一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源

摘要

一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源，属光纤传感中的信号源技术领域。本装置包括波形存储器、上位机等。频率字寄存器连接到相位累加器上，为之提供频率字，相位累加器的输出连接到波形存储器的地址线上，波形存储器连接到D/A转换器上，系统时钟频率源分别与相位累加器和D/A转换器相连，为其提供相同基频，D/A转换器与低通滤波器相连接，使经D/A转换后的信号波被滤波电路调整，上位机分别连接到波形存储器和频率字寄存器上，给波形存储器写入波形数据和给频率字寄存器写入频率字。本发明数字化程度高，便与集成，体积小，重量轻，能灵活调幅、调频，波形稳定，精度高，能为光纤传感检测气体提供高质量的标准信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源，属于光纤传感中 的信号源技术领域。

背景技术

目前，采用差分吸收式光纤气体检测传感技术对气体进行检测所用到的系统，其基本结 构如图1，先由激光器1提供光信号，经过分束器2按1:1分为两束等光强的光耦合进入光 纤，一路经过气室3，光经气体吸收后打到光电探测器4上转化为带有气体信息的信号波； 另一路直接打到光电探测器上成为参考波，接下来两路信号通过滤波，转电压电路、减法器 或除法器等归一化电路得出气体吸收峰。

上述气体检测系统大致可以以光电探测器为界限分为前后两大部分，前半部分主要是光 路，后半部分主要是电路。显而易见，前半部分的诸多影响因素会对后边模拟电路模块的调 试带来不少困难。很多时候会因为光学部分无法给出一个较为标准的信号波而使得后边的模 拟电路模块调试无法进行或者显得毫无意义。例如，双光路的路径长度差异，光纤的弯曲、 应力不同，两光电探测器封装进的水蒸气含量差异，这些都会影响信号光，另外还需要自己 制作气室来模拟气体检测的环境，气室制作麻烦，体型笨重，最主要的是密封性问题，给研 发过程带来诸多不便。常军、王宗良、王伟杰、宋复俊等人的实用新型专利“一种基于扫描 法的微水检测装置”（申请号为：201120074340.0）就是一种利用信号源扫描获得水汽信息 的气体检测装置，由于该装置的信号源是通过DFB激光器出光经过气室等一系列光路得来 的，因此受到DFB激光器、准直器、光电探测器中水底的影响，所得信号源的准确度跟精度 势必受到影响，直接影响后边电路的调试。而市面上普通的信号发生器只能产生正弦波、三 角波、方波、锯齿波等固定波形，远远达不到模拟气体吸收状况的要求。

随着数字化程度的不断提高，波形发生技术也有了一个很大的提升，完全可以通过全数 字的方式来制作一个标准信号源，用来模拟气体吸收情况，直接用作电路调试，代替了前面 整个的光学模块。而且全数字化，便与集成，体积小，重量轻。因此，作为一个标准信号源 来用方便快捷，大大提高光纤传感系统中模拟电路模块的调试效率。

发明内容

为了消除现有气体检测传感器系统光学部分的种种因素对信号波的影响，提高电路调试效 率，缩短研发周期，本发明提供了一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源。 本发明信号源产生如图2（c）的波形信号，波形的凹陷幅度可以对应于气室中气体吸收程度 的不同来调节，而且通过不断调试可以实现1ppm的一一对应；频率可调，调频时波形的凹陷 部分能够随着整个波形的展宽而展开。

本发明的方案是用上位机分别产生如图2中的（a）三角波和（b）凹陷波的波形数据， 然后采用对应相位幅值相加产生（c）输出波形的波形数据，存入波形存储器，通过频率字控 制相位累加器查询波形存储器从而产生波形。

本发明的技术方案是按以下方式实现的。

一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源，包括频率字寄存器、相位累 加器、系统时钟频率源、波形存储器、上位机、D/A转换器、低通滤波器，其特征在于频率 字寄存器连接到相位累加器上，为之提供频率字；相位累加器的输出连接到波形存储器的地 址线上，波形存储器连接到D/A转换器上，系统时钟频率源分别与相位累加器和D/A转换器 相连，为它们提供相同基频率；D/A转换器与低通滤波器相连接，使得经过D/A转换后出来 的信号波被滤波电路调整；上位机分别连接到波形存储器和频率字寄存器上，给波形存储器 写入波形数据和给频率字寄存器写入频率字。

