CN103604774B - 基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域,为提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精度的方法和装置,可以在不增加系统硬件开销的情况下,完整的采集、记录谱线的全部信息,从而提高TDLAS系统的测量精度,并适合于气体浓度、压力、温度及流速在线(及原位)或离线检测或监测应用。为达到上述目的,本发明的技术方案是:基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法,步骤是:检测气体对激光的吸收谱线,对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数进行测量,其中,在激光激发阶段施加某种变换,在检测气体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换。本发明主要应用于气体检测。

Description

基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明属于气体浓度、溫度、压力或流速的测量技术领域,设及可调谐二极管激光 吸收光谱分析的方法和装置,特别是用于痕量气体检测的可调谐二极管激光器的调制方法 和装置,本发明可W用于气体浓度、溫度、压力或流速的高精度测量,具体讲,设及基于非线 性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法和装置。
背景技术
[0002] 可调谐二极管激光吸收光谱分析(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术,广泛用于工 业流程中的气体监控、环境大气检测W及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调 谐特性,即通过改变二极管激光器的溫度或注入电流,改变激光器的输出波长。在波长调谐 范围内,检测待测气体的特征吸收光谱,在气体吸收光谱的线形(spectral line profile) 中包含有与气体浓度、压力、溫度、流速等相关的信息,通过对吸收光谱的线形分析,可W在 线测量气体的浓度、溫度、压力或流速。
[0003] 对于高浓度或吸收系数较大的气体,通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收 光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化,通过对吸收信号的强度分析,由朗伯-比 尔(Beer-Lambed)定律计算被测气体的浓度。运种测量方法受光源的光强波动、检测器和 放大器噪声、外界干扰等影响,其测量误差较大、灵敏度和精度较低。
[0004] 为了提高检测灵敏度,通常采用波长调制光谱(Wave length modulation spectroscopy,WMS)技术。WMS技术对激光做波长扫描和高频调制,经气体吸收后的激光由 光电探测器转换为电信号,利用相敏检测(通常使用锁相放大器)技术检测气体吸收光谱的 高频调制谐波信号。丽S可W抑制激光强度起伏、系统1/f噪声、漂移等各种噪声的影响,极 大地提高了信号的信噪比,检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级W上。
[0005] 通常,在激光吸收光谱分析中技术中采用银齿波对激光波长做线性扫描,运种线 性扫描过程中将吸收光谱线形直接传递到检测器,在不同的溫度和压力条件下,气体吸收 光谱的线形呈现为高斯线形化aussian profile)、洛仑兹线形化orentzian profile)或福 伊特线形(Voigt profile),要采集完整的线形信息,一方面需要足够多的采样点数,即AD 转换器采样率和数据存储器要足够大,运与处理器的速度、运算能力及成本有较大关系,另 一方面也需要抑制信号传递通道的寄生幅度干扰、非线性、相位噪声等对谱线线形的干扰。 目前采用银齿波的线性波长扫描技术中,由于受AD采样率W及数据处理速度的限制,对气 体吸收谱线大多是欠采样。运影响了光谱信息的准确采集和处理,尤其是存在噪声和干扰 时,对测量精度的影响很大。
[0006] 德国慕尼黑工业大学的J.化en等人提出一种非线性波长扫描方法,通过使在吸收 光谱峰值附近的波长扫描速率为零,W增加对吸收谱峰值的采样点数,并通过数据拟合提 高光谱分析的灵敏度。运种方法理论上可W将测量简化、优化,但是,它需要准确获取并保 持吸收光谱的峰值相对位置,任何小的溫度或注入电流扰动(噪声)都可能将产生较大的影 响,运在实践中实现的技术要求高,另外,运种检测方法只记录了气体吸收谱线的线强信 息,而丢弃了吸收光谱中的线形信息,只能用于气体浓度的测量,并需要对溫度和压力进行 补偿。不能用于气体溫度、压力及流速的测量。
发明内容
[0007] 本发明旨在解决克服现有技术的不足,提供一种提高可调谐激光吸收光谱检测精 度的方法和装置。基于本发明的方法和装置,可W在不增加系统硬件开销的情况下,完整的 采集、记录谱线的全部信息,从而提高TDLAS系统的测量精度,并适合于气体浓度、压力、溫 度及流速在线(及原位)或离线检测或监测应用。
