一种基于光子型红外探测器的多通道CO气体检测方法及系统

1.一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：包括光源、气室、探测器、光源驱动电路、信号处理电路、主控制器电路和电源电路；所述信号处理电路包括模拟开关电路、第一级放大电路、带通滤波电路、方波转正弦波电路和双锁相电路；所述主控制器电路包括PWM波发生电路、模数转换电路、主控制器及其外围电路；所述主控制器及其外围电路输出端连接PWM波发生电路输入端，PWM波发生电路输出端连接光源驱动电路输入端，光源驱动电路输出端分别连接光源输入端和方波转正弦波电路输入端，所述光源驱动电路采用光电耦合开关，根据主控电路的PWM波信号对光源进行电调制，同时将该PWM波信号传输给方波转正弦波电路，所述方波转正弦波电路用于将控制光源的PWM波信号转换为正弦波，作为双锁相电路的参考信号；所述光源用于发出红外光；所述探测器包括探测单元和参考单元，探测单元用于探测光源发出的、经气室中待测气体吸收的红外光，参考单元用于探测光源发出的、未经过气室中待测气体吸收的红外光；所述模拟开关电路输入端分别连接探测器的探测单元输出端和参考单元输出端，模拟开关电路用于切换可分别读取探测单元和参考单元的输出信号，模拟开关电路输出端连接第一级放大电路输入端，所述第一级放大电路用于放大探测器的输出信号，将其转换成电压信号并进行初级放大，第一级放大电路输出端连接带通滤波电路输入端，所述带通滤波电路实现对电压信号进行滤波，双锁相电路输入端分别连接带通滤波电路输出端和方波转正弦波电路输出端，所述双锁相电路根据正弦波的参考信号，从带通滤波电路电压信号的噪声中提取与参考信号频率相同的目标信号，并将目标信号转换成直流模拟信号，所述双锁相电路输出端连接模数转换电路输入端，所述模数转换电路将直流模拟信号转换成数字信号，模数转换电路采用高精度双极性模数转换芯片，模数转换电路输出端连接主控制器及其外围电路输入端，所述主控制器及其外围电路用于对模数转换电路进行时序控制，以及接收模数转换电路的数字信号并进行数字处理，同时计算待测气体的浓度；所述电源电路将总电源电压转换成各电路芯片所需要的电源电压。 2.如权利要求1所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述气室为直通式密封结构，所述光源位于气室一侧，所述探测器位于气室另一侧与光源相对，所述探测单元位于参考单元上方，所述探测单元包括前置带宽的探测滤光片及其对应后置的光子型红外探测器，所述参考单元包括前置不同带宽和中心波长的参考滤光片及其对应后置的光子型红外探测器，所述气室顶部设有供待测气体流通的进气口和出气口，所述进气口靠近光源，出气口靠近探测器。 3.如权利要求1或2所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述主控制器及其外围电路输出端连接上位机输入端，所述主控制器电路用于把处理后的数字信号输给上位机，所述上位机用于显示数据处理后的数字信号以及计算出的待检测气体浓度。 4.如权利要求1所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述光源驱动电路由主控制器电路控制，光电耦合开关根据PWM波信号对光源进行电调制。 5.如权利要求4所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述双锁相电路包括第二级放大电路、移相电路、相敏检波电路1、相敏检波电路2、低通滤波电路1以及低通滤波电路2；所述第二级放大电路用于将信号进行第二级放大；所述移相电路用于实现90°相移；所述相敏检波电路1和相敏检波电路2根据参考信号的频率从噪声中提取目标信号；所述低通滤波电路1和低通滤波电路2分别对相敏检波电路1和相敏检波电路2的输出进行滤波，所述双锁相电路用于将目标信号从电压信号噪声中提取，获得与目标信号幅值成正比的直流模拟信号，传输给模数转换电路，进行模数转换。 6.如权利要求5所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述模拟开关电路包括与参考单元连接的SMA接口JP8、与探测单元连接的SMA接口JP7、运算放大器U2A、运算放大器U2B、模拟开关电路芯片U3、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C4和电容C5；所述模拟开关电路的SMA接口JP8连接参考单元，所述电阻R9的一端连接偏压，电阻R9的另一端同时连接SMA接口JP8的管脚1以及电容C5的一端，所述SMA接口JP8的管脚2接地，所述电容C5的另一端同时连接电阻R11的一端和运算放大器U2A的管脚3，所述电阻R11的另一端接地，所述运算放大器U2A的管脚1连接运算放大器U2A的管脚2；所述模拟开关电路的SMA接口JP7连接探测单元，所述电阻R8的一端连接偏压，电阻R8的另一端同时连接SMA接口JP7的管脚1和电容C4的一端，所述SMA接口JP7的管脚2接地，所述电容C4的另一端同时连接电阻R10的一端和运算放大器U2B的管脚5，所述电阻R10的另一端接地，所述运算放大器U2B的管脚7连接运算放大器U2B的管脚6；所述模拟开关电路芯片U3的管脚1为模拟开关电路的输出端，所述模拟开关电路芯片U3的管脚6连接主控制器芯片U1的管脚33。 