一種自適應(yīng)紅外氣體檢測(cè)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種自適應(yīng)紅外氣體檢測(cè)裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，目前常使用手方法有:載體催化、半導(dǎo)體、光干涉等。與這些檢測(cè)方法相比，利用紅外光譜吸收方法檢測(cè)氣體的優(yōu)點(diǎn)在于:可測(cè)氣體種類多、測(cè)量范圍寬、靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好、壽命長(zhǎng)、適用場(chǎng)合廣。因此，紅外光譜吸收技術(shù)成為檢測(cè)氣體的重要途徑。
[0003]現(xiàn)有紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)一般采用雙通道差分結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)又細(xì)分為雙光路差分結(jié)構(gòu)和雙波長(zhǎng)差分結(jié)構(gòu)。在雙光路差分結(jié)構(gòu)中，光源發(fā)出的單波長(zhǎng)紅外光被分為兩束，一束經(jīng)過(guò)具有一定濃度的被測(cè)氣體，到達(dá)探測(cè)器，稱為測(cè)量通道；另一束經(jīng)過(guò)參考?xì)馐液蟮竭_(dá)探測(cè)器，稱為參考通道；對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)做參比后表征氣體濃度信息。在雙波長(zhǎng)差分結(jié)構(gòu)下，寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號(hào)經(jīng)過(guò)含有一定濃度待測(cè)氣體的氣室后，到達(dá)雙波長(zhǎng)探測(cè)器，其中一個(gè)探測(cè)器的波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的吸收峰重合，部分光被待測(cè)氣體吸收，稱為測(cè)量通道；另一個(gè)探測(cè)器的波長(zhǎng)與待測(cè)氣體的吸收峰不重合，不被待測(cè)氣體吸收，稱為參考通道；對(duì)兩個(gè)通道的信號(hào)做參比后表征氣體濃度信息。采用雙通道差分結(jié)構(gòu)的目的是為了消除光源驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)、探測(cè)器性能波動(dòng)、光路中的粉塵顆粒變化等因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，從而可顯著提高檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在紅外氣體檢測(cè)儀所應(yīng)用的實(shí)地環(huán)境中，受環(huán)境參數(shù)沖擊變化、電路隨機(jī)噪聲、機(jī)械噪聲聲壓變化等統(tǒng)計(jì)特性無(wú)法預(yù)知的因素的影響，氣體運(yùn)移/吸附/解吸規(guī)律、待測(cè)氣體分子的紅外吸收特性均將發(fā)生變化。
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中:傳統(tǒng)的差分式檢測(cè)結(jié)構(gòu)僅能消除上述部分因素的影響，即能抑制同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道產(chǎn)生相同影響的干擾因素，而無(wú)法抑制僅影響單個(gè)通道的噪聲因素；采用經(jīng)典電域?yàn)V波法僅能抑制或?yàn)V除統(tǒng)計(jì)特性已知的噪聲，而無(wú)法濾除統(tǒng)計(jì)特性不可預(yù)知的干擾；針對(duì)檢測(cè)儀環(huán)境參數(shù)的變化，人們一般采用溫度、壓力補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除二者對(duì)檢測(cè)性能的影響；但這種方法僅能用于溫度、壓力緩慢變化的情況，而無(wú)法用于沖擊變化的情況。因此，無(wú)論是差分結(jié)構(gòu)還是溫、壓補(bǔ)償方法均無(wú)法較為全面的抑制或?yàn)V除環(huán)境參數(shù)沖擊變化、電路隨機(jī)噪聲、機(jī)械噪聲聲壓變化等統(tǒng)計(jì)特性無(wú)法預(yù)知的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)紅外氣體檢測(cè)裝置和方法。由于采用了光/電兩域自適應(yīng)信號(hào)處理方式，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)差分式紅外氣體檢測(cè)儀器及其所采用的經(jīng)典電域?yàn)V波法無(wú)法濾除上述光/電兩域統(tǒng)計(jì)特性無(wú)法預(yù)知的噪聲的技術(shù)難題，從而為復(fù)雜環(huán)境和干擾下的氣體精確測(cè)量提供了解決方案。
[0006]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)紅外氣體檢測(cè)裝置，包括:
[0008]第一光源模塊、第二光源模塊、第一開(kāi)放式氣室、第二開(kāi)放式氣室、第一自適應(yīng)處理單元、第二自適應(yīng)處理單元和主控單元；
[0009]所述的第一光源模塊和所述的第二光源模塊均用于產(chǎn)生近紅外和中紅外波段的光波信號(hào)，然后輸出；