一种上述标准信号源产生标准信号的方法，步骤如下：

1）、上位机预先对光纤传感检测气体实验中采集到的三角波（即气体检测中用到的参考 波形）和凹陷波（模拟气体对光的吸收波形）进行分析，上位机获取三角波和凹陷波的波形 数据，上位机吗对三角波和凹陷波的波形数据作加法处理产生输出波的波形数据，将输出波 波形数据写入波形存储器；

2）、系统时钟频率源给出可程控的时钟信号为波形存储器提供扫描地址，这样每个地址 对应的数据就代表了波形在等间隔取样点上的幅度值；

3）、上位机向频率字寄存器中写入频率字，频率字作为相位累加器的累加值，相位累加 器在每个参考时钟脉冲输入时，把频率字累加一次，其输出相应的累加一个步长的相应增量， 由于相位累加器的输出连接在波形存储器的地址线上，因此其输出的改变就相当于查表，这 样就能把存储在波形存储器中的波形数据经查表方式查出；

4）、将查表查出的数字量输入D/A转换器，将之转换为模拟量；

5）、在系统时钟频率源的作用下，相位累加器不停地累加，即不停地查表，把波形数据 全部查出送到D/A转换器转换为模拟量，从而把波形整个合成出来；

6）、经过D/A转换器后得到的模拟量再输入到低通滤波器做平滑波形、衰减杂散波处理， 之后得到想要的波形；

7）、受到相位累加器字长的限制，相位累加器累加到一定值后，其输出将会溢出，这样 波形存储器的地址就会循环一次，即意味着输出波形循环一周，因此向频率字寄存器中写入 不同的频率字，就代表使用不同的相位增量，就能改变相位累加器的溢出时间，在信号源的 时钟频率源不变的情况下改变输出频率；

信号源的频率调节如下：

设频率字为d，相位累加器字长为N，时钟频率为f_c，该信号源的输出频率因此可见系统的输出频率只与频率字d、时钟频率f_c、相位累加器的字长N有关，在时钟频 率f_c和相位累加器的字长N固定时，通过改变频率字d便可以方便地改变输出频率f₀，由于 在步骤1）中将三角波和凹陷波两部分的波形数据预先经过了处理，整合为一个波形数据， 也就是输出波形的波形数据，这样用一个频率字d控制频率就能够保证吸收凹陷部分随着频 率调节时整体的展宽而展开；

信号源的输出频率范围：最小输出频率△f₀也就是信号源的频率分辨率，受奈 奎斯特定理的限制，在一个相位累加器的溢出周期内至少要累加两次，也就是查询波形存储 器取样两次，才能够重新合成输出波形，理论上的最大输出频率为

本发明的振幅调节可以通过改变波形存储器中波形数据来调节，通过对相关光纤传感检 测气体的实验结果数据分析，可以拟合出与1ppm吸收强度相对应的凹陷波形，然后用一个与 气体浓度、气室长度、气体压强有关的系数就可以方便的控制其不同吸收程度下的不同振幅。 当然，该步骤是在将三角波与凹陷波数据整合之前进行，这样可以既能保证对凹陷幅度的单 独调节，又不影响调频时波形的整体展宽。

本发明的优点是大部分是数字器件，集成度高，体积小，精度高，稳定性强，能够根据 不同的吸收程度调整吸收凹陷的幅度，且调频的时候凹陷会随着整个波形的展宽而展开。在 光纤传感检测气体的相关工程中，能够代替前端的光学部分，直接产生模拟气体吸收状况的 标准信号，用于后续模拟电路模块调试，排除了光学部分诸多的影响因素，提高了吸收式光 纤传感检测气体浓度这一类系统的研发效率。

