CN107389609A - 一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法 - Google Patents

一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法，该方法利用激光分别对0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、5％、7％、10％九种不同浓度的一氧化碳‑氮气混合气体进行扫描，得到所要的WMS‑2f信号，对系统进行定标，给出9个浓度下的WMS‑2f信号峰值高度与浓度之间的关系，拟合出定标公式，并利用该定标公式，反演出任意待测一氧化碳‑氮气混合气体的浓度。本发明利用多模激光光谱技术实现了对一氧化碳气体浓度的有效检测，用参考气体本身的光谱信息实现了对一氧化碳的选择性探测，排除了中心波长波动带来的干扰，并且系统组成简单，不需要参考池，激光器成本较低。

Description

一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法
技术领域
本发明属于气体检测领域，具体涉及一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法。
背景技术
一氧化碳有毒性、易爆炸，因此一氧化碳的浓度检测对人生安全以及生产安全有重要意义。目前用于一氧化碳气体的检测的多模二极管激光吸收光谱技术(TMDL-COSPEC-WMS)，其采用的多模激光器的发射谱比较复杂，被测气体在出射波长范围内有较多的吸收谱线，测量时，多模激光的模式竞争会使吸收光谱非常复杂。为此，TMDL-COSPEC-WMS技术引入了参考池，通过把测量信号和参考信号进行比对来反演气体浓度，从而消除多模激光模式竞争的影响。这种系统复杂，制约了它的进一步推广应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法，该方法不需要设置参考池，能够简化测量设备。
为实现上述目的，本发明提供一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测装置，包括激光器装置、样品池和数据采集分析装置，所述激光器装置包括锯齿波发生器、正弦波发生器、加法器、激光控制器、可调谐二极管激光器、准直透镜，所述数据采集分析装置包括反射镜、光电探测器、数据采集卡和计算机，正弦波发生器和锯齿波发生器输出端均连接加法器和数据采集卡输入端，加法器输出端连接激光控制器输入端，激光控制器输出端连接可调谐二极管激光器输入端，可调谐二极管激光器输出端连接准直透镜输入端，准直透镜输出端连接样品池进光口，样品出光口连接反射镜，反射镜反射后入射到光电探测器输入端，光电探测器输出端连接数据采集卡输入端，数据采集卡输出端连接计算机输入端。
基于上述检测装置的一种测量一氧化碳气体浓度的方法，包括以下步骤：
步骤一、调节激光器控制器温度为25℃、中心电流60mA，并设定由锯齿波发生器发出的用于扫描调制激光器的三角波的峰峰值为0.8V；以保证每个纵模在中心位置附近大约只有0.3cm-1(近似为0.05nm)的频移；
步骤二、利用高纯一氧化碳气体和高纯氮气配制不同浓度的一氧化碳-氮气(CO-N2)混合气体，在样品池中分别充入0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、5％、7％、10％的一氧化碳-氮气(CO-N2)混合气体。
步骤三、同步采集经样品多次反射后的出射信号以及三角波信号、正弦波信号，在相应的正弦波调制频率下对采集的来自样品池的信号进行解调，得到所要的WMS-2f信号；
步骤四、对系统进行定标，给出步骤二中9个浓度下的WMS-2f信号峰值高度与浓度之间的关系；
步骤五、对测量得到的所有浓度下的峰值高度进行多项式拟合，得出定标公式：X＝-1.2722+65.3014×P-504.2734×P2+2444.9629×P3；
式中：X代表气体浓度，P代表WMS-2f信号峰值高度；
第六步：对任意浓度CO-N2混合气体进行测量，利用步骤五中的定标公式，反演出待测CO-N2混合气体的浓度。
本发明使用发射谱较为稳定的带尾纤蝶形封装多模二极管激光器，通过调谐激光器的输出波长，使其同时发射的多个模式每次都能扫过相同的吸收谱线，由于探测器是对时域信号进行测量，测量时每次都可以得到上述几个模式经过吸收后的叠加信号。因为各模式每次都扫过相同的谱线，所以该叠加信号会很稳定。这种情况下，可以把参考池从系统中移除，从而简化系统。
本发明利用多模激光光谱技术实现了对一氧化碳气体浓度的有效检测，用参考气体本身的光谱信息实现了对一氧化碳的选择性探测，排除了中心波长波动带来的干扰，并且系统组成简单，不需要参考池，激光器成本较低；本系统对CO的探测极限约为30.3ppm。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是各浓度下得到的WMS-2f信号峰值高度与浓度之间的关系；
图3是多模激光器各纵模与CO吸收谱线的对应情况；
