CN107063553A - 一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置和方法 - Google Patents
一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，还公开了一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，本发明测量方法基于波长调制吸收光谱技术，使用数字锁相和低通滤波处理透射光强信号得到其扣除背景的二次谐波和一次谐波归一化的二次谐波信号，建立了仿真信号二次谐波峰值特征与压强的关系，同时建立了仿真信号一次谐波归一化二次谐波峰值与浓度的关系，并采用插值的方法计算得到待测气体压强和组分浓度信息。本发明测量方法具有非侵入性、响应速度快、灵敏度高等特点，适用于工业现场气体压强和组分浓度的同时测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，还涉及一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，属于激光吸收光谱技术领域。
背景技术
可调谐激光吸收光谱技术利用被测气体中组分的激光吸收特性，可以实现组分浓度、温度、压强、速度等参数的在线测量。作为一种光学测量技术，可调谐激光吸收光谱技术具有非接触式、高灵敏度、高时间分辨率等特点，在大气环境检测和燃烧诊断等领域具有广阔的应用前景。可调谐激光吸收光谱技术主要分为直接吸收光谱技术和波长调制光谱技术两种方法。
压强和组分浓度是流场中十分重要的参数，在被测气体区域，压强对谱线的福伊特线型展宽存在影响，因此实时准确地测量压强对气体浓度的测量十分必要。与点测量的传统压强传感器不同，可调谐激光吸收光谱技术测量结果反映的是整个流场内部的压强。直接吸收光谱技术通过处理透射光强和入射光强的比值得到气体吸收系数，从而得到气体参数信息。该方法技术操作简单，无需标定，通过福伊特线型拟合得到碰撞展宽，从而得到压强，但该方法对于基线拟合误差敏感，容易受低频噪声的影响。波长调制光谱技术通过对激光信号进行高频率调制，经过锁相滤波后，检测谐波信号计算得到气体参数，有效避开了低频噪声，能够显著提高信噪比，实现更高精度的测量。目前波长调制光谱技术普遍采用四次谐波峰值与二次谐波峰值之比测量压强，但四次谐波对探测器带宽需求高，同时锁相滤波计算量大，不易于硬件实现。且随着谐波次数的增大，谐波信号的强度逐渐衰减，因此工业场合中四次谐波信号的信噪比较低，无法精确地提取信号峰值，从而降低压强测量的准确度。压强不确定度进一步影响二次谐波检测测量气体浓度的准确度。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种利用波长调制光谱同时测量气体压强和组分浓度的装置和方法，该测量方法不需要对测量装置进行压强和浓度的标定；通过扣除背景处理，消除了干涉条纹和剩余幅度调制的影响；通过峰值比和归一化处理，消除了颗粒散射、窗口污染等非吸收光强损失的影响，大大提高了测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，依次包括函数发生器、温度电流控制器、分布反馈式激光器和激光分束器；函数发生器编译的波形函数经温度电流控制器调控后，再用分布反馈式激光器对出光进行波长调制，调制后的激光通过激光分束器，一路经准直透镜准直后通过测量区域得到吸收信号通过光电探测器传入信号采集系统中；一路先采用准直透镜准直，再经对应波长标准具来确定出光频率和时间的关系，透射光强穿过光电探测器接入信号采集系统进行储存与算法处理；测量区域通过球形阀分别连接真空泵和压强表，真空泵用来调节测量区域的气体压强，压强表用来测量测量区域的气体压强。
一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过现场测量得到零吸收背景信号I0和透射光强信号It，使用锁相放大和数字低通滤波器处理I0、It信号，得到测量信号的各次谐波信号；设置n的初始值为0，同时给出待测气体压力和浓度的初始值分别为P0、X0，并设定收敛阈值ε；
步骤2，计算It对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RM；计算It对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为提取的中心峰值，记为KM；
步骤3，结合组分浓度Xn、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同压力P下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取的的三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RP，得到压力P与RP的关系曲线P-RP曲线；
步骤4，将RM带入步骤3中的P-RP曲线，使用插值的方法计算得到Pn+1；
步骤5，结合压力Pn+1、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同浓度X下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的一次谐波归一化的二次谐波信号，记为提取的的中心峰值，记为KX，得到浓度X与KX的关系曲线X-KX曲线；
步骤6，将KM带入步骤5中的X-KX曲线，使用插值的方法计算得到Xn+1；
步骤7，判断是否满足：
|Xn+1-Xn|/Xn＜ε；
若满足，则迭代终止，将Pn+1、Xn+1作为待测气体的压强和组分浓度输出；若不满足，则令n＝n+1，返回步骤3，重复步骤3～步骤7，直至满足终止准则。
其中，步骤1中，透射光强信号It表示为：
It＝I0(exp(-PXLS(T)φ(v(t)，T)))；
