CN104596962A - 基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤，将基准气体充入标准浓度气室中，检测透过标准浓度气室的激光的强度；激光气体传感器的微处理器根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数；所述微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数；所述微处理器根据换算关系计算出待测气体的标定系数。本发明用一种简单易得的气体作为基准气体，通过激光气体传感器对其进行检测并计算得到其标定系数，再根据不同气体标定系数之间的换算关系计算出待测气体的标定系数，避免了对不同待测气体的多次标定。

Description

基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统

技术领域

本发明属于气体检测领域，涉及一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统。

背景技术

基于激光吸收光谱的气体检测技术主要是利用Beer-Lambert定律，通过计算光能量经过气体之后的衰减情况来得到待测气体的浓度。如果光传输的长度是确定的，光能量衰减量与气体浓度成正比。在测量的过程中，需要利用标准浓度气室得到标定系数，再通过计算得到实际气体浓度值。

目前，基于激光吸收光谱的气体传感器的标定需要使用标准的气体进行比对标定，但是对于某些有毒有害的气体，比如硫化氢、氮氧化物等，其标准气体很难得到。而且现有的技术方案中，同一激光气体传感器需要对不同的气体分别标定，造成气体检测过程繁杂且难以得到准确的气体标定系数。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统，目的在于避免对不同待测气体的多次标定，简化气体检测过程，准确地得到气体的标定系数。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供的一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法，包括如下步骤：

将基准气体充入标准浓度气室中，检测透过标准浓度气室的激光的强度；

激光气体传感器的微处理器根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数；

所述微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数；

所述微处理器根据换算关系计算出待测气体的标定系数；

所述换算关系为：其中ν为激光频率，P_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的标定系数，P’_(ν)为激光频率为ν时的待测气体的标定系数，α_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的吸收系数，α’_(ν)为激光频率为ν时的待测气体的吸收系数。

进一步地，所述微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数包括：

主控计算机通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量；

所述主控计算机将基准气体和待测气体的吸收参量传送给所述微处理器；

所述微处理器将所述吸收参量代入吸收系数表达式分别计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数；

所述吸收参量包括吸收谱中心频率、吸收谱的半宽高和中心频率处的吸收系数；

所述吸收系数表达式为：其中ν为激光频率，α₀为中心频率处的吸收系数，ν₀为吸收谱中心频率，Δν为吸收谱的半宽高。

进一步地，还包括：所述主控计算机实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值；所述检测数值包括透过标准浓度气室的激光的强度，所述计算数值包括吸收系数和标定系数。

进一步地，所述基准气体为水汽、氧气、二氧化碳或氮气。

另一方面，本发明实施例提供的一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定系统，所述系统包括：

激光气体传感器，用于检测透过标准浓度气室的激光的强度，根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数，计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，以及根据换算关系计算出待测气体的标定系数。

主控计算机，用于通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量，将基准气体和待测气体的吸收参量传送给所述激光气体传感器的微处理器，以及实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值。

进一步地，所述主控计算机通过RS232接口与所述微处理器相连。

进一步地，所述基准气体为水汽、氧气、二氧化碳或氮气。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

本发明提供的一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法及系统，用一种简单易得的气体作为基准气体，通过激光气体传感器对其进行检测并计算得到其标定系数，以及计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，再根据不同气体标定系数之间的换算关系计算出待测气体的标定系数，避免了对不同待测气体的多次标定，简化了气体检测过程，准确地得到气体的标定系数。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1为本发明实施例一提供的基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的基于激光气体传感器的不同气体交叉标定系统的结构框图。

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，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1给出了本发明实施例提供的基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法的流程图，本实施例可实现用一种简单易得的气体来标定一种有毒有害且很难得到其标准气的气体，例如用水汽来标定硫化氢、氮氧化物等。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤110、将基准气体充入标准浓度气室中，检测透过标准浓度气室的激光的强度。

其中，基准气体为一种简单易得的气体，该气体可以为水汽、氧气、二氧化碳或氮气，将基准气体充入标准浓度气室中可以界定出基准气体的浓度。然后由激光气体传感器检测透过标准浓度气室的激光的强度。

步骤120、激光气体传感器的微处理器根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数。

该步骤中，气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系为：

$C=P\·\ln \left(\frac{I_{\mathrm{signal}}}{I_0}\right)---\left(1\right)$

其中，C为气体浓度，P为气体的标定系数，I₀为透过标准浓度气室前的激光的强度，I_signal为透过标准浓度气室后的激光的强度。由此可以看出，气体浓度和激光强度的变化量成正比，同一激光传感器测不同浓度的气体时，激光强度的变化量改变，而气体的标定系数不变。激光气体传感器的微处理器根据上述关系，计算出基准气体的标定系数。

步骤130、微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数。

具体地，该步骤包括：

131、主控计算机通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量。

HITRAN数据库是一种高分辨率分子透射吸收数据库，为研究大气红外特性开发的，广泛应用于大气微量气体弱吸收研究、气体遥感测量、激光传输研究、雷达等诸多领域。

本实施例中的吸收参量包括吸收谱中心频率、吸收谱的半宽高和中心频率处的吸收系数。

132、主控计算机将基准气体和待测气体的吸收参量传送给微处理器。

示例性的，本实施例中，主控计算机通过RS232接口将基准气体和待测气体的吸收参量传送给微处理器。

133、微处理器将吸收参量代入吸收系数表达式分别计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数。

其中，吸收系数表达式为：其中ν为激光频率，α₀为中心频率处的吸收系数，ν₀为吸收谱中心频率，Δν为吸收谱的半宽高。

步骤140、微处理器根据换算关系计算出待测气体的标定系数。

由Beer-Lambert定律可得激光经过气体吸收之后的信号强度：

I_signal＝I₀exp[-α(ν)CL]    (2)

