CN101915748A - 一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，包括：控制器将特定波长激光器的工作温度调节到某一合适值，并为特定波长激光器线性增加偏置电流，同时接收光电探测器传递过来的电流信号得到光电流原始曲线；控制器判断吸收峰是否在光电流原始曲线的中间，如果吸收峰不在曲线的中间，就返回继续进行温度调节；否则，通过对光电流原始曲线进行二次差值分析得到二次差值曲线，并选择合适的拟合点，拟合出参考曲线；控制器将参考曲线与原始曲线相比得到归一化吸收峰曲线，通过对归一化吸收峰曲线最大值的计算得到气体浓度。利用本发明，可以实时动态的找到待测气体的吸收峰的位置，该找吸收峰的方法实时性强，找峰准确。利用二次差值分析和曲线拟合得到的归一化吸收峰曲线，消除了系统噪声和波长慢漂的影响，用该归一化吸收峰曲线推导出的待测气体浓度值更准确。

Description

一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法

技术领域

本发明涉及光纤传感、光电子、光谱学技术领域，尤其涉及一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，应用于有害气体检测、大气湿度检测，以及其他一切应用到气体浓度检测的领域。

背景技术

在气体传感、气体浓度测量领域，波长可调谐激光器光谱吸收法测量气体浓度是一项新兴发展的方法。基于激光器光纤传感的高精度气体浓度传感器，具有响应速度快、测量精度高、对气体组分破坏小等优点。然而该方法要求激光器的工作波长，或测试点波长严格锁定在待测气体的吸收谱线上，这样才能保证测试结果的准确。传统的锁波长的方法主要有两种：一是为激光器加入调制信号，利用锁相放大装置检测输出的谐波成分，判断谐波的偏移量反馈给激光器制冷器。通过这样一个闭环控制，把激光器的输出波长稳定在一个值上。该方法系统复杂，锁相偏移量对温度的控制难以达到精准。在该条件下，将激光器的输出波长精确的锁定在一个点非常困难，得到的测试数据很能恰巧就是波长锁定在吸收峰时的数据。所以导致数据的一致性难以得到保证，测量结果与实际值有偏差甚至无法保证测量结果的可靠性。另一个方法是通过参考气路，得到一条参考的光电流曲线。通过比较通过待测气体的光电流曲线和参考曲线，计算待测气体浓度。该方法系统复杂，需要两个光电探测器，两个模数转换芯片，还需要一个光耦合器。这些东西大大提高了系统的成本，增加了电路的复杂性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，以在不增加系统复杂性和成本的前提下，通过电流扫描配合后端数字算法，改善传统反馈锁峰方法中锁定吸收峰值不准的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，应用于由控制器1、特定波长激光器2、光纤3、待测气体气室4、光电探测器5构成的浓度检测系统，该方法包括：

控制器1将特定波长激光器2的工作温度调节到某一合适值，并为特定波长激光器2线性增加偏置电流，同时接收光电探测器5传递过来的电流信号得到光电流原始曲线6；

控制器1判断吸收峰是否在光电流原始曲线6的中间，如果吸收峰不在曲线的中间，就返回继续进行温度调节；否则，通过对光电流原始曲线6进行二次差值分析得到二次差值曲线9，并选择合适的拟合点10，拟合出参考曲线7；

控制器1将参考曲线7与原始曲线6相比得到归一化吸收峰曲线8，通过对归一化吸收峰曲线8最大值的计算得到气体浓度。

上述方案中，所述控制器1为一程控电路；所述特定波长激光器2的偏置电流和工作温度可由控制器1控制调节；所述光纤3用于将激光器发射的激光传输到待测气体路径；所述待测气体气室4中均匀分布有待测气体；所述光电探测器5用于将接收到的光信号转换为电流信号；所述特定波长激光器2和所述光电探测器5受到所述控制器1的控制，所述光电探测器5将转化的电流数据传递给所述控制器1。

上述方案中，所述原始曲线6为激光器的偏置电流从低到高线性扫过后，光电探测器直接检测到的光电流曲线。

上述方案中，所述二次差值曲线9为对原始曲线6的数据进行二次差值运算得到。

上述方案中，所述拟合点10在二次差值曲线9两侧，二次差值曲线9的值靠近0的位置选取。所述拟合点10是在二次差值曲线9两侧各选择至少2个。

上述方案中，所述拟合曲线7为通过利用与拟合点10的横坐标对应的原始曲线6上的点进行拟合得到，为原始曲线6去除吸收峰部分后拟合得到一条用于参考比对的曲线。所述拟合曲线7的获得，是通过计算二次差值曲线9中的拟合点10的方法得到。

上述方案中，所述归一化吸收峰曲线8通过拟合曲线7与原始曲线6各个对应数据相除得到。所述归一化吸收峰曲线8的纵坐标最大值作为当前寻峰范围内的最强的吸收峰参与浓度运算。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，采用了最简化的激光器吸收谱气体检测的系统，即利用波长与被检气体吸收谱匹配的的激光器作为探测源，在激光器穿过待测气体后，利用光电探测器作为信号接收装置，通过控制器进行激光器的温度电流控制和探测器的信号采集。

