一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统的制作方法

1.本发明属于红外气体光谱检测技术领域，具体涉及一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统。


背景技术：

2.除了气候问题之外，诸如co2之类的温室气体浓度的增加还会对人体造成不同程度的影响。传统的气体检测方法比如电化学法，主要是通过化学反应来实现对特定气体的检测，但这种方法无法检测大气中最常见的温室气体co2，并且使用寿命短、精度低、容易受其它气体的干扰。而气体红外光谱检测技术则是基于不同气体在中红外光谱下的指纹吸收特性来检测气体，是依靠气体本身的光学特性来分辨气体的种类和浓度，具有稳定性高、工作寿命长、温度范围广、气体选择性好等特点，能够对co2、ch4、co、n2o、h2co、nh3、no、ocs、c2h4、o3多种气体进行高精度检测。
3.而气体红外光谱检测技术的一大难题就在于其非线性特性，根据朗伯-比尔定律，气体的浓度与光强的衰减关系为指数关系，而这一非线性的关系将会带来以下劣势：首先，非线性传感器的输出与输入之间的关系更加复杂，可能需要更复杂的数学模型或校准方法来解释和处理传感器的输出数据。其次，非线性区域的误差较大。在传感器的非线性区域内，其输出可能与实际值之间存在较大的误差。这会导致测量结果的不准确性，并可能影响系统的性能和可靠性。再次，非线性传感器可能会引入信号失真，使得输出信号的波形变形或包含其他非线性特征。这可能对需要精确测量和准确控制的应用造成问题。最后，在信号传输过程中，非线性传感器的输出可能会受到传输特性的影响，例如噪声、衰减和非线性失真等。这会对传感器信号的可靠性和稳定性造成负面影响。尽管非线性传感器在某些应用中可能具有一定的优势，但在许多工程和科学应用中，线性传感器通常更为常见和可靠。线性输出使得传感器的校准、数据处理和系统集成更加简单，同时提供更可预测和准确的测量结果。
4.现有技术中利用单片机的运算实现线性化处理，但是通过单片机的运算实现的线性化处理方式存在以下问题：首先，单片机处理连续信号的能力较弱。单片机是基于数字信号处理的，无法直接处理连续信号。它们通过采样和量化将连续信号转换为离散的数字信号进行处理。这意味着在某些应用中，单片机无法提供与模拟电路相同的精确度和连续性。其次，实时性受限。虽然现代单片机的处理速度非常快，但在某些高速、实时要求严格的应用中，模拟电路可能更适合。单片机需要通过中断或轮询等方式来实现实时处理，可能存在一定的延迟。再次，单片机的复杂性较大，开发时间较长。相对于简单的模拟电路设计，单片机的设计和开发过程可能更为复杂。它们需要编程和调试，并涉及更多的软件开发环节。这可能导致设计和开发时间更长。从次，单片机依赖于供电和噪声干扰。单片机对稳定的电源供应有较高的要求，而模拟电路对电源波动和噪声干扰的容忍度更高。单片机可能对电源噪声和电磁干扰更为敏感，需要采取额外的措施来保证稳定的运行。最后，单片机成本昂贵。单片机通常需要外部器件，如晶体振荡器、存储器、外设等，这可能增加设计的成本和复
杂性。相比之下，简单的模拟电路通常具有较低的成本。
5.中国专利cn108760050 a，专利名称“吸光度检测电路”，公开日期2018年11月06日，提供一种吸光度检测电路，能够直接进行双波长吸光度差计算，测试结果分辨率高，测量误差小，响应速度快，且利于电路简洁、成本低。但是，该技术方案中，选取两路电信号传输后直接对其进行对数运算，容易受到探测器零点漂移、环境温湿度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，导致探测系统的不稳定，测量值的漂移严重。另外，该技术方案中，电路设计部分均采用单片机实现，如之前所述，单片机存在实时性差、复杂度高、连续性差、精确度低、成本高等缺点，无法满足高精度、低成本、小型化气体探测装置的需要。
6.为了更好地和实际工业生产要求相符合，发明一种实时性好、结构简单、连续性强、精确度高、成本低的基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，在原有气体检测装置线性动态范围较低的情况下，通过加入对数电路的方法，改变输出电信号与待测气体浓度之间的对应关系，实现正比例的对应关系，既扩大了线性动态范围，又降低了成本。本发明的基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统还具有很强的适配性与稳定性，能适配不同光程、不同光源、不同探测器、不同气体、不同浓度、不同温度、不同检测方式的气体红外光谱检测。这是因为凡是基于气体红外光谱检测技术的装置，都遵循朗伯-比尔定律，而所有指数函数经过对数电路后都能够转换为线性函数，实现线性化输出。