其中，I0为入射光强度，It为透射光强度，P为压力，X为气体吸收组分的摩尔分数，L为光束穿过探测区域的光程，S(T)为谱线强度，是温度T的函数，φ为线型函数，v为激光频率。
其中，步骤1中，通过数字锁相滤波得到吸收信号的各次谐波信号的X分量和Y分量：
其中，ik为光强的线性与非线性调制幅度，ψk为对应相角，Hn为第n阶谐波系数；X分量和Y分量中，当n＝k时，δnk＝1；n≠k时，δnk＝0；
吸收信号多次谐波的幅值可以表示为：
其中，步骤2中，计算得到扣除背景的二次谐波信号，和分别为背景信号二次谐波的分量。
其中，步骤2中，通过区域寻峰程序提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心与心峰值的比值，记为RM。
其中，步骤2中，计算It对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为通过寻峰程序提取的中心峰值：
本发明测量方法基于波长调制吸收光谱技术，使用数字锁相和低通滤波处理透射光强信号得到其扣除背景的二次谐波和一次谐波归一化的二次谐波信号，建立了仿真信号二次谐波峰值特征与压强的关系，同时建立了仿真信号一次谐波归一化二次谐波峰值与浓度的关系，并采用插值的方法计算得到待测气体压强和组分浓度信息。本发明测量方法具有非侵入性、响应速度快、灵敏度高等特点，适用于工业现场气体压强和组分浓度的同时测量。
与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明同时测量压强和组分浓度的方法只需要使用一条吸收谱线，在选择吸收谱线和激光光源时具有很大的灵活性；其从二次谐波信号特征上计算压强，从一次谐波归一化二次谐波上计算组分浓度，通过迭代算法实现了压强和浓度的同时测量，本发明方法具有收敛速度快、计算精度高、对初值不敏感的优点；随着谐波次数的增大，谐波信号的强度逐渐衰减，相对于四次谐波与二次谐波峰值，本发明所需二次谐波信号的峰值特征更易于提取，对探测器带宽需求更小，锁相滤波处理模块计算量更小，更易于硬件实现。
附图说明
图1是本发明测量装置的结构原理图；
其中，函数发生器1、温度电流控制器2、分布反馈式激光器3、激光分束器4、准直透镜5、标准具6、光电探测器7、信号采集系统8、测量区域9、压强表10、球形阀11、真空泵12；
图2是本发明测量方法的方法流程图；
图3是本发明实施例1中扣除背景后的二次谐波信号；
图4是本发明实施例1中一次谐波归一化二次谐波信号；
图5是本发明实施例1中设定浓度，建立的仿真透射光强二次谐波峰值比与压强的曲线；
图6是本发明实施例1中设定压强，建立的仿真透射光强2f/1f信号峰值与浓度的曲线；
图7是本发明实施例1中压强变化时的压强测量结果；
图8是本发明实施例1中压强变化时的组分浓度测量结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
如图1所示，本发明利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，依次包括函数发生器1、温度电流控制器2、分布反馈式激光器3和激光分束器4；函数发生器1编译的波形函数经温度电流控制器2调控后，再用分布反馈式激光器3对出光进行波长调制，调制后的激光通过激光分束器4，一路经准直透镜5准直后通过测量区域9得到吸收信号通过光电探测器7传入信号采集系统8中；一路先采用准直透镜5准直，再经对应波长标准具6来确定出光频率和时间的关系，透射光强穿过光电探测器7接入信号采集系统8进行储存与算法处理；测量区域9通过球形阀11分别连接真空泵12和压强表10，真空泵12用来调节测量区域9的气体压强，压强表10用来测量测量区域9的气体压强。
如图2所示，本发明利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过现场测量得到零吸收背景信号I0和透射光强信号It，使用锁相放大和数字低通滤波器处理I0、It信号，得到测量信号的各次谐波信号；设置n的初始值为0，同时给出待测气体压力和浓度的初始值分别为P0、X0；
步骤2，计算It对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RM；计算It对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为提取的中心峰值，记为KM；
步骤3，结合组分浓度Xn、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同压力P下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取的的三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RP，得到压力P与RP的关系曲线P-RP曲线，
步骤4，将RM带入步骤3中的P-RP曲线，使用插值的方法计算得到Pn+1；
步骤5，结合压力Pn+1、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同浓度X下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的一次谐波归一化的二次谐波信号，记为提取的的中心峰值，记为KX，得到浓度X与KX的关系曲线X-KX曲线；
步骤6，将KM带入步骤5中的X-KX曲线，使用插值的方法计算得到Xn+1；
步骤7，判断是否满足：
|Xn+1-Xn|/Xn＜ε
若满足，则迭代终止，将Pn+1、Xn+1作为待测气体的压强和组分浓度输出；若不满足，则更新n＝n+1，返回步骤3，重复步骤3～步骤7，直至满足终止准则。
本发明测量方法从二次谐波信号中提取压强信息，不需要测量更高次谐波，光电探测器带宽需求小，同时本发明测量方法也不需要对测量装置进行压强和浓度的标定，通过扣除背景处理，消除了干涉条纹和剩余幅度调制的影响，通过峰值比和归一化处理，消除了颗粒散射、窗口污染等非吸收光强损失的影响。
实施例1