[0008] 为达到上述目的,本发明的技术方案是:基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏 度的方法,步骤是:检测气体对激光的吸收谱线,对包括浓度、压力、溫度及流速在内的气体 的参数进行测量,其中,在激光激发阶段施加某种变换,在检测气体对激光的吸收谱线阶段 施加相应的逆变换。
[0009] 施加某种变换采用的变换函数包括但不限于高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦 函数、钟形函数中的一种,所施加变换函数的特征参数与气体吸收谱线参数、激光器的调制 特性W及激光驱动器的传输特性参数相关。
[0010] 所述传输特性参数相关具体为:所施加变换函数的幅值a、中屯、位置b、和宽度C特 征参数与气体吸收谱线中屯、位置λ。、线宽丫 m参数、银齿波周期T、幅度AVm参数W及包括激 光驱动器的电压-电流转换系数α、二极管激光器的电流调谐速率β的激光器的调制特性相 关,具体如下:
[0011] 波形幅值a与施加的调制银齿波斜率相关,取为:
[0012]
Figure CN103604774BD00051
(1)
[OOU]其中,T是银齿波周期,单化ms,AVm是银齿波的幅度,单位:V;
[0014] 中屯、位置b取值为:
[001 引 b=Ac(t)=kT (2)
[0016] 其中,、(t)为谱线的中屯、位置出现的时刻,k为常数系数且k<l,k取0.5~0.8;
[0017] 宽度C与待测气体谱线宽度FWHM,丫 m,单化nm、激光波长调谐范围Avm,单化nm和 银齿波的周期T有关:
[001 引
Figure CN103604774BD00052
C3')'
[0019]其中,k功经验系数,取值范围为1 . 1~3,激光波长调谐范围Δ Vm与银齿波幅度关 系为
[0020] Avm=a.0.Vm (4)
[0021] α是激光驱动器的电压-电流转换系数,单位:πιΑ/ν;β是二极管激光器的电流调谐 速率,单位:nm/mA。
[0022] 在激光激发阶段施加的变换,是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信 号实现的;在光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列做逆坐标变换,得到W波长间隔的 光谱数据序列。
[0023] 在激光激发阶段施加的变换,是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信 号实现的,变换函数记做G(t),叠加到注入电流中的信号Q(t)为,
[0024] Q(t) = fG(t)化 巧)
[0025] 在吸收谱线光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列化(t)做逆坐标变换,得到 W波长间隔的光谱数据序列化(λ),具体为:
[0026] Dj(A)=Di(t) (6)
[0027] Aj=A〇+(iAVmf-G(t))a0 (7)
[002引 1 = 0,1,2, ....,INT(S/f)-l
[0029] 式中,INTO为取整运算,S为数据的采样率,λ〇为银齿波最小值对应的为激光输出 波长,Di(t)为经AD转换得到的光谱数据序列,即等时间间隔的数据序列;i为一个银齿波周 期内的采样点序号,Ο^λ)为变换后的数据序列,即按照波长间隔的光谱数据序,f为银齿波 的频率,AVm为银齿波的幅度,α是激光驱动器的电压-电流转换系数,单位:πιΑ/ν;β是二极 管激光器的电流调谐速率,单位:nm/mA;变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据,按 照公知的方法对光谱线形分析,得到被测气体包括浓度、压力、溫度的参量。
[0030] -种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置,包括:激光器驱动器、二极 管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式 处理器、光准直透镜、气体池,激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设 置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器,光电探测器的输出信号经前置放大器、 锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器,信号发生器用于产生特定函数的调 制信号叠加到二极管激光器的注入电流中,锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。
[0031] 其信号发生器是基于数字存储方式,由可编程逻辑器件构成的电路或模块,其输 出信号包括幅度调制信号、解调信号和同步信号。
[0032] 调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流,实现对激光波长的扫 描和/或高频调制,激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调,再由计算机对数 据做进一步处理。