附图说明

图1.差分法吸收式光纤传感检测气体的部分结构图。

其中：1、激光器，2、分束器，3、气室，4、光电探测器，5、信号光波形输出，6、光 电探测器，16、参考光波形输出。

图2.波形数据采集中涉及到的波形类型以及数据处理时的相位对应情况示意图。

其中：（a）、三角波（即气体检测中用到的参考波形，可以从之前多次光纤传感检测气体 的实验中采集获得），（b）、凹陷波（模拟气体对光的吸收），（c）、输出波形（本发明的标准 信号源最终产生的波形输出）。

图3.该标准信号源的结构示意图。

其中：7、频率字，8、相位累加器，9、系统时钟频率源，10、波形存储器，11、上位 机，12、波形数据，13、D/A转换器，14、低通滤波器，15、波形输出，17、频率字寄存器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图3所示，一种模拟光纤传感检测气体中气体吸收状况的标准信号源， 包括频率字寄存器17、相位累加器8、系统时钟频率源9、波形存储器10、上位机11、D/A 转换器13、低通滤波器14，其特征在于频率字寄存器17连接到相位累加器8上，为之提供 频率字7；相位累加器8的输出连接到波形存储器10的地址线上，波形存储器10连接到D/A 转换器13上，系统时钟频率源9分别与相位累加器8和D/A转换器13相连，为它们提供相 同基频率；D/A转换器13与低通滤波器14相连接，使得经过D/A转换后出来的信号波被滤 波电路调整；上位机11分别连接到波形存储器10和频率字寄存器17上，给波形存储器10 写入波形数据12和给频率字寄存器17写入频率字。

实施例2：

一种上述标准信号源产生标准信号的方法，步骤如下：

1）、上位机预先对光纤传感检测气体实验中采集到的三角波（即气体检测中用到的参考 波形）和凹陷波（模拟气体对光的吸收波形）进行分析，上位机获取三角波和凹陷波的波形 数据，上位机吗对三角波和凹陷波的波形数据作加法处理产生输出波的波形数据，将输出波 波形数据写入波形存储器；

2）、系统时钟频率源给出可程控的时钟信号为波形存储器提供扫描地址，这样每个地址 对应的数据就代表了波形在等间隔取样点上的幅度值；

3）、上位机向频率字寄存器中写入频率字，频率字作为相位累加器的累加值，相位累加 器在每个参考时钟脉冲输入时，把频率字累加一次，其输出相应的累加一个步长的相应增量， 由于相位累加器的输出连接在波形存储器的地址线上，因此其输出的改变就相当于查表，这 样就能把存储在波形存储器中的波形数据经查表方式查出；

4）、将查表查出的数字量输入D/A转换器，将之转换为模拟量；

5）、在系统时钟频率源的作用下，相位累加器不停地累加，即不停地查表，把波形数据 全部查出送到D/A转换器转换为模拟量，从而把波形整个合成出来；

6）、经过D/A转换器后得到的模拟量再输入到低通滤波器做平滑波形、衰减杂散波处理， 之后得到想要的波形；

7）、受到相位累加器字长的限制，相位累加器累加到一定值后，其输出将会溢出，这样 波形存储器的地址就会循环一次，即意味着输出波形循环一周，因此向频率字寄存器中写入 不同的频率字，就代表使用不同的相位增量，就能改变相位累加器的溢出时间，在信号源的 时钟频率源不变的情况下改变输出频率；

信号源的频率调节如下：

设频率字为d，相位累加器字长为N，时钟频率为f_c，该信号源的输出频率因此可见系统的输出频率只与频率字d、时钟频率f_c、相位累加器的字长N有关，在时钟频 率f_c和相位累加器的字长N固定时，通过改变频率字d便可以方便地改变输出频率f₀，由于 在步骤1）中将三角波和凹陷波两部分的波形数据预先经过了处理，整合为一个波形数据， 也就是输出波形的波形数据，这样用一个频率字d控制频率就能够保证吸收凹陷部分随着频 率调节时整体的展宽而展开；

信号源的输出频率范围：最小输出频率△f₀也就是信号源的频率分辨率，受 奈奎斯特定理的限制，在一个相位累加器的溢出周期内至少要累加两次，也就是查询波形存 储器取样两次，才能够重新合成输出波形，理论上的最大输出频率为