实施例1使用本发明方法测量标准浓度CO(余气为N2)，在压强为1atm、充满浓度为1.02％的CO标准气体的气池进行测量。图3是实施例1中扣除背景后的二次谐波信号；图4是实施例1中一次谐波归一化二次谐波信号；图5是实施例1中设定浓度，建立的仿真透射光强二次谐波峰值比与压强的曲线；图6是实施例1中设定压强，建立的仿真透射光强2f/1f信号峰值与浓度的曲线。通过真空泵装置设置多个不同压强的状态，浓度保持为1.02％，图7为设定压强测量结果，图8为CO组分浓度测量结果，压强与设定值吻合良好，浓度相对误差均小于1％。本发明测量方法收敛速度快、计算精度高、对初值不敏感，测量压强和浓度都能够快速收敛。
本发明测量方法基于二次谐波、一次谐波归一化的二次谐波信号和迭代算法，实现了气体压强和组分浓度的同时测量。该方法从二次谐波信号的特征上计算压强，和四次谐波与二次谐波峰值之比的方法相比，二次谐波信号信噪比更高，探测器带宽需求更小，同时锁相滤波计算量小，更易于硬件实现；压强的准确测量，进一步提高了浓度测量的准确性；采用不同吸收组分的谱线，可以实现多个组分和压强的同时测量，即选择不同吸收组分的谱线，可以实现气体中其它组分浓度与压强的同时测量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的装置，其特征在于：依次包括函数发生器、温度电流控制器、分布反馈式激光器和激光分束器；函数发生器编译的波形函数经温度电流控制器调控后，再用分布反馈式激光器对出光进行波长调制，调制后的激光通过激光分束器，一路经准直透镜准直后通过测量区域得到吸收信号通过光电探测器传入信号采集系统中；一路先采用准直透镜准直，再经对应波长标准具来确定出光频率和时间的关系，透射光强穿过光电探测器接入信号采集系统进行储存与算法处理；测量区域通过球形阀分别连接真空泵和压强表，真空泵用来调节测量区域的气体压强，压强表用来测量测量区域的气体压强。
2.一种利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1，通过现场测量得到零吸收背景信号I0和透射光强信号It，使用锁相放大和数字低通滤波器处理I0、It信号，得到测量信号的各次谐波信号；设置n的初始值为0，同时给出待测气体压力和浓度的初始值分别为P0、X0，并设定收敛阈值ε；
步骤2，计算It对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RM；计算It对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为提取的中心峰值，记为KM；
步骤3，结合组分浓度Xn、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同压力P下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的扣除背景的二次谐波信号，记为提取的的三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心峰值的比值，记为RP，得到压力P与RP的关系曲线P-RP曲线；
步骤4，将RM带入步骤3中的P-RP曲线，使用插值的方法计算得到Pn+1；
步骤5，结合压力Pn+1、I0和Beer-Lambert定律，仿真不同浓度X下的透射光强对进行参数相同的锁相放大和数字滤波处理，计算对应的一次谐波归一化的二次谐波信号，记为提取的的中心峰值，记为KX，得到浓度X与KX的关系曲线X-KX曲线；
步骤6，将KM带入步骤5中的X-KX曲线，使用插值的方法计算得到Xn+1；
步骤7，判断是否满足：
|Xn+1-Xn|/Xn＜ε；
若满足，则迭代终止，将Pn+1、Xn+1作为待测气体的压强和组分浓度输出；若不满足，则令n＝n+1，返回步骤3，重复步骤3～步骤7，直至满足终止准则。
3.根据权利要求2所述的利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：步骤1中，透射光强信号It表示为：
It＝I0(exp(-PXLS(T)φ(v(t)，T)))；
其中，I0为入射光强度，It为透射光强度，P为压力，X为气体吸收组分的摩尔分数，L为光束穿过探测区域的光程，S(T)为谱线强度，是温度T的函数，φ为线型函数，v为激光频率。
4.根据权利要求2所述的利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：步骤1中，通过数字锁相滤波得到吸收信号的各次谐波信号的X分量和Y分量：
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其中，ik为光强的线性与非线性调制幅度，ψk为对应相角，Hn为第n阶谐波系数；X分量和Y分量中，当n＝k时，δnk＝1；n≠k时，δnk＝0；
吸收信号多次谐波的幅值可以表示为：
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5.根据权利要求2所述的利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：步骤2中，计算得到扣除背景的二次谐波信号，和分别为背景信号二次谐波的分量。
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6.根据权利要求2所述的利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：步骤2中，通过区域寻峰程序提取三个峰值，计算出两侧峰值之和与中心与心峰值的比值，记为RM。
7.根据权利要求2所述的利用波长调制光谱测量气体压强和组分浓度的方法，其特征在于：步骤2中，计算It对应的一次谐波归一化二次谐波信号，记为通过寻峰程序提取的中心峰值：
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