2、本发明提供的这种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，通过控制器线性增加激光器的偏置电流，将探测器探测到的光电流曲线作为原始数据，利用控制器在该原始数据的基础上计算出一条参考曲线，再通过计算参考曲线与原始曲线的比值，得到一条新的吸收峰曲线。无需控制激光器的输出波长锁定，即可在吸收曲线上得到激光器在吸收峰点处的测量值。利用Beer定律就可以直接得到待测气体浓度。

3、利用本发明，采用拟合动态寻峰方法的激光气体浓度检测产品比采用传统锁峰方法的激光气体浓度检测产品的系统大大的简化，更利于基于该方案的产品小型化、降低成本。

4、利用本发明，采用拟合动态寻峰方法避开了传统闭环控制锁峰的繁琐过程，降低了对数据处理电路的精度和系统同步的要求。相比于参考支路的方法，该方法节省了一个参考气室和一个探测器，简化了系统，增强的系统的健壮性，降低了成本。

5、利用本发明，拟合动态寻峰方法具有激光气体浓度检测方法的大部分优点：检测精度高，响应速度快。此外该方法对系统硬件要求低，系统处理速度快，适用于大多数气体浓度检测产品。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法的硬件系统图；

图2是本发明激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法的工作流程图；

图3是本发明激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法的操作示意图；

图4是本发明激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法中拟合点选择的二次差值分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的拟合动态寻峰测量方法，通过连续为激光器周期性的线性施加偏置电流，无需加入调制信号，闭环控制锁定激光器输出波长；无需加入参考直路，即可得到激光器工作在待测气体吸收谱波长附近时检测到的光电流的全谱，通过处理该光电流数据，利用数学处理，拟合出参考曲线，通过分析得到气体浓度数据。即提供了一个激光气体浓度检测的动态寻峰新方法。

根据Beer定律，当波长为λ、强度为I₀(λ)的一束激光通过一定浓度C的某种气体，并经过吸收长度为L的一段距离后。接收到的光强I(λ)与初始光强I₀(λ)的关系为I(λ)＝I₀(λ)exp(-αCL)。其中α为该种气体对波长为λ的光的吸收系数。当λ刚好处于这种气体光谱的一个强吸收峰时，α很大，该波长的光被这种气体吸收明显。通过对穿过气体后的光的光强进行分析，就可以计算出该气体的浓度。

激光器的输出波长可以通过激光器工作的偏置电流和激光器的工作温度在几纳米间小范围调节。激光器的偏置电流越高，激光器的输出波长也就越高，激光器的工作温度越高，激光器的输出波长也越高。

在气体浓度、吸收系数、吸收长度的乘积αCL较大时(αCL＞0.05)，通过使用程控电路，特定波长激光器，光电探测器，利用直接锁峰动态测量方法，就可以判断气体的吸收谱位置，实时计算出气体的浓度。

如图1所示，浓度检测系统由控制器1、特定波长激光器2、光纤3、待测气体气室4、光电探测器5构成，其中：该控制器1为一程控电路。该特定波长激光器2的偏置电流和工作温度可由控制器1控制调节。光纤3用于将激光器发射的激光传输到待测气体路径。待测气体气室4中均匀分布有待测气体。光电探测器5用于将接收到的光信号转换为电流信号。特定波长激光器2和光电探测器5受到控制器1的控制，光电探测器5将转化的电流数据传递给控制器1。

本发明提供的这种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，包括：

控制器1将特定波长激光器2的工作温度调节到某一合适值，并为特定波长激光器2线性增加偏置电流，同时接收光电探测器5传递过来的电流信号得到光电流原始曲线6；

控制器1判断吸收峰是否在光电流原始曲线6的中间，如果吸收峰不在曲线的中间，就返回继续进行温度调节；否则，通过对光电流原始曲线6进行二次差值分析得到二次差值曲线9，并选择合适的拟合点10，拟合出参考曲线7；

控制器1将参考曲线7与原始曲线6相比得到归一化吸收峰曲线8，通过对归一化吸收峰曲线8最大值的计算得到气体浓度。

其中，所述原始曲线6为激光器的偏置电流从低到高线性扫过后，光电探测器直接检测到的光电流曲线。所述二次差值曲线9为对原始曲线6的数据进行二次差值运算得到。所述拟合点10在二次差值曲线9两侧，二次差值曲线9的值靠近0的位置选取。所述拟合点10是在二次差值曲线9两侧各选择至少2个。所述拟合曲线7为通过利用与拟合点10的横坐标对应的原始曲线6上的点进行拟合得到，为原始曲线6去除吸收峰部分后拟合得到一条用于参考比对的曲线。所述拟合曲线7的获得，是通过计算二次差值曲线9中的拟合点10的方法得到。所述归一化吸收峰曲线8通过拟合曲线7与原始曲线6各个对应数据相除得到。所述归一化吸收峰曲线8的纵坐标最大值作为当前寻峰范围内的最强的吸收峰参与浓度运算。