7.如权利要求6所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述光源驱动电路设光电耦合开关电路，光电耦合开关电路根据PWM波信号对光源进行电调制，同时将该PWM波信号传输到方波转正弦波电路；所述光电耦合开关电路包括光电耦合器IC1、肖特基二极管D1、三极管Q1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和SMA接口JP5；所述电阻R5的一端连接PWM波发生电路输出端，电阻R5的另一端接线性光电耦合器IC1的管脚1，所述光电耦合器IC1的管脚2接地，所述光电耦合器IC1的管脚3连接电阻R6的一端，所述光电耦合器IC1的引脚4连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端同时连接电源、肖特基二极管D1负极和SMA接口JP5的管脚1，所述电阻R6的另一端同时连接三极管Q1的基极和电阻R7的一端，所述三极管Q1的集电极同时连接肖特基二极管D1的正极和SMA接口JP5的管脚2，所述三极管Q1的发射极同时连接电阻R7的另一端和地。 8.选用权利要求4-7任一权利要求所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述方波转正弦波电路包括第一级带通滤波电路和第二级带通滤波电路；所述第一级带通滤波电路包括运算放大器U22A、电容C60、电容C62、电阻R39、电阻R41、电阻R43、电阻R44以及电阻R47；所述电阻R41的一端连接PWM波发生电路的输出端，电阻R41的另一端同时连接电容C60的一端、电容C62的一端和电阻R44的一端，所述电容C60的另一端同时连接电阻R39的一端和运算放大器U22A的管脚1，所述电容C62的另一端同时连接电阻R39的另一端和运算放大器U22A的管脚2，所述电阻R44的另一端连接地，所述电阻R43的一端连接运算放大器U22A的管脚1，电阻R43的另一端同时连接电阻R47的一端和运算放大器U22A的管脚3，电阻R47的另一端连接地；所述第二级带通滤波电路包括运算放大器U22B、电容C61、电容C63、电阻R40、电阻R42、电阻R45、电阻R46以及电阻R48；所述电阻R42的一端连接运算放大器U22A的管脚1，电阻R42的另一端同时连接电容C61的一端、电容C63的一端和电阻R46的一端，所述电容C61的另一端同时连接电阻R40的一端和运算放大器U22B的管脚7，所述电容C63的另一端同时连接电阻R40的另一端和运算放大器U22B的管脚6，所述电阻R46的另一端连接地，所述电阻R45的一端连接运算放大器U22B的管脚7，电阻R45的另一端同时连接电阻R48的一端和运算放大器U22B的管脚5，所述电阻R48的另一端连接地。 9.如权利要求8所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统，其特征在于：所述双锁相电路包括第二级放大电路、移相电路、相敏检波电路1、相敏检波电路2、低通滤波电路1和低通滤波电路2；第二级放大电路用于实现对电压信号的第二次放大，移相电路用于实现参考信号的90°相移，相敏检波电路1和相敏检波电路2根据参考信号从噪声中提取目标信号的功能；低通滤波电路1和低通滤波电路2分别对两个相敏检波电路的输出进行滤波，获得与目标信号幅值成正比的直流模拟信号；所述第二级放大电路包括运算放大器U8、电位器RP4以及电阻R23；所述电阻R23的一端同时连接电位器RP4的一静端和运算放大器U8的管脚2，电阻R23的另一端连接地，所述运算放大器U8的管脚3连接探测器的输出信号，所述电位器RP4的另一静端和动端连接运算放大器U8的管脚6；所述移相电路包括运算放大器U12、电位器RP5、电容C26、电阻R32以及电阻R33；所述电容C26的一端同时连接方波转正弦波的输出端和电阻R32的一端，所述电位器RP5的一静端同时连接电容C10的一端和运算放大器U12的管脚3，所述电位器RP5的另一静端和动端连接地，所述运算放大器U12的管脚2