[0033] 信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储 器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口,微控制器按照程序存储器中的程序运行而 产生调制信号数据并写入到数据存储器,微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到 同步解调信号输出接口,逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转 换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口,调制信号由银齿波、正弦波和变换函数信 号叠加而成,同步信号为与银齿波同步的脉冲信号。
[0034] 本发明的技术特点及效果:
[0035] 可W避免现有方法中丢失光谱信息,实现光谱信息的无失真传递和检测,从而提 高光谱反演的精度,并提高光谱分析的灵敏度。
[0036] 本发明的施加时间坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法,可W应用于直接吸 收光谱分析方法,也可W应用于激光调制吸收光谱分析方法。
附图说明
[0037] 图1是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS系统框图(实施例1)
[0038] 1激光器驱动器
[0039] 2二极管激光器
[0040] 3信号发生器
[0041] 4光电探测器
[0042] 5前置放大器
[0043] 6锁相放大器
[0044] 7AD转换器
[0045] 8计算机(嵌入式处理器)
[0046] 9、10光准直透镜
[0047] 11气体池。
[004引图2调制信号产生电路框图
[0049] 21微控制器
[(K)加]22程序存储器
[0化1] 23逻辑电路
[0052] 24数字-模拟转换电路
[0化3] 25数据存储器
[0054] 26调制信号输出接口
[0055] 27同步解调信号输出接口。
[0056] 图3是实施例1的激光调制信号
[0057] ①银齿波信号 [005引②高频正弦信号
[0059] ③积分高斯信号
[0060] ④叠加变换后的调制信号。
[0061] 图4是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS系统框图(实施例2)
[0062] 1激光器驱动器
[0063] 2二极管激光器
[0064] 3信号发生器 [00化]4光电探测器
[0066] 5前置放大器
[0067] 7AD转换器
[0068] 8计算机(嵌入式处理器)
[0069] 9、10光准直透镜。
[0070] 图5是实施例2的激光调制信号
[0071] ⑤是银齿波信号
[0072] ⑥是积分余弦信号
[0073] ⑦是叠加变换后的调制信号。
具体实施方式
[0074] 本发明是一种基于坐标变换提高可调谐激光光谱分析灵敏度的方法和装置,通过 在激光激发阶段施加某种变换,在信号检测处理阶段施加相应的逆变换,w保证光谱数据 的完备性、提高数据采集和处理效率,变换函数的特征参数根据气体吸收谱线参数、激光器 的调制特性W及激光驱动器的传输特性参数设定。本发明主要用于痕量气体吸收谱线的分 析、检测,可W用于气体浓度、溫度、压力或流速的测量。
[0075] 本发明的技术方案是:
[0076] -种对可调谐激光吸收光谱分析施加坐标变换的方法,即在激光的激发阶段施加 某种变换,而在信号的检测处理阶段施加相应的逆变换,所施加变换的作用是保证光谱数 据的记录完备性、提高数据采集和处理的效率、提高测量精度或其它好处。
[0077] 所施加的变换函数可W是任意有利于光谱数据采集、记录和/或便于运算的函数, 比如,高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数(bell shaped curve)等。所施加 变换函数的特征参数(幅值a、中屯、位置b、和宽度C)与气体吸收谱线参数(中屯、位置λ。、线宽 丫 m)、银齿波参数(周期Τ、幅度AVm)W及激光器的调制特性(激光驱动器的电压-电流转换 系数α、二极管激光器的电流调谐速率的等相关。具体如下:
[0078] 波形幅值a与施加的调制银齿波斜率相关,通常情况下可W取为:
[0079]
Figure CN103604774BD00081
(8)
[0080] 其中,T是银齿波周期(单位:ms),AVm是银齿波的幅度(单位:V)。
[0081 ]中屯、位置b取值为:
[0082] b=Ac(t)=kT (9)
[0083] 其中,λ。( t)为谱线的中屯、位置出现的时刻,k为常数系数且k< 1,一般k取0.5~ 0.8 〇
[0084] 宽度C与待测气体谱线宽度(FW丽)丫 m(单位:nm)、激光波长调谐范围Δ vm(单位: nm)和银齿波的周期T有关:
[0085]
Figure CN103604774BD00082
(城)
[0086] 其中,ki为经验系数,取值范围一般为1.1~3。激光波长调谐范围Avm与银齿波幅 度关系为
[0087] Δ ν"=α . β . Vm (11)
[0088] α是激光驱动器的电压-电流转换系数(单位:πιΑ/ν);β是二极管激光器的电流调谐 速率(单位:nm/mA)。
[0089] 本发明所施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法,在激光激发阶段施加的 变换,是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的,变换函数记做G(t),叠 加到注入电流中的信号Q(t)为,