8.为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述系统包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；其中，所述浓度检测模块中向气体吸收池内通入待测气体充满整个气室，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经过衰减后的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；所述差分放大模块中的锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取红外探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分消除所述一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项后，通过对数运算模块，进行对数运算、三次差分电路的一系列运算，得到与浓度成正比例关系的变量v3，通过信号显示模块显示气体浓度值大小。
9.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：作为本发明的优选技术方案：所述浓度检测模块包括中红外光源、准直透镜、光学斩波器、气体吸收池、聚焦透镜；所述中红外光源所发出的红外光范围为3-5μm；所述准直透镜选择波段范围为2-5μm的平凸透镜，所述准直透镜放置于所述中红外光源之后用于准直光线；所述光学斩波器对光信号进行频率调制，降低背景光的干扰；所述气体吸收池提供中红外光吸收的场所，待测气体从其进气口通入，在吸收了中红外光之后从其出气口流出；所述聚焦透镜波段范围为2-5μm的平凸透镜，其放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光
线，提升探测器的输出信噪比；作为本发明的优选技术方案：所述中红外光源包括黑体光源、中红外激光器、中红外led灯。
10.作为本发明的优选技术方案：所述准直透镜、所述聚焦透镜，选用氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，作为本发明的优选技术方案：所述光电转换模块包括带通滤光片和红外探测器，所述带通滤光片包含测量滤光片和参考滤光片，所述测量滤光片的带通范围内包含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于检测被测气体的浓度值，所述参考滤光片的带通范围内要求不含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于提供参考信号；所述红外探测器将光信号线性转换为电信号用于后一级的处理，所述红外探测器包括测量通道和参考通道，双通道输出，所述测量通道与所述测量滤光片相结合用于检测气体的浓度值，所述参考通道与所述参考滤光片相结合提供参考值，用浓度值减去参考值能够排除红外探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，提高系统的稳定性及可靠性。
11.作为本发明的优选技术方案：所述红外探测器选用热释电探测器、热电堆探测器、光导型探测器或光伏型探测器。
12.作为本发明的优选技术方案： 所述差分放大模块包括锁相放大器、一次差分放大电路、二次差分放大电路，所述锁相放大器识别光学斩波器的调制频率，从红外探测器产生的电信号中提取与调制频率相同的信号分量，并输出与该信号分量相对应的直流电信号，锁相放大器配合红外探测器的双通道输出两路电信号；所述一次差分放大电路将所述锁相放大器所输出的两路电信号进行差分放大；所述二次差分放大电路消除所述一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项，实现电信号与气体浓度之间为完全的指数关系。
13.作为本发明的优选技术方案：所述对数运算模块包括参考模块与输入模块，所述参考模块通过调控参考电压信号的方式，调控对数运算电路的参数，所述输入模块即连接所述差分放大模块的输出；将电信号输入对数运算模块中，经过对数运算后的电压值与浓度之间的关系就会变为线性关系。