其中，L为标准浓度气室的长度。

考虑到基底噪声I_noise之后，直接法测气体浓度的表达式为：

$C=-\frac{1}{\mathrm{\α}\left(v\right)L}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{signal}}-I_{\mathrm{noise}}}{I_0-I_{\mathrm{noise}}}\right)---\left(3\right)$

根据(1)式和(3)式，可以得到：

$P=\mathrm{\β}\frac{1}{\mathrm{\α}\left(v\right)L}---\left(4\right)$

其中，β为为外界电路及光路带来的噪声因子，如果在测量不同气体时使用的电路与光路系统相同，则可近似认为β为一固定值。因此，用基准气体来标定待测气体，根据(4)式可以得到换算关系：

$\frac{P_{\left(v\right)}}{P_{\left(v\right)}^{,}}=\frac{\mathrm{\β}\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\left(v\right)}L}}{\mathrm{\β}\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\left(v\right)}^{,}L}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\left(v\right)}^{,}}{{\mathrm{\α}}_{\left(v\right)}}---\left(5\right)$

其中ν为激光频率，P_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的标定系数，P’_(ν)为激光频率为ν时的待测气体的标定系数，α_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的吸收系数，α’_(ν)为激光频率为ν时的待测气体的吸收系数。

之后，微处理器根据换算关系计算出待测气体的标定系数。

另外，本实施例中，还包括：主控计算机实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值；其中，检测数值包括透过标准浓度气室的激光的强度，计算数值包括吸收系数和标定系数。

本发明实施例一提供的一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法，用一种简单易得的气体作为基准气体，通过激光气体传感器对其进行检测并计算得到其标定系数，以及计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，再根据不同气体标定系数之间的换算关系计算出待测气体的标定系数，避免了对不同待测气体的多次标定，简化了气体检测过程，准确地得到气体的标定系数。

实施例二

图2给出了本发明实施例二提供的基于激光气体传感器的不同气体交叉标定系统的结构框图，如图2所示，该系统包括：

激光气体传感器10，用于检测透过标准浓度气室的激光的强度，根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数，计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，以及根据换算关系计算出待测气体的标定系数。

主控计算机11，用于通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量，将基准气体和待测气体的吸收参量传送给激光气体传感器10的微处理器，以及实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值。

本实施例中，主控计算机11可以通过RS232接口与激光气体传感器10的微处理器相连。上述基准气体可以为水汽、氧气、二氧化碳或氮气。

本发明实施例二为系统实施例，本发明方法实施例与系统实施例属于同一构思，在系统实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述方法实施例，此处不再赘述。

本发明实施例二提供的一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定系统，用一种简单易得的气体作为基准气体，通过激光气体传感器对其进行检测并计算得到其标定系数，以及计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，再根据不同气体标定系数之间的换算关系计算出待测气体的标定系数，避免了对不同待测气体的多次标定，简化了气体检测过程，准确地得到气体的标定系数。

上述仅对本发明中的具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

将基准气体充入标准浓度气室中，检测透过标准浓度气室的激光的强度；

激光气体传感器的微处理器根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数；

所述微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数；

所述微处理器根据换算关系计算出待测气体的标定系数；

所述换算关系为：其中ν为激光频率，P_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的标定系数，P′_(ν)为激光频率为ν时的待测气体的标定系数，α_(ν)为激光频率为ν时的基准气体的吸收系数，α_′(ν)为激光频率为ν时的待测气体的吸收系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微处理器计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数包括：

主控计算机通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量；

所述主控计算机将基准气体和待测气体的吸收参量传送给所述微处理器；

所述微处理器将所述吸收参量代入吸收系数表达式分别计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数；

所述吸收参量包括吸收谱中心频率、吸收谱的半宽高和中心频率处的吸收系数；

所述吸收系数表达式为：其中ν为激光频率，α₀为中心频率处的吸收系数，ν₀为吸收谱中心频率，Δν为吸收谱的半宽高。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：所述主控计算机实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值；所述检测数值包括透过标准浓度气室的激光的强度，所述计算数值包括吸收系数和标定系数。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述基准气体为水汽、氧气、二氧化碳或氮气。

5.一种基于激光气体传感器的不同气体交叉标定系统，其特征在于，所述系统包括：

激光气体传感器，用于检测透过标准浓度气室的激光的强度，根据气体浓度、透过标准浓度气室前后的激光的强度和气体的标定系数之间的关系，计算出基准气体的标定系数，计算出对应激光频率下的基准气体的吸收系数和待测气体的吸收系数，以及根据换算关系计算出待测气体的标定系数。

主控计算机，用于通过HITRAN数据库分别查询基准气体和待测气体的吸收参量，将基准气体和待测气体的吸收参量传送给所述激光气体传感器的微处理器，以及实时显示基准气体和待测气体的检测数值及计算数值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述主控计算机通过RS232接口与所述微处理器相连。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述基准气体为水汽、氧气、二氧化碳或氮气。