图4是各浓度下所测浓度值与已知浓度值之间的比较；
图中：1、锯齿波发生器，2、正弦波发生器，3、加法器，4、激光控制器，5、可调谐二极管激光器，6、准直透镜，7、样品池，8、反射镜，9、光电探测器，10、数据采集卡，11、计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测装置，包括激光器装置、样品池7和数据采集分析装置，所述激光器装置包括锯齿波发生器1、正弦波发生器2、加法器3、激光控制器4、可调谐二极管激光器5、准直透镜6，所述数据采集分析装置包括反射镜8、光电探测器9、数据采集卡10和计算机11，锯齿波发生器1和正弦波发生器2输出端均连接加法器3和数据采集卡11输入端，加法器3输出端连接激光控制器4输入端，激光控制器4输出端连接可调谐二极管激光器5输入端，可调谐二极管激光器5输出端连接准直透镜6输入端，准直透镜6输出端连接样品池7进光口，样品池7出光口连接反射镜8，反射镜反射后入射到光电探测器9输入端，光电探测器9输出端连接数据采集卡10输入端，数据采集卡10输出端连接计算机11输入端。
基于上述检测装置的一种测量一氧化碳气体浓度的方法，包括以下步骤：
步骤一、调节激光器控制器温度为25℃、中心电流60mA，并设定由锯齿波发生器发出的用于扫描调制激光器的三角波的峰峰值为0.8V；以保证每个纵模在中心位置附近大约只有0.3cm-1(近似为0.05nm)的频移；
步骤二、利用高纯一氧化碳气体和高纯氮气配制不同浓度的一氧化碳-氮气(CO-N2)混合气体，在样品池中分别充入0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、5％、7％、10％的一氧化碳-氮气(CO-N2)混合气体。
步骤三、同步采集经样品多次反射后的出射信号以及三角波信号、正弦波信号，在相应的正弦波调制频率下对采集的来自样品池的信号进行解调，得到所要的WMS-2f信号；
步骤四、对系统进行定标，给出步骤二中9个浓度下的WMS-2f信号峰值高度与浓度之间的关系；如图2所示，在浓度低于3％的范围，浓度和峰值高度之间有较好的线性关系，线性相关度R2＝0.991。
步骤五、对测量得到的所有浓度下的峰值高度进行多项式拟合，得出定标公式：X＝-1.2722+65.3014×P-504.2734×P2+2444.9629×P3；
式中：X代表气体浓度，P代表WMS-2f信号峰值高度；
第六步：对任意浓度CO-N2混合气体进行测量，利用步骤五中的定标公式，反演出待测CO-N2混合气体的浓度。
优选的，所述可调谐二极管激光器为多模激光器，且中心波长为1569.4nm。
优选的，所述样品池为长程吸收池，并非常规的光学吸收池，该样品池机械部分利用派热克斯玻璃或不锈钢材质的筒形腔体制成，光学部分由两片离散凹面镜组成，可以大大增加光程，以内部长度为55cm、体积为3.2L的筒形腔体为例，采用镜片反射率大于99％的派热克斯玻璃，光束在吸收池经182次反射后光程可达100m。达到了增加光程的目的，从而大大提高了系统的探测灵敏度，实现了对大气中的一氧化碳气体浓度的精准测量。
优选的，为提高灵敏度，样品池中的压强保持为0.2atm。
优选的，步骤五中所述的多项式拟合采用三阶多项式。
本发明使用的激光器为武汉欧迪电子科技提供的带尾纤蝶形封装二极管激光器，中心波长位于1569.4nm，波长覆盖了1564.4nm～1574.4nm，有近10nm的波长带宽，输出功率～2mW，相邻纵模间隔约为1.38nm。该激光器输出光谱稳定，不存在跳模现象，各个纵模之间等间距分布，各纵模的谱线半高宽约为0.15nm。
图3所示为该多模激光器在温度25℃、中心电流60mA时的各条纵模以及1564.4nm～1574.4nm范围内的CO吸收光谱。可以看出，激光器发射的纵模中有4条恰好能够覆盖到该范围内的4条较强的CO吸收谱线，该4条谱线分别位于6388.346cm-1、6383.0896cm-1、6377.4066cm-1和6371.2989cm-1处，图中分别把它们标记为#1、#2、#3和#4。
在一个很小的范围(比如10mA)内对激光器的中心电流进行扫描，很容易扫描出此四条吸收谱线的波形图，并且不会扫描到其他谱线，避免其它谱线带来干扰。激光器的各个纵模几乎是同时发射，所以这四条谱线会被同时采集到。由于探测器是在时域上对信号进行探测，通过探测器得到的信号应该是这四条谱线的叠加。使用的激光器性能稳定，模式强度变化对信号强度的影响很小，测量信号主要由被测气体的特性决定，类似于TDLAS-WMS技术中反演浓度的方法可以被使用，通过TMDL-WMS实现对气体浓度的测量。
使用该系统进行了一系列CO气体浓度的测量，把系统测得的CO浓度与配气时记录的浓度值进行了对比，验证了系统及方法的可靠性。测量值与已知记录值之间的对比结果如图4所示，纵坐标是两浓度值之间的比值，可以看出在低于10％浓度的情况下，测量值和已知值之间的一致性比较高，两者之间的平均偏差为2.57％。大于10％浓度的测量误差相对较大，平均偏差为6.67％。这是由于定标公式是针对浓度低于10％的情况得到的，所以在高浓度一端误差会增大。如果把系统应用到高浓度CO的测量，需针对高浓度情况重新定标。