14.作为本发明的优选技术方案：所述信号显示模块包括三次差分电路、ad转换模块和数码管显示，所述三次差分电路将电信号由线性关系转换为正比例关系的变量v3，将模拟信号v3转换为数字信号，将变量v3输入ad转换模块，将模拟信号v3转换为数字信号，最终由数码管显示气体浓度值。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取红外探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分消除所述一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项后，保证电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系，对线性化进行补偿，组合利用对数运算模块，通过差分放大模块所处理好的电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系当电信号输入对数运算模块当中，经过对数运算后的电压值与浓度之间的关系就会变为线性关系，即完成了对于信号的线性化处理，实现了对于朗伯-比尔定律这一指数关系的线性化，扩大了气体红外光谱检测技术的线性动态范围；本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，线性化读出电路系统的主体部分通过运算放大器搭建而成，最终可以实现气体浓度与
电压值之间的正比例对应，提升了系统的测量精确性、实时性、连续性，并且，由于无需使用单片机，本方案大大降低了气体红外光谱检测技术的成本、功耗以及系统复杂度；该线性化读出电路系统对于光程、气体浓度的适用范围非常广，无论所述浓度检测模块中的气体吸收池的光程长度如何，所检测的气体浓度高低如何，该电路都能保证输出的线性化；该电路结构简单，其组成原件经久耐用，不易损坏，能够在极端恶劣环境下工作，适用的工作环境范围广；且该线性化读出电路系统使用起来方便快捷，承载浓度信号的电信号在其中经过多次变换，最终通过数码管转变成人眼所能捕获的视觉信号，无需进一步的计算，数码管所示数值即是浓度值，使用方便、快捷；由于无需单片机芯片，电路出错率大大降低，寿命长，稳定性高，本发明整体结构简单，使用方便，易于维护，在红外光谱气体检测领域适于工业应用，具有良好的应用前景。
附图说明
16.图1为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统光学系统结构图；图2为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统读出电路流程图；图3为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统对数运算电路图；图4为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统信号转换过程图；图5为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统气体测试流程图1；图6为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统气体测试流程图2；图7为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统初始实验数据图；图8为本发明一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统最终实验数据图；附图中，中红外光源1；准直透镜2；光学斩波器3；进光孔4；进气口5；气体吸收池6；出气口7；出光孔8；聚焦透镜9；测量滤光片10；参考滤光片11；测量通道12；参考通道13。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。具体实施方式及说明仅用于解释本发明，但不作为对本发明的限定。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
18.本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；
所述浓度检测模块，包括中红外光源、准直透镜、光学斩波器、气体吸收池、聚焦透镜；所述中红外光源包括黑体光源、中红外激光器、中红外led灯，光源所发出的红外光范围为3-5μm；所述准直透镜包括氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，选择波段范围为2-5μm的氟化钡透镜放置于所述中红外光源之后用于准直光线，确保所述中红外光源所发出的光能够转变为平行光，提升系统灵敏度；所述光学斩波器通过控制斩波盘转动，周期性地遮挡所述中红外光源发出的连续光，对光信号进行频率调制，降低背景光的干扰；所述气体吸收池用于提供中红外光吸收的场所，待测气体从进气口通入，在吸收了中红外光之后从出气口流出；所述聚焦透镜包括氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，选择波段范围为2-5μm的氟化钡透镜放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光线，提升红外探测器的输出信噪比，以此提升系统的检测精度；所述光电转换模块，包括带通滤光片和红外探测器，所述带通滤光片包含测量滤光片和参考滤光片，所述测量滤光片的带通范围内包含