[0090] Q(t) = fG(t)化 (12)
[0091] 本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法,在光谱数据处理环节,对 采集的光谱数据序列化(t)做逆坐标变换,得到W波长间隔的光谱数据序列化(λ)。具体为:
[0092] Dj(A)=Di(t) (13)
[0093] Aj=A〇+(iAVmf-G(t))a0 (14)
[0094] 1 = 0,1,2, . . . . ,INT(S/f)-l
[0095] 式中,INTO为取整运算,S为数据的采样率,λ〇为银齿波最小值对应的为激光输出 波长,Di(t)为经AD转换得到的光谱数据序列,即等时间间隔的数据序列;0^λ)为变换后的 数据序列,即按照波长间隔的光谱数据序。f为银齿波的频率,A Vm为银齿波的幅度。α是激 光驱动器的电压-电流转换系数(单化πιΑ/ν);β是二极管激光器的电流调谐速率(单化皿/ mA)。变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据。据此,按照公知的方法对光谱线形分 析,得到被测气体的浓度、压力、溫度等参量。
[0096] 所述施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置,其具体实现方法是,包括激 光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、 计算机(或嵌入式处理器)、气体池等部分。信号发生器产生本发明必须的调制(和/或调谐) 信号。可W使用商品化的信号发生器及其软件编辑任意波形信号,通过信号发生模块输出 特定的调制信号,还可W采用专口设计的信号发生电路板,基于数字存储方式,由可编程逻 辑器件(FPGA和/或CPLD)构成的电路(模块),其输出信号包括幅度调制信号用于激光器注 入电流的调制,还包括解调信号输出用于锁相检测所需要的参考信号,还包括同步信号输 出用于数据采集或处理。
[0097] 调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流,实现对激光波长的扫 描和/或高频调制,激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调,再由计算机对数 据做进一步处理,依据公知的方法,得到气体的浓度、溫度、压力W及流速等参量。
[0098] 与现有技术相比,本发明的有益效果为:可W避免现有方法中丢失光谱信息,实现 光谱信息的无失真传递和检测,从而提高光谱反演的精度,并提高光谱分析的灵敏度。
[0099] 本发明的施加时间坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析方法,可W应用于直接吸 收光谱分析方法,也可W应用于激光调制吸收光谱分析方法,
[0100] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式:
[0101] 实施例1:(高斯函数的调制吸收方式)
[0102] 下面W分析水分子的吸收谱线1395.514nm为例,说明施加坐标变换的可调谐激光 吸收光谱分析方法和装置。查阅HITRAN数据库,可W得到该谱线的吸收线强为5.93Χ10- 2icm/molecule,谱线宽度为0.0505nm。
[0103] 本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置,包括激光器驱动器1、二极 管激光器2、信号发生器3、光电探测器4、前置放大器5、锁相放大器6、AD转换器7、计算机(或 嵌入式处理器)8、光准直透镜9和10;气体池11等部分,其构成原理如图1所示。其中二极管 激光器、锁相放大器、气体池、计算机可W采用商品化的仪器或模块。
[0104] 信号发生器可W采用支持编程模式的任意函数发生器或者采用专口设计的信号 发生电路(模块),本实施例中使用的是专口设计的信号发生电路模块,其电路原理框图如 图2所示,由微控制器21、程序存储器22、逻辑电路23、数字-模拟转换电路24、数据存储器 25、调制信号输出接口 26、同步解调信号输出接口 27等部分组成,信号发生器产生测量系统 需要的调制信号、解调信号和同步信号。
[0105] 其中调制信号由银齿波、正弦波和变换函数信号叠加而成。银齿波和正弦信号的 参数与谱线宽度、激光器调谐特性、激光驱动器的电压-电流转换系数相关,可W按照目前 公知的方法确定,本实施例中银齿波的频率为1曲Z、幅度700mV;正弦信号频率100曲Z、幅度 lOOmV。解调信号为频率200k化、幅度5V的方波(或正弦)信号。同步信号为与银齿波同步的 脉冲信号。变换函数是任意有利于光谱数据采集、记录和/或便于运算的函数,如高斯函数、 洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数等,本实施例中采用高斯函数,其表达式:
[0106]
Figure CN103604774BD00101
(15J
[0107] 式中:参数a、b、c分别是高斯曲线的高度(峰值)、中屯、位置和宽度,运Ξ个参数a、 b、
[010引C是高斯函数的特征参数。