同时连接电阻R32的另一端和电阻R33的一端，电阻R33的另一端连接运算放大器U12的管脚6；所述相敏检波电路1包括平衡调制器芯片U7，平衡调制器芯片U7的管脚1同时连接平衡调制器芯片U7的管脚16和运算放大器U8的管脚6，平衡调制器芯片U7的管脚10连接SMA接口JP15的管脚1，平衡调制器芯片U7的管脚3连接平衡调制器芯片U7的管脚4，平衡调制器芯片U7的管脚20同时连接平衡调制器芯片U7的管脚15和平衡调制器芯片U7的管脚19，平衡调制器芯片U7的管脚17同时连接平衡调制器芯片U7的管脚9和地，平衡调制器芯片U7的管脚14连接地；所述相敏检波电路2包括平衡调制器芯片U10，平衡调制器芯片U10的管脚1同时连接平衡调制器芯片U10的管脚16和运算放大器U8的管脚6，平衡调制器芯片U10的管脚10连接运算放大器U12的管脚6，平衡调制器芯片U10的管脚3连接平衡调制器芯片U10的管脚4，平衡调制器芯片U10的管脚20同时连接平衡调制器芯片U10的管脚15和平衡调制器芯片U10的管脚19，平衡调制器芯片U10的管脚17同时连接平衡调制器芯片U10的管脚9和地，平衡调制器芯片U10的管脚14连接地；所述低通滤波电路1包括运算放大器芯片U9A、运算放大器芯片U9B、电阻R24，电阻R25、电阻R26、电阻R27、电容C20、电容C21、电容C22和电容C23；所述电阻R26的一端连接平衡调制器芯片U7的管脚13，所述电阻R26的另一端同时连接电阻R27的一端和电容C22的一端，所述电容C20的一端同时连接电阻R27的另一端和运算放大器U9B的管脚5，所述电容C20的另一端连接地，所述电容C22的另一端同时连接运算放大器U9B的管脚6和管脚7；所述电阻R24的一端连接运算放大器U9B的管脚7,所述电阻R24的另一端同时连接电阻R25的一端和电容C23的一端，所述电容C21的一端同时连接电阻R25的一端和运算放大器U9A的管脚3，所述电容C21的另一端接地，所述电容C23的另一端同时连接运算放大器U9A的管脚1和管脚2；所述低通滤波电路2包括运算放大器芯片U11A、运算放大器芯片U11B、电阻R28，电阻R29、电阻R30、电阻R31、电容C24、电容C25、电容C27和电容C28；所述电阻R30的一端连接平衡调制器芯片U10的管脚13，所述电阻R30的另一端同时连接电阻R31的一端和电容C27的一端，所述电容C24的一端同时连接电阻R23的另一端和运算放大器U11B的管脚5，所述电容C24的另一端连接地，所述电容C27的另一端同时连接运算放大器U11B的管脚6和管脚7；所述电阻R28的一端连接运算放大器U11B的管脚7,所述电阻R28的另一端同时连接电阻R29的一端和电容C28的一端，所述电容C25的一端同时连接电阻R29的一端和运算放大器U11A的管脚3，所述电容C25的另一端接地，所述电容C28的另一端同时连接运算放大器U11A的管脚1和管脚2。 10.一种应用权利4-7任一权利要求所述的一种基于光子型红外探测器的多通道CO 2 气体检测系统的检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1、将待检测的气体通过进气口进入密封的气室中，打开出气口；S2、采用旋转编码器控制所述主控制器电路产生一定频率的PWM波信号通过光源驱动电路对光源进行电调制，光源产生调制后的宽光谱红外光并发射至气室，同时光源驱动电路将PWM波信号传输给方波转正弦波电路后转换为正弦波，作为双锁相电路的参考信号将目标信号从电压信号噪声中提取；S3、红外光经气室内部待测气体吸收后，经待测气体吸收的波段通过探测滤光片后，被探测单元的探测滤光片对应的光子型红外探测器吸收；红外光经气室内部待测气体吸收后，不经待测气体吸收的波段通过参考滤光片后，被参考单元的参考滤光片对应的光子型红外探测器吸收；S4、所述光子型红外探测器吸收波段，引起探测器中电导率的变化，同时在加偏压的作用下，引起探测器分压发生变化，模拟开关电路分别读取探测单元电压信号并输出给第一级放大电路，或读取参考单元电压信号并输出给第一级放大电路；S5、所述第一级放大电路接收探测器产生的电压信号并进行初级放大，第一级放大电路输出电压信号给带通滤波电路滤波，再输出给双锁相电路；S6、所述双锁相电路根据正弦波的参考信号，从电压信号噪声中提取与参考信号频率相同的目标信号，并将目标信号转换成直流模拟信号，进行处理后输出直流模拟信号给模数转换电路；S7、所述模数转换电路将直流模拟信号转换成数字信号，传输数字信号给主控制器电路；S8、所述主控制器电路用于对模数转换电路进行时序控制，以及接收模数转换电路传输的数字信号，进行数据处理与被测气体浓度的计算，传输给上位机；S9、所述上位机显示数据处理后的数字信号以及计算出的待检测气体浓度。