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于检测被测气体的浓度值，所述参考滤光片的带通范围内要求不含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于提供参考信号，方便系统随时定标，排除额外的噪声干扰，提升检测精度；所述红外探测器包括热释电探测器、热电堆探测器、光导型探测器、光伏型探测器，均是将光信号线性转换为电信号用于后一级的处理，所述红外探测器包括测量通道和参考通道，所述测量通道与所述测量滤光片相结合用于检测气体的浓度值，所述参考通道与所述参考滤光片相结合提供参考值，用浓度值减去参考值能够排除探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化因素的影响，提高系统的稳定性及可靠性；所述差分放大模块，包括锁相放大器、一次差分放大、二次差分放大，所述锁相放大器用于识别所述光学斩波器的调制频率，从所述红外探测器所产生的电信号中提取与调制频率相同的信号分量，并输出与该信号分量相对应的直流电信号，由于探测器为双通道输出，因此锁相放大器会输出两路电信号；所述一次差分放大是指，将所述锁相放大器所输出的两路电信号进行差分放大，即用所述参考通道电信号减去所述测量通道电信号，并将这一差值信号进行放大，方便后续的处理，能够排除环境温度、环境湿度、光源输出波动对于气体探测器的干扰，实现高精度的气体浓度探测；所述二次差分放大用于消除所述一次差分放大中输出电信号里的偏置项，保证电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系，，完成线性化补偿的功能，使得最终的输出精度更高、线性化效果更好。
19.所述对数运算模块，包括参考模块与输入模块，所述参考模块通过调控参考电压信号的方式，调控对数运算电路的参数，所述输入模块即连接所述差分放大模块的输出，这种电路结构的对数运算电路保证了该模块不受温度变化的影响；由于上一级所处理好的电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系，因此，当电信号输入对数运算模块当中，经过对数运算后的电压值与浓度之间的关系就会变为线性关系，即完成了对于信号的线性化处理；所述信号显示模块，包括三次差分电路、ad转换模块、数码管显示，所述三次差分电路是指将电信号由线性关系转换为正比例关系，当气体浓度值为0时电压值就为0v，进一步简化了电信号与浓度之间的对应关系，方便了读取和显示；所述ad转换模块用于将所述三次差分放大后的模拟信号转换为数字信号，方便所述数码管显示；所述数码管显示用于
显示气体浓度值，所述ad转换模块输出的数字信号被数码管所显示，直观地显示当前的气体浓度值。
20.其中基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，通过对红外探测器的读出电路进行设计，将朗伯-比尔定律中气体浓度与光信号的指数关系线性化，扩大了气体探测系统的线性动态范围，方便了运算以及显示。
21.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，该线性化读出电路系统无需使用单片机芯片，仅靠运算放大器所组成的电路即可实现气体浓度与电压值之间的正比例对应，大大降低了温室气体红外光谱检测技术的成本和功耗。
22.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，该线性化读出电路系统使用起来方便快捷，承载浓度信号的电信号在其中经过多次变换，最终通过数码管转变成人眼所能捕获的视觉信号，无需进一步的计算，数码管所示数值即是浓度值。
23.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，该电路结构简单，其组成原件经久耐用，不易损坏，能够在极端恶劣环境下工作，适用的工作环境范围广；由于无需单片机芯片，电路出错率大大降低，寿命长，稳定性高。
24.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，由于该线性化读出电路系统是基于气体红外光谱检测技术所设计，那么只要以朗伯-比尔定律为原理的气体浓度探测装置均适配该线性化电路；该线性化读出电路系统对于光程、气体浓度的适用范围非常广，无论所述浓度检测模块中的气体吸收池的光程长度如何，所检测的气体浓度高低如何，该电路都能保证输出的线性化。
25.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，由于该线性化读出电路系统是基于气体红外光谱检测技术所设计，那么只要以朗伯-比尔定律为原理的气体浓度探测装置均适配该线性化电路；该线性化读出电路系统对于气体种类的适用范围非常广，包括co2、ch4、co、n2o、h2co、nh3、no、ocs、c2h4、o3，无论是上述哪一种气体，该电路都能保证输出的线性化。
