数字正交锁相放大器的研制及其在甲烷检测中的应用

• 作者: 于红艳 何启欣 党敬民 刘慧芳 李彬 潘教青 王一丁 郑传涛
• 来源期刊: 光子学报
• 学科: 工学
• 关键词: 光电子学 红外光谱学 气体检测仪 红外吸收 数字锁相放大器 谐波分析 数字信号处理器
• 年，卷（期）: 2016,（4）
• 所属期刊栏目: 光学器件
• 页码范围: 18-23
• 分类号: TN21
• 语种: 中文
• DOI: 10.3788/gzxb20164504.0423004

摘要

利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测气体浓度时,为了从红外传感信号中提取一次及二次谐波信号来表征气体浓度,研发了一种基于数字信号处理器的数字正交锁相放大器.介绍正交锁相放大原理,设计谐波提取算法,给出数字正交锁相放大器的软硬件实现方案.利用配备的浓度为1％～5％的甲烷样品以及研制的锁相放大器,开展气体实验.实验结果显示,当甲烷浓度为5％时,在二次谐波对应的频率点处,测得的系统信噪比为34 dB,表明设计的锁相放大器具有较好的性能;测得的二次与一次谐波信号峰峰值的比值与气体浓度成线性关系;考虑动态配气以及气体沿管道传输的时间,检测系统的响应时间约为96～98 s;气体浓度为20 000 ppm时,测试浓度波动范围为-92 ppm～+118 ppm;根据Allan方差预测的系统检测下限为29.52 ppm.与模拟锁相放大器以及商用锁相放大器相比,本文研制的数字正交锁相放大器硬件结构简单、体积小、成本低、易于集成,在红外气体检测领域具有很好的应用前景.