰、其他频带噪声影响较大，在微弱信号的测量方面效果不够理想。

6、已有专利申请“一种光纤甲烷传感器”中提出利用tdlas波长调制光谱技术，基于模拟电路设计获得二次谐波信息，提高信号处理的稳定性，提高检测灵敏度。但是硬件获取二次谐波信息的方法提高了产品的成本，同时，增大了产品的体积。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种有效提升系统信噪比和灵敏度的甲烷浓度检测方法，并相应提供一种结构简单、体积小、成本低、易于集成的激光甲烷气体传感器。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种甲烷浓度检测方法，包括步骤：

4、1)获取激光甲烷气体传感器的被测信号；其中被测信号为激光甲烷气体传感器的光电探测器将接收到光电信号转化成带有甲烷气气体浓度信息的电信号；

5、2)将被测信号分别与两倍频调制信号和两倍频正交调制信号相乘，得到两个调制好的信号；

6、3)分别对两个调制好的信号进行二次谐波分量提取，得到两个二次谐波分量值；

7、4)将两个二次谐波分量值的各数据点进行平方和根运算以消除相位差的影响；

8、5)从各数据点的平方和根运算后的结果中提取与甲烷浓度相关的幅值最大值，得到甲烷气体浓度值。

9、优选地，在步骤1)中，获取被测信号后，进行fir高通滤波以滤除干扰信号。

10、本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。

11、本发明进一步公开了一种甲烷浓度检测系统，包括相互连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。

12、本发明还公开了一种激光甲烷气体传感器，包括处理器单元、激光器驱动电路、激光器、气室、光路、光电探测器、信号检测处理模块，所述处理器单元经激光器驱动电路与激光器相连，所述光电探测器经信号检测处理模块与处理器单元相连；所述处理器单元用于产生低频三角波与高频正弦波的叠加信号，所述激光器驱动电路用于将叠加信号转换成激光器的注入电流，以实现对输出激光的波长和光强调谐；所述激光器用于发出激光；所述激光经过准直后进入气室，经甲烷气体吸收后的光信号经光路多次反射后进入光电探测器，所述光电探测器用于将该光电信号转化为带有气体浓度信息的电信号；所述信号检测处理模块用于将电信号进行放大和滤波处理后送入处理器单元，作为被测信号，所述处理器单元用于按照如上所述的甲烷浓度检测方法对被测信号进行处理以得到甲烷气体浓度值。

13、优选地，还包括温度控制模块，所述温度控制模块分别与激光器内部的热敏电阻和半导体制冷器相连；所述热敏电阻用于检测激光器的温度信号，所述温度控制模块根据处理器的设定温度信号对半导体体制冷器进行控制，并根据温度信号对半导体体制冷器进行pid闭环控制。

14、优选地，所述激光器驱动电路包括运算放大器、电阻r4、电阻r10和二极管；所述运算放大器的同相输入端与处理器单元相连，所述运算放大器的输出端经电阻r4与二极管的阳极相连，所述二极管的阴极和运算放大器的反相输入端均与电阻r10的一端相连，所述电阻r10的另一端接地。

15、优选地，所述信号检测处理模块包括跨阻放大器、第一低通滤波器、放大电路和第二低通滤波器；所述跨阻放大器、第一低通滤波器、放大电路和第二低通滤波器依次相连。

16、优选地，所述跨阻放大器包括放大器u1a和电阻r7，所述放大器u1a的反相输入端经电阻r7与其输出端相连，所述第一低通滤波器包括电阻r4和电容c2，电阻r4的一端与放大器u1a的输出端相连，电阻r4的另一端经电容c2接地；所述放大电路包括电阻r1、电阻r2和放大器u1b，所述放大器u1b的反相输入端经电阻r1接地，反相输入端经电阻r2与其输出端相连，同相输入端与电阻r4的另一端相连；所述第二低通滤波器包括电阻r3、电容c4和电容c5，电阻r3的一端与放大器u1b的输出端相连，电阻r3的另一端分别与电容c4的一端和电容c5的一端相连，电容c4的另一端和电容c5的另一端相连并接地。

17、优选地，还包括稳压二极管，所述稳压二极管的阳极与电容c5的另一端相连，阴极与电容c5的一端相连。

18、与现有技术相比，本发明的优点在于：

19、本发明结合工程实际将数字锁相技术应用到甲烷气体谐波检测技术中，相比于直接吸收光谱检测技术,谐波检测技术在低频扫描的驱动上增加了高频正弦调制,以抑制系统中光路、电路中的随机噪声,可有效提升系统信噪比和灵敏度；相比于纯硬件电路实现的二次谐波检测，数字锁相技术对应的硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成。

20、本发明通过将数字锁相和谐波检测技术应用到甲烷气体检测，旨在提高检测灵敏度的同时降低具体产品的成本和体积，提高产品集成度。