26.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，由于该线性化读出电路系统是基于气体红外光谱检测技术所设计，那么只要以朗伯-比尔定律为原理的气体浓度探测装置均适配该线性化电路；该线性化读出电路系统对于检测技术的适用范围非常广，包括非分散红外光谱技术(ndir)、傅立叶变换光谱技术(ftir)、差分光学吸收光谱技术(doas)、差分吸收激光雷达技术(dial)、可调谐半导体激光吸收光谱技术(tdlas)、离轴积分腔输出光谱技术(oa-icos)、光腔衰荡光谱技术(crds)、激光外差光谱技术(lhs)、空间外差光谱技术(shs)，无论是上述哪一种气体红外光谱检测技术，该电路都能保证输出的线性化。
27.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，由于该线性化读出电路系统是基于气体红外光谱检测技术所设计，那么只要以朗伯-比尔定律为原理的气体浓度探测装置均适配该线性化电路；该线性化读出电路系统对于红外光源的适用范围非常广，包括中红外激光器、黑体光源、中红外led，无论是上述哪一种红外光源，该电路都能保证输出的线性化。
28.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，由于该线性化读出电路系统是基于气体红外光谱检测技术所设计，那么只要以朗伯-比尔定律为原理的气体浓度
探测装置均适配该线性化电路；该线性化读出电路系统对于红外探测器的适用范围非常广，包括热释电探测器、热电堆探测器、光导型探测器、光伏型探测器，无论是上述哪一种红外探测器，该电路都能保证输出的线性化。
29.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，传统对数运算电路的输出电压受温度影响的漂移相当严重，而该对数运算电路利用两个三极管互补对称的关系巧妙的消除了温度的影响，实现了温度补偿，提升了系统的抗干扰能力、稳定性以及检测精度。
30.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，该系统在探测器部分采用了双通道差分吸收检测的方法，排除了探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，提高系统的稳定性及可靠性。
31.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，所述浓度检测模块当中的光学斩波器通过控制斩波盘转动，周期性地遮挡所述中红外光源发出的连续光，对光信号进行频率调制，将光信号搬运至高频，再配合读出电路一端的锁相放大器提取被调制的光信号，大大降低探测器本身1/f噪声的影响，提升了气体探测装置的检测极限和精度。
32.所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，所述浓度检测模块当中的准直透镜和汇聚透镜，准直透镜将红外光源所发出的光线转变为平行光，保证了足够多的光能够穿越气体吸收池，被测气体能够充分吸收红外光线，汇聚透镜则是将平行光线进行收集，尽可能将足够多的光打到探测器上，准直透镜和汇聚透镜一起提升了气体探测系统的灵敏度，提升了检测极限和精度。
33.本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，在对数运算之前增加了差分运算的步骤，并且可以细分为一次差分和二次差分。一次差分是在光谱上找到了不被吸收的光谱段作为参考通道，由于测量通道和参考通道的探测器、环境温湿度、红外光源都是一样的，当这些因素的变化引入干扰时，两个通道的干扰也是一样的，此时，只需进行一次差分就可以消除干扰项，相当于对气体探测器进行了实时的定标，最大限度的保证了系统的稳定性。二次差分其实是一种线性化补偿，用于提高后续运算的准确性。由于气体的吸收光谱也是量子化、离散的，因此必然会存在部分光线不被吸收的情况，反映到公式上就是一个常数项的存在，而这个常数项使得拟合公式并不是完全的指数关系，这会影响后续运算的精度。因此二次差分实际上就是消除该常数项，将公式转换为完全的指数关系并输入后续的对数运算电路，此时，对数运算电路能够非常精确的进行线性化处理，提升系统的检测精度。
34.本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，节约了单片机芯片的使用，降低了气体探测系统的成本和功耗；本发明的适配性强，适用范围广，能适配不同光程、不同光源、不同探测器、不同气体、不同浓度、不同温度、不同检测方式的气体红外光谱检测，保证线性化输出；本发明利用差分吸收检测、准直透镜与汇聚透镜、温度补偿的对数电路、光学斩波器等技术极大的提升了气体探测的检测精度、抗干扰能力，具有较好的稳定性与较长的寿命；本发明整体结构简单，使用方便，易于维护，具有良好的应用前景。