工作程序流程如图2所示：

1)、通过控制器1将特定波长激光器2的工作温度调节到某一合适值。

2)、通过控制器1为特定波长激光器2线性增加偏置电流。

3)同时接收光电探测器5传递过来的电流信号得到光电流原始曲线6。

4)判断吸收峰是否在曲线的中间，而不是靠边的位置或在曲线的外面。如果吸收峰在曲线的中间，就进入5)；如果不在就跳到1)进行温度的调节。

5)控制器1通过对原始曲线6进行二次差值分析得到二次差值曲线9，并选择合适的拟合点10，拟合出参考曲线7。

6)参考曲线7与原始曲线6相比得到归一化吸收峰曲线8。

7)通过对归一化吸收峰曲线8最大值的计算得到气体浓度。

8)返回2)重复电流从低到高线性扫描，控制器1从2)---7)的过程，进行实时的动态寻峰，求出实时的气体浓度。

如图3所示，原始曲线6即为特定波长激光器2的工作波长从低到高线性增加时，光电探测器5探测到的光电流曲线。拟合曲线7即为通过吸收峰外的原始曲线上的4个点通过多项式拟合得到的曲线。归一化吸收峰曲线8是通过拟合曲线7与原始曲线6相比得到的。该曲线最大值处的横坐标即表征了特定波长激光器2输出在待测气体吸收谱上时的激光器的偏置电流。该点的纵坐标即为Beer定律I(λ)＝I₀(λ)exp(-αCL)中的I₀(λ)/I(λ)。通过该值即可算出当时气体的浓度C。

如图4所示，二次差值曲线9为控制器1对原始曲线6上的数值点进行2次差值得到的。该曲线反映的是原始曲线6的斜率的变化率。由于激光器的工作区间无吸收情况下的正常的P-I曲线都为一线性函数。所以在原始曲线6吸收峰外的曲线部分的斜率的变化率基本上在0附近，而吸收峰附近的斜率的变化率有很大的波动。在最强的吸收峰处斜率的变化率为正的最大值，即对应二次差值曲线9的最高点。选择在二次差值曲线9两个为负值的峰外侧的各两个0值附近的拟合点10，并找到与这4个拟合点10横做标相对应的原始曲线6上的4个点进行多项式拟合，完成曲线拟合过程，得到拟合曲线7。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，应用于由控制器(1)、特定波长激光器(2)、光纤(3)、待测气体气室(4)、光电探测器(5)构成的浓度检测系统，其特征在于，该方法包括：

控制器(1)将特定波长激光器(2)的工作温度调节到某一合适值，并为特定波长激光器(2)线性增加偏置电流，同时接收光电探测器(5)传递过来的电流信号得到光电流原始曲线(6)；

控制器(1)判断吸收峰是否在光电流原始曲线(6)的中间，如果吸收峰不在曲线的中间，就返回继续进行温度调节；否则，通过对光电流原始曲线(6)进行二次差值分析得到二次差值曲线(9)，并选择合适的拟合点(10)，拟合出参考曲线(7)；

控制器(1)将参考曲线(7)与原始曲线(6)相比得到归一化吸收峰曲线(8)，通过对归一化吸收峰曲线(8)最大值的计算得到气体浓度。

2.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述控制器(1)为一程控电路；所述特定波长激光器(2)的偏置电流和工作温度可由控制器(1)控制调节；所述光纤(3)用于将激光器发射的激光传输到待测气体路径；所述待测气体气室(4)中均匀分布有待测气体；所述光电探测器(5)用于将接收到的光信号转换为电流信号；所述特定波长激光器(2)和所述光电探测器(5)受到所述控制器(1)的控制，所述光电探测器(5)将转化的电流数据传递给所述控制器(1)。

3.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述原始曲线(6)为激光器的偏置电流从低到高线性扫过后，光电探测器直接检测到的光电流曲线。

4.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述二次差值曲线(9)为对原始曲线(6)的数据进行二次差值运算得到。

5.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述拟合点(10)在二次差值曲线(9)两侧，二次差值曲线(9)的值靠近0的位置选取。

6.根据权利要求5所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述拟合点(10)是在二次差值曲线(9)两侧各选择至少2个。

7.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述拟合曲线(7)为通过利用与拟合点(10)的横坐标对应的原始曲线(6)上的点进行拟合得到，为原始曲线(6)去除吸收峰部分后拟合得到一条用于参考比对的曲线。

8.根据权利要求7所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述拟合曲线(7)的获得，是通过计算二次差值曲线(9)中的拟合点(10)的方法得到。

9.根据权利要求1所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述归一化吸收峰曲线(8)通过拟合曲线(7)与原始曲线(6)各个对应数据相除得到。

10.根据权利要求9所述的激光气体浓度检测的拟合动态寻峰方法，其特征在于，所述归一化吸收峰曲线(8)的纵坐标最大值作为当前寻峰范围内的最强的吸收峰参与浓度运算。

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