[0010]所述的第一開(kāi)放式氣室和所述的第二開(kāi)放式氣室用于存放待測(cè)氣體，吸收與待測(cè)氣體吸收峰一致的光波信號(hào)，并將光波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后輸出；
[0011]所述的第一自適應(yīng)處理單元和第二自適應(yīng)處理單元，用于對(duì)經(jīng)過(guò)氣室吸收后的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)干擾抑制處理，然后輸出；
[0012]所述的主控單元，用于接收并對(duì)自適應(yīng)干擾抑制處理之后的信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果和“濃度-參比值”關(guān)系曲線確定待測(cè)氣體的濃度。
[0013]優(yōu)選的，所述的氣體檢測(cè)裝置還包括:第一驅(qū)動(dòng)單元、第二驅(qū)動(dòng)單元、第一放大濾波單元、第二放大濾波單元、第三放大濾波單元和第四放大濾波單元；
[0014]所述的第一驅(qū)動(dòng)單元和第二驅(qū)動(dòng)單元用于接收來(lái)自于所述主控單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，產(chǎn)生用于控制光源模塊的電信號(hào)；所述的第一驅(qū)動(dòng)單元包括:直流信號(hào)產(chǎn)生模塊、調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊、加法器模塊和壓控恒流模塊；所述的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生直流信號(hào)，所述的調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，所述的加法器模塊接收所述的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊和調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的電信號(hào)，將兩信號(hào)相加，并輸出；所述的壓控恒流模塊與加法器模塊電連接；所述的第二驅(qū)動(dòng)單元包括直流信號(hào)產(chǎn)生模塊和壓控恒流模塊，所述的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊接收來(lái)自主控單元的電信號(hào)，產(chǎn)生直流信號(hào)，并輸出；所述的壓控恒流模塊與所述的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊電連接，用于控制電流的強(qiáng)度，并輸出；
[0015]所述的第一放大濾波單元、第二放大濾波單元、第三放大濾波單元和第四放大濾波單元結(jié)構(gòu)相同，均包括前置放大模塊、濾波模塊、主放大模塊；所述的前置放大模塊與所述的濾波模塊電連接，所述的濾波模塊和所述的主放大模塊電連接，用于對(duì)所述開(kāi)放性氣室輸出的電信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。
[0016]優(yōu)選的，所述的第一開(kāi)放式氣室和第二開(kāi)放式氣室均具有一個(gè)探測(cè)器，所述的探測(cè)器上均具有兩個(gè)敏感窗口，其中一個(gè)敏感窗口的響應(yīng)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)待測(cè)氣體的吸收峰，另一個(gè)敏感窗口的響應(yīng)波長(zhǎng)偏離待測(cè)氣體的吸收峰。
[0017]優(yōu)選的，所述的主控單元包括DSP處理器模塊、供電模塊、IXD顯示模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和輔助模塊；
[0018]所述的DSP處理器模塊產(chǎn)生三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出給所述的第一驅(qū)動(dòng)單元上的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊和調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊、所述的第二驅(qū)動(dòng)單元上的直流信號(hào)產(chǎn)生模塊；
[0019]所述DSP處理器模塊通過(guò)IXD接口與所述的IXD電連接，所述DSP處理器模塊通過(guò)按鍵接口與所述的參數(shù)設(shè)置模塊電連接，所述DSP處理器模塊與分別與所述的第一自適應(yīng)信號(hào)處理單元和所述的第二自適應(yīng)信號(hào)處理單元電連接，所述的DSP處理器模塊分別與所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、輔助模塊電連接。
[0020]優(yōu)選的，所述的第一自適應(yīng)信號(hào)處理單元和第二自適應(yīng)信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)相同，均包括采樣保持模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和自適應(yīng)信號(hào)處理模塊，采樣保持模塊接收來(lái)自于放大濾波單元和所述自適應(yīng)信號(hào)處理模塊反饋的信號(hào)，進(jìn)行采樣，并輸出；