35.如图1-2所示，本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，所述系统包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；本发明的所述浓度检测模块，如图1、图4所示，包括中红外光源1、准直透镜2、光学
斩波器3、气体吸收池6、聚焦透镜9；所述中红外光源1包括黑体光源、中红外激光器、中红外led灯，光源所发出的红外光范围为3-5μm；所述准直透镜2包括氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，选择波段范围为2-5μm的氟化钡透镜放置于所述中红外光源1之后用于准直光线，确保所述中红外光源1所发出的光能够转变为平行光，提升系统灵敏度；所述光学斩波器3通过控制斩波盘转动，周期性地遮挡所述中红外光源发出的连续光，对光信号进行频率调制，降低背景光的干扰；所述气体吸收池6用于提供中红外光吸收的场所，待测气体从进气口5通入，在吸收了中红外光之后从出气口7流出；所述聚焦透镜9包括氟化钙、氟化镁、氟化钡、硒化锌平凸透镜，选择波段范围为2-5μm的氟化钡透镜放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光线，提升红外探测器的输出信噪比，以此提升系统的检测精度；本发明所述光电转换模块，如图1、图4所示，包括带通滤光片和红外探测器，所述带通滤光片包含测量滤光片10和参考滤光片11，所述测量滤光片10的带通范围内包含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器12上用于检测被测气体的浓度值，所述参考滤光片11的带通范围内要求不含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器13上用于提供参考信号，方便系统随时定标，排除额外的噪声干扰，提升检测精度；所述红外探测器选用热释电探测器、热电堆探测器、光导型探测器、光伏型探测器，均是将光信号线性转换为电信号用于后一级的处理，所述红外探测器包括测量通道12和参考通道13，所述测量通道12与所述测量滤光片10相结合用于检测气体的浓度值，所述参考通道13与所述参考滤光片11相结合提供参考值，用浓度值减去参考值能够排除探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，提高系统的稳定性及可靠性；本发明所述差分放大模块，如图2、图4所示，包括锁相放大器、一次差分放大、二次差分放大，所述锁相放大器用于识别所述光学斩波器3的调制频率，从所述红外探测器所产生的电信号中提取与调制频率相同的信号分量，并输出与该信号分量相对应的直流电信号，由于红外探测器为双通道输出，因此锁相放大器会输出两路电信号；所述一次差分放大是指，将所述锁相放大器所输出的两路电信号进行差分放大，即用所述参考通道12电信号减去所述测量通道13电信号，并将这一差值信号进行放大，方便后续的处理；所述二次差分放大用于消除所述一次差分放大中输出电信号里的偏置项，保证电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系，方便后续的线性化处理；本发明所述对数运算模块，如图3、图4所示，包括参考模块与输入模块，所述参考模块通过调控参考电压信号的方式，调控对数运算电路的参数，所述输入模块即连接所述差分放大模块的输出，这种电路结构的对数运算电路保证了该模块不受温度变化的影响；由于上一级所处理好的电信号与气体浓度之间的关系为完全的指数关系，因此，当电信号输入对数运算模块当中，经过对数运算后的电压值与浓度之间的关系就会变为线性关系，即完成了对于信号的线性化处理；本发明所述信号显示模块，如图2、图4所示，包括三次差分电路、ad转换模块、数码管显示，所述三次差分电路是指将电信号由线性关系转换为正比例关系，当气体浓度值为0时电压值就为0v，进一步简化了电信号与浓度之间的对应关系，方便了读取和显示；所述ad转换模块用于将所述三次差分放大后的模拟信号转换为数字信号，方便所述数码管显示；所述数码管显示用于显示气体浓度值，所述ad转换模块输出的数字信号被数码管所显示，直观地向人眼展示当前的气体浓度值。
36.具体的工作方法：如图1所示，待测气体从气体吸收池6进气口5通入，从出气口7流出，中红外光源1所发出的光线经过准直透镜2准直，光学斩波轮3频率调制之后从进光孔4进入气体吸收池6，平行光线在穿越气体吸收池6的过程中被待测气体吸收，光强产生衰弱，衰弱程度与待测气体浓度值成指数关系。经过衰弱的平行光线从出光孔8出射，经过聚光透镜9的汇聚作用后打到红外探测器上。部分光线经过测量滤光片10到达红外探测器测量通道12，产生测量信号；部分光线经过参考滤光片11到达红外探测器参考通道13，产生参考信号。其中，准直透镜与汇聚透镜能够将光学系统中的光线充分利用，提升气体探测装置的检测极限和精度；光学斩波轮能够将光信号进行调制，将光信号搬运至高频，结合锁相放大器能够排除红外探测器低频噪声的干扰，提升检测精度。