[0109] 高斯函数特征参数的确定方法为,高斯信号波形叠加在待测气体吸收谱线附近, 即高斯曲线波形的中屯、位置与待测气体的吸收光谱峰值(波长)相重合,通常取为银齿波周 期T的(1/3~2/3)附近,本实施例中,银齿波周期T = lms,高斯曲线波形的中屯、位置取值为:
[0110] b=0.6Τ=0.6ms (16)
[0111] 高斯曲线波形宽度c与待测气体谱线宽度(FWHM) 丫 m(单位:nm)、激光波长调谐范 围Δ vm(单位:nm)和银齿波的周期有关,高斯曲线波形宽度C为:
[0112]
Figure CN103604774BD00102
(巧)
[0113] 其中,ki为经验系数,取值范围一般为1.1~3。本实施例中,ki = 1.6, Avm=0.3皿, 计算得到高斯曲线波形宽度c=0.27ms。
[0114] 高斯曲线波形高度a与施加的调制银齿波斜率相关,通常情况下可W取为:
[0115]
Figure CN103604774BD00103
(18)
[0116] 其中,T是银齿波周期(单位:ms),AVm是银齿波的幅度(单位:V)。本实施例中,高 斯曲线波形高度a = 〇.65mV。
[0117] 由此,得到高斯变换的函数表达式:
[0118] G(〇 二-0.65户"―°"'刖5 (19)
[0119] 对式(19)做积分,得到给调制信号中叠加的变换波形。本发明的调制信号是由银 齿波信号、高频正弦信号和积分高斯曲线叠加而成,如图3所示。是通过专口的信号发生器 电路产生的。
[0120] 在光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列Di(t)做逆坐标变换,依据前述式 巧)和(6)进行,得到W波长间隔的光谱数据序列化(λ)。具体为:
[01 別]Aj=A〇 巧(〇.7i-G(t))Xl〇-4(nm) (20)
[0122] 1 = 0,1,2, ....,INT(S/f)-l
[0123] 由此得到了没有失真的光谱数据,根据公知的基于吸收谱线的浓度反演方法,计 算水分子准确的浓度。
[0124] 实施例2:(余弦直接吸收方式)
[0125] 下面仍W分析水分子的吸收谱线1395.514nm为例,说明施加坐标变换的可调谐激 光吸收光谱分析方法和装置。本发明施加坐标变换的可调谐激光吸收光谱分析装置,包括 激光器驱动器1、二极管激光器2、信号发生器3、光电探测器4、前置放大器5、AD转换器7、计 算机(或嵌入式处理器)8、光准直透镜9和10等部分,其构成原理如图4所示。其中二极管激 光器、计算机可W采用商品化的仪器或模块。
[0126] 信号发生器可W采用支持编程模式的任意函数发生器,或者采用专口设计的信号 发生电路(模块),本实施例中使用的是专口设计的信号发生电路模块,其电路原理框图如 图2所示,由微控制器21、程序存储器22、逻辑电路23、数字-模拟转换电路24、数据存储器 25、调制信号输出接口 26、同步解调信号输出接口 27等部分组成,信号发生器产生测量系统 需要的调制信号和同步信号。
[0127] 其中调制信号由银齿波和变换函数信号组成,银齿波的参数与谱线宽度、激光器 调谐特性、激光驱动器的电压-电流转换系数相关,可W按照目前公知的方法确定,本实施 例中银齿波的频率为1曲Z、幅度700mV。同步信号为与银齿波同步的脉冲信号。
[0128] 所述在激光激发阶段施加的变换是通过在信号发生器中叠加需要的波形,本实施 例中采用余弦函数,其表达式:
[0129]
Figure CN103604774BD00111
[0130] 式中:参数a、b、c分别是余弦曲线的高度(峰值)、中屯、位置和宽度,运Ξ个参数a、 b、
[0131] c是余弦函数的特征参数。
[0132] 余弦函数特征参数的确定方法为,信号波形叠加在待测气体吸收谱线附近,即曲 线波形的中屯、位置与待测气体的吸收光谱峰值(波长)相重合,通常取为银齿波周期 3~2/3)附近,本实施例中,银齿波周期T = lms,曲线波形的中屯、位置按照式(2)取值为b= 0.6ms。
[013引余弦曲线波形全宽度C与待测气体谱线宽度(FWHM) Ym(单位:nm)和设定的激光波 长调谐范围A vm(单位:nm)有关。按照式(3),经验系数ki = 2,Δ vm=0.3nm,计算得到曲线波 形宽度c=0. 34ms 0
[0134] 曲线波形高度a与施加的调制银齿波斜率相关,按照式(1),本实施例中,余弦曲线 波形高度a = 0.65mV。
[0135] 由此,得到余弦变换的函数表达式:
[0136]
Figure CN103604774BD00112
[0137] 对式(22)做积分,得到给调制信号中叠加的变换波形。本发明的调制信号是由银 齿波信号和积分余弦曲线叠加而成,如图5所示。是通过专口的信号发生器电路产生的。
[0138] 在光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列Di(t)做逆坐标变换,依据前述式 巧)和(6)进行,得到W波长间隔的光谱数据序列化(λ)。具体为:
[0139] Aj=A〇 巧(〇.7i-G(t))Xl〇-4(nm) (23)
[0140] i = 0,l,2,···. ,INT(S/f)-l
[0141] 由此得到了没有失真的光谱数据,根据公知的基于吸收谱线的浓度反演方法,计 算水分子准确的浓度。

Claims (5)