Claims (5)

1.一种基于多模激光光谱技术的一氧化碳气体浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、调节激光器控制器温度为25℃、中心电流60mA，并设定由锯齿波发生器发出的用于扫描调制激光器的三角波的峰峰值为0.8V；以保证每个纵模在中心位置附近大约只有0.3cm-1的频移；
步骤二、利用高纯一氧化碳气体和高纯氮气配制不同浓度的一氧化碳-氮气混合气体，在样品池中分别充入0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、5％、7％、10％的一氧化碳-氮气混合气体。
步骤三、同步采集经样品多次反射后的出射信号以及三角波信号、正弦波信号，在相应的正弦波调制频率下对采集的来自样品池的信号进行解调，得到所要的WMS-2f信号；
步骤四、对系统进行定标，给出步骤二中9个浓度下的WMS-2f信号峰值高度与浓度之间的关系；
步骤五、对测量得到的所有浓度下的峰值高度进行多项式拟合，得出定标公式；
第六步、对任意浓度的一氧化碳-氮气混合气体进行测量，利用步骤五中的定标公式，反演出待测一氧化碳-氮气混合气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的一氧化碳气体浓度检测方法，其特征在于：可调谐激光器为多模激光器，且中心波长为1569.4nm。
3.根据权利要求1所述的一氧化碳气体浓度检测方法，其特征在于：所述样品池为长程吸收池。
4.根据权利要求1所述的一氧化碳气体浓度检测方法，其特征在于：步骤五中所述的多项式拟合采用三阶多项式，拟合出的定标公式为：
X＝-1.2722+65.3014×P-504.2734×P2+2444.9629×P3；
式中：X代表气体浓度，P代表WMS-2f信号峰值高度。
5.根据权利要求1所述的一氧化碳气体浓度检测方法，其特征在于：所述样品池中的压强保持为0.2atm。
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