37.如图2所示，红外探测器所产生的两路信号均通过锁相放大器进行提取，产生的测量与参考电压信号送入一次差分放大模块，将测量通道电压减去参考通道电压得到差值信号，如图4中的v1所示，即利用差分吸收检测技术来排除红外探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化等因素的影响，提高系统的稳定性及可靠性。但由于气体的吸收光谱是离散的，因此该差值信号与浓度之间的指数关系存在偏置项，所以需要再进行二次差分处理，消除该偏置项，使得输出电压值与浓度之间的关系为完全的指数关系，如图4中的v2所示。
38.如图2、图4所示，得到的电信号v2接下来进入对数运算电路当中，由于v2与浓度c之间为完全的指数关系，因此v2进入对数运算电路后能够转换为线性化关系，如图4中的v3所示。观察图3，由于该对数电路进行了温度补偿，排除了温度变化对于对数运算电路的干扰，保证了系统的稳定性，提升了系统的检测精度。
39.如图4所示，此时v3虽然转变为了线性关系，但仍不够完美，待测气体浓度值为0时输出电压并不为0v，这一对应关系并不符合生活习惯。因此需要再做一步差分运算处理，将电信号v3转换为电信号v4，使得电信号v4与浓度c之间成正比例关系，即当浓度c为0时输出电压v4也为0v。如图2所示，得到的模拟电信号v4进入ad转换模块转换为数字信号，最终由数码管显示，方便读取。
40.实验结果如图7、图8所示，图7显示了co2浓度与红外探测器测量通道电压值之间的关系，在经过了一次差分放大后的信号为图8中的原信号曲线；原信号在经过了二次差分放大后转变为信号1，即消除了偏置项，转换为完全的指数关系函数；信号1再经过对数运算电路后被线性化，输出信号2，但此时只是线性关系，信号值与浓度值不能很好的匹配上；信号2再经过一次差分放大后变为信号3，即完美的正比例关系，方便了后续的显示和读取。
实施例1
41.如图5所示，首先向气体吸收池内通入标准浓度的co2充满整个气室，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后由进光孔进入气体吸收池，经过衰减后的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至探测器上。
42.锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理。
43.一次差分放大后的信号经过二次差分、对数运算、三次差分电路的一系列运算，得
到与浓度成正比例关系的变量v3。
44.将变量v3输入ad转换模块，将模拟信号v3转换为数字信号。最终由数码管显示气体浓度值大小。
实施例2
45.和实施例1相同，只是待测气体变为了未知浓度的co2气体，例如空气，用于检测空气中co2气体的浓度，数码管显示最终空气中co2气体浓度。
46.本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，在原有气体检测装置线性动态范围较低的情况下，通过加入差分电路、对数电路的方法，改变输出电信号与待测气体浓度之间的对应关系，实现正比例的对应关系，既扩大了线性动态范围，又降低了成本。本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统还具有完美的适配性与稳定性，能适配不同光程、不同光源、不同探测器、不同气体、不同浓度、不同温度、不同检测方式的气体红外光谱检测。这是因为凡是基于气体红外光谱检测技术的装置，都遵循朗伯-比尔定律，而所有指数函数经过对数电路后都能够转换为线性函数，实现线性化输出。
47.上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：包括浓度检测模块、光电转换模块、差分放大模块、对数运算模块、信号显示模块；所述浓度检测模块包括向气体吸收池内通入待测气体直至充满气室，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经衰减的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；所述差分放大模块中的锁相放大器根据光学斩波轮的频率提取红外探测器双通道信号，一次差分放大电路对输入的双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分消除，二次差分消除一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项后，输出的电信号通过对数运算模块、三次差分电路的运算，得到与浓度成正比例关系的变量v3，通过信号显示模块显示气体浓度值。