1. 一种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法,步骤是:利用非线性调谐方 法对激光器的发射波长进行扫描,检测气体对激光的吸收谱线,对包括浓度、压力、温度及 流速在内的气体的参数进行测量,其特征是,激光扫描阶段施加某种非线性变换,在检测气 体对激光的吸收谱线阶段施加相应的逆变换;施加某种变换采用的变换函数包括高斯函 数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种,所施加变换函数的特征参数与气体 吸收谱线参数、激光器的调制特性以及激光驱动器的传输特性参数相关具体为:所施加变 换函数的幅值a、中心位置b、和宽度c特征参数与气体吸收谱线中心位置A。、线宽y m参数、锯 齿波周期T、幅度A Vm参数以及包括激光驱动器的电压-电流转换系数a、二极管激光器的电 流调谐速率0的激光器的调制特性相关,具体如下: 波形幅值a与施加的调制锯齿波斜率相关,取为:
Figure CN103604774BC00021
(1) 其中,T是锯齿波周期,单位:ms,A Vm是锯齿波的幅度,单位:V; 中心位置b取值为: b =入 c(t)=kT (2) 其中,t为谱线的中心位置出现的时刻,k为常数系数且k取0.5~0.8; 宽度c与待测气体谱线宽度FWHM,ym,单位:nm、激光波长调谐范围A Vm,单位:nm和锯齿 波的周期T有关:
Figure CN103604774BC00022
(3) 其中,h为经验系数,取值范围为1.1~3,激光波长调谐范围A Vm与锯齿波幅度关系为 A vm=a • 0 • Vm (4) a是激光驱动器的电压_电流转换系数,单位:mA/Vj是二极管激光器的电流调谐速率, 单位:nm/mA〇
2. 如权利要求1所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的方法,其特征是,在 激光激发阶段施加的变换,是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号实现的; 在光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列做逆坐标变换,得到以波长间隔的光谱数据 序列;在激光激发阶段施加的变换,是通过在激光器注入电流中叠加特定函数的调制信号 实现的,变换函数记做G(t),叠加到注入电流中的信号Q(t)为, Q(t) = jG(t)dt (5) 在吸收谱线光谱数据处理环节,对采集的光谱数据序列Ddt)做逆坐标变换,得到以波 长间隔的光谱数据序列h(A),具体为: Dj(A)=Di(t) (6) Aj = A〇+(i AVmf-G(t))a0 (7) i = 0,l,2,. . . . ,INT(S/f)-l 式中,INT()为取整运算,S为数据的采样率,为锯齿波最小值对应的为激光输出波 长,Ddt)为经AD转换得到的光谱数据序列,即等时间间隔的数据序列;i为一个锯齿波周期 内的采样点序号,D」(A)为变换后的数据序列,即按照波长间隔的光谱数据序,f为锯齿波的 频率,A Vm为锯齿波的幅度;变换后的光谱数据序列即为不失真的光谱数据,按照公知的方 法对光谱线形分析,得到被测气体包括浓度、压力、温度的参量。
3. -种基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置,其特征是,包括:激光器驱动 器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或 嵌入式处理器、光准直透镜、气体池,激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体 池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器,光电探测器的输出信号经前置放 大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器,信号发生器用于产生特定函数 的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中,锁相放大器还输出反馈信号到信号发生 器;调制信号包括高斯函数、洛仑兹函数、正弦或余弦函数、钟形函数中的一种。
4. 如权利要求3所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置,其特征是,信 号发生器是基于数字存储方式,由可编程逻辑器件构成的模块,其输出信号包括调制信号、 解调信号和同步信号输出。
5. 如权利要求3所述的基于非线性调谐提高激光气体分析灵敏度的装置,其特征是,信 号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信 号输出接口、同步解调信号输出接口,微控制器按照程序存储器中的程序运行而产生调制 信号数据并写入到数据存储器,微控制器控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调 信号输出接口,逻辑电路还根据数据存储器中的调制信号数据通过数字-模拟转换电路产 生调制信号输出到调制信号输出接口,调制信号由锯齿波、正弦波和变换函数信号叠加而 成,同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。
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