[0021]所述的AD轉(zhuǎn)換模塊接收來(lái)自所述采樣保持模塊的信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸出；
[0022]所述的自適應(yīng)信號(hào)處理模塊接收來(lái)自于所述的AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)字信號(hào)和所述主控單元的參數(shù)信號(hào)，進(jìn)行自適應(yīng)干擾抑制處理，將反饋信息輸出到所述的采樣保持模塊，并將結(jié)果輸出到主控單元。
[0023]優(yōu)選的，所述的AD轉(zhuǎn)換模塊可同時(shí)采集兩路模擬信號(hào)。
[0024]一種自適應(yīng)紅外氣體檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟:
[0025]S1:驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生兩路不同的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)，一路為疊加有直流信號(hào)的交流信號(hào)，另一路為直流信號(hào)；
[0026]S2:S1中所述的兩路電信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)光源模塊產(chǎn)生兩路紅外光信號(hào)，兩路紅外光信號(hào)具有相同的波長(zhǎng)范圍，區(qū)別在于，第一路光信號(hào)為被調(diào)制的光信號(hào)，第二路光信號(hào)為未被調(diào)制的光信號(hào)；
[0027]S3:S2中所述的兩路光信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體后，第一路電信號(hào)產(chǎn)生兩路含噪信號(hào)，第二路電信號(hào)產(chǎn)生兩路噪聲信號(hào)；
[0028]S4:對(duì)S3中的四路信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理；
[0029]S5:將一路含噪信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的一路噪聲信號(hào)為一組輸入信號(hào)，進(jìn)行自適應(yīng)干擾抑制處理，得到參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)；
[0030]S6:對(duì)S5得到的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)作差，將差值與參考信號(hào)做比值處理，得到參比值；根據(jù)計(jì)算得到的參比值和“濃度-參比值”關(guān)系曲線，計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度。
[0031]優(yōu)選的，自適應(yīng)干擾抑制處理的步驟如下:
[0032]I)設(shè)定自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)初值，包括前向/后向?yàn)V波系數(shù)、前向/后向誤差因子、加權(quán)系數(shù)、增益系數(shù)，并初始化噪聲信號(hào)序列和含噪信號(hào)序列的值；
[0033]2)按照設(shè)定采樣頻率，發(fā)出采樣保持信號(hào)，而后采集對(duì)應(yīng)的兩路信號(hào)，包括一路含噪信號(hào)和與其對(duì)應(yīng)的一路噪聲信號(hào)，并將其構(gòu)成當(dāng)前輪次的含噪信號(hào)序列和噪聲信號(hào)序列；
[0034]3)根據(jù)濾波器各系數(shù)初值或上一輪次計(jì)算得到的濾波器各系數(shù)值，計(jì)算當(dāng)前輪次的前向誤差系數(shù)、前向?yàn)V波系數(shù)；
[0035]4)根據(jù)濾波器各系數(shù)初值或上一輪次計(jì)算得到的濾波器各系數(shù)值，計(jì)算當(dāng)前輪次的后向誤差系數(shù)、增益系數(shù)、后向?yàn)V波系數(shù)；
[0036]5)根據(jù)上一輪次或初始化的加權(quán)系數(shù)向量和當(dāng)前輪次的噪聲信號(hào)序列，計(jì)算當(dāng)前輪次的期望輸出；
[0037]6)根據(jù)上一輪次計(jì)算得到的加權(quán)系數(shù)矢量或初始化的加權(quán)系數(shù)向量和當(dāng)前輪次的含噪信號(hào)序列，計(jì)算當(dāng)前輪次的誤差輸出信號(hào)；
[0038]7)根據(jù)上一輪次的加權(quán)系數(shù)矢量、當(dāng)前輪次的增益系數(shù)、當(dāng)前輪次的誤差輸出信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前輪次的加權(quán)系數(shù)；
[0039]8)查詢DSP處理器模塊是否發(fā)送“停止自適應(yīng)氣體檢測(cè)”的命令，若未接收到“停止自適應(yīng)檢測(cè)”命令，則向主機(jī)發(fā)送當(dāng)前輪次計(jì)算得到的誤差輸出信號(hào)，而后重復(fù)步驟4)?10);若已接收到“停止自適應(yīng)氣體檢測(cè)”命令，則回到步驟I)。
[0040]優(yōu)選的，DSP處理器模塊的工作流程如下:
[0041]I)初始化1 口、寄存器以及變量，并顯示初始化信息；
[0042]2)讀取參數(shù)設(shè)置模塊的輸入信息，查詢“啟動(dòng)氣體檢測(cè)”命令；
[0043]3)若查詢到“啟