2.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述浓度检测模块包括中红外光源、准直透镜、光学斩波器、气体吸收池、聚焦透镜；所述中红外光源所发出的红外光范围为3-5μm；所述准直透镜选择波段范围为2-5μm的平凸透镜，所述准直透镜放置于所述中红外光源之后用于准直光线；所述光学斩波器对光信号进行频率调制，用于降低背景光的干扰；所述气体吸收池提供中红外光吸收的场所，待测气体从其进气口通入，在吸收了中红外光之后从其出气口流出；所述聚焦透镜波段范围为2-5μm的平凸透镜，其放置于所述红外探测器之前用于汇聚红外光线，以提升探测器的输出信噪比。3.如权利要求2所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述中红外光源选用黑体光源、中红外激光器或中红外led灯。4.如权利要求2所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述准直透镜选用氟化钙平凸透镜、氟化镁平凸透镜、氟化钡平凸透镜或硒化锌平凸透镜；所述聚焦透镜选用氟化钙平凸透镜、氟化镁平凸透镜、氟化钡平凸透镜或硒化锌平凸透镜。5.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述光电转换模块包括带通滤光片和红外探测器，所述带通滤光片包含测量滤光片和参考滤光片，所述测量滤光片的带通范围内包含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于检测被测气体的浓度值，所述参考滤光片的带通范围内不含有被测气体的指纹吸收波长，集成在所述红外探测器上用于提供参考信号；所述红外探测器将光信号线性转换为电信号用于后一级的处理，所述红外探测器包括测量通道和参考通道，双通道输出，所述测量通道与所述测量滤光片相结合用于检测气体的浓度值，所述参考通道与所述参考滤光片相结合提供参考值，用浓度值减去参考值以排除红外探测器零点漂移、环境温度变化、红外光源辐射量变化因素的影响。6.如权利要求5所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述红外探测器选用热释电探测器、热电堆探测器、光导型探测器或光伏型探测器。7.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述差分放大模块包括锁相放大器、一次差分放大电路、二次差分放大电路，所述锁相放大器识别光学斩波器的调制频率，从红外探测器产生的电信号中提取与调制频率相同的信号分量，并输出与该信号分量相对应的直流电信号，锁相放大器配合红外探测器的双通道输出两路电信号；所述一次差分放大电路将所述锁相放大器所输出的两路电信号进行差分放大；所述二次差分放大电路消除所述一次差分放大电路中输出电信号里的偏置项。8.如权利要求1所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：
所述对数运算模块包括参考模块与输入模块，所述参考模块通过调控参考电压信号方式调控对数运算电路的参数，所述输入模块连接所述差分放大模块的输出；将电信号输入对数运算模块中，经过对数运算后将电压值与浓度之间的关系变为线性关系。9.如权利要求8所述基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，其特征在于：所述信号显示模块包括三次差分电路、ad转换模块和数码管显示，所述三次差分电路将电信号由线性关系转换为正比例关系的变量v3，将模拟信号v3转换为数字信号，将变量v3输入ad转换模块，将模拟信号v3转换为数字信号，最终由数码管显示气体浓度值。

技术总结
本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，浓度检测模块中向气体吸收池内通入待测气体，红外光源所发出的光线经过准直透镜和斩波器后进入气体吸收池，经过衰减后的光线从出光孔出射后由汇聚透镜聚焦至光电转换模块中的红外探测器；锁相放大器提取红外探测器双通道信号，输入一次差分放大电路对双通道信号进行差分处理、一次差分放大后的信号经过二次差分，通过对数运算模块，进行对数运算、三次差分电路运算，得到变量V3，通过信号显示模块显示气体浓度值大小。本发明的一种基于气体红外光谱检测技术的线性化读出电路系统，实现了对于朗伯-比尔定律这一指数关系的线性化，扩大了气体红外光谱检测技术的线性动态范围。性动态范围。性动态范围。


技术研发人员：胡伟达 吴海涛 李庆 贺婷
受保护的技术使用者：国科大杭州高等研究院
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/8/9