CN107860726B - 准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法，包括如下特征：步骤1：得到二次谐波傅立叶分量；步骤2：得到二次谐波归一化的参考点；步骤3：得到待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系；步骤4：将依据准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波的幅值代入待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，得到待测气体的浓度。本发明能提高气体浓度的检测精度。

Description

准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法
技术领域
本发明涉及气体浓度检测技术领域，具体涉及一种准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法。
背景技术
准分布式气体浓度检测输出的波长调制光谱中，激光器输出的光波长被调制并且输出的二次谐波的幅值由锁定放大器完成检测。但是由于准分布式气体浓度检测输出的一次谐波的直流分量1f在偏移中不稳定性，会使信号发生倾斜，且一次谐波的直流分量1f中含有过大的激光器噪声，所以在气体浓度测量中二次谐波的直流分量2f的信噪比优于的一次谐波的直流分量1f。但是，由于基于波长调制光谱的二次谐波的直流分量2f信号没有经过校准，所以无法提供气体测量绝对值。
传统实现归一化二次谐波的直流分量2f的方法是使用一次谐波的直流分量1f的归一化，这是因为光谱吸收作用对于光学上信号的传输吸收强度低，一次谐波的直流分量1f的变化很小，这种变化可以忽略，因此，一次谐波的直流分量1f可以有效地用于二次谐波的直流分量2f的归一化。但是，当光学传输吸收条件发生改变，比如吸收强度变化时，一次谐波的直流分量1f的变化不能再被忽略，在这种条件下使用一次谐波的直流分量1f归一化二次谐波的直流分量2f中的非线性程度较高，必须在归一化处理中考虑。在目前进行的工作中，实验中使用甲烷浓度范围不满足假定光学弱吸收的要求，所以光学弱跃迁的条件满足当前的实验条件。因此，使用一次谐波的直流分量1f归一化二次谐波的直流分量2f的方法是无法满足高精度检测要求的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法，该方法能提高气体浓度的检测精度。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法，其特征在于，它包括如下特征：
步骤1：对准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波进行傅立叶分量表示得到二次谐波傅立叶分量；
步骤2：求出待测气体吸收后的光强信号的一次谐波与二次谐波的交点，然后将没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱与上述二次谐波傅立叶分量进行函数仿真，得到多个函数仿真交点，然后在上述多个函数仿真交点中选择其中一个距离上述一次谐波与二次谐波的交点最近的交点作为二次谐波归一化的参考点；
步骤3：再向气室中充入已知浓度的待测气体，用准分布式气体浓度传感器对上述已知浓度的待测气体进行检查得到已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波，在通过步骤2中得到的二次谐波归一化的参考点来确定已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值；
由于待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值为零时，对应的待测气体浓度为零，且还知道已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值，即可得到待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系；
步骤4：将准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波的幅值代入待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，即可得到待测气体的浓度。
本发明的有益效果：
本发明中归一化的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波信号主要且直接地取决于傅里叶分量的二次谐波。通过步骤2确定的参考点(其对应于二次谐波信号的最大峰值)，即可得到待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，由于反射强度与检测到的信号一起改变。所以将二次谐波信号归一化为平均激光强度和检测器增益的能消除激光输出功率波动和激光传输或光电检测器增益的变化造成的影响。
附图说明
图1为本发明中激光输出信号与其二次谐波幅值对应关系图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明的一种准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法，它包括如下特征：
步骤1：对准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波进行傅立叶分量表示得到二次谐波傅立叶分量；
步骤2：求出待测气体吸收后的光强信号的一次谐波与二次谐波的交点，然后将没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱与上述二次谐波傅立叶分量进行函数仿真，得到多个函数仿真交点，然后在上述多个函数仿真交点中选择其中一个距离上述一次谐波与二次谐波的交点最近的交点作为二次谐波归一化的参考点；
步骤3：再向气室中充入已知浓度的待测气体，用准分布式气体浓度传感器对上述已知浓度的待测气体进行检查得到已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波，在通过步骤2中得到的二次谐波归一化的参考点来确定已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值；
由于待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值为零时，对应的待测气体浓度为零，且还知道已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值，即可得到待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，如图1所示；
步骤4：将准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波的幅值代入待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，即可得到待测气体的浓度。
上述技术方案中，所述将没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱与上述二次谐波傅立叶分量进行函数仿真，得到多个函数仿真交点的具体方法为通过改变气体浓度检测用激光器的频率和波长，来扫描待测气体的波长得到光强与准分布式气体浓度传感器输出电压信号的增益的关系式，该关系式即为没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱，将该关系式与二次谐波傅立叶分量求交点，得到多个函数仿真交点。
上述技术方案中，对准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波进行傅立叶分量表示得到二次谐波傅立叶分量的具体方法为：
当吸收现象发生时，输出光强减弱，准分布式气体浓度传感器的输入输出可以表示为：
It(t)＝I0(t)τ(ν+a cosωt) (1)
其中，It(t)表示准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号，I0(t)表示准分布式气体浓度传感器的输入光强信号，τ表示光吸收的传输系数，是周期性变化的，ν表示待测气体的波数，根据气体种类不同而不同与波长相关，a表示待测气体的波长调制系数，ω表示调制信号正弦波的角度参数，t表示调制信号正弦波的时间参数，It(t)的傅里叶余弦级数展开表示为：
Figure BDA0001439122220000041
其中，
Figure BDA0001439122220000042
H0(ν,a)表示傅里叶级数展开函数，该式与ν和a有关，dθ表示微积分式子，Hk(ν,a)表示傅里叶级数的第K个展开式，coskθdθ表示Hk(ν,a)的微积分关系式；
分析(1)和(2)，可以看到输出信号包含了激光器的调制信号，归一化的二次谐波信号主要且直接地取决于傅里叶分量的二次谐波。二次谐波峰峰值S2f(ν)与准分布式气体浓度传感器输出电压信号的增益GI0(ν)的比值可以消除激光输出功率波动和激光传输或光电检测器增益的变化的影响。这是将二次谐波信号归一化为平均激光强度和检测器增益的主要优点。
Figure BDA0001439122220000051
其中，H2(ν,a)表示傅里叶级数的第2个展开式，i0(ν)表示气体浓度传感器输出的与待测气体的波数有关的电流值，H1(ν,a)表示傅里叶级数的第1个展开式，H3(ν,a)表示傅里叶级数的第3个展开式。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种准分布式气体浓度检测二次谐波归一化方法，其特征在于，它包括如下特征：
步骤1：对准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波进行傅立叶分量表示得到二次谐波傅立叶分量；
步骤2：求出待测气体吸收后的光强信号的一次谐波与二次谐波的交点，然后将没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱与上述二次谐波傅立叶分量进行函数仿真，得到多个函数仿真交点，然后在上述多个函数仿真交点中选择其中一个距离上述一次谐波与二次谐波的交点最近的交点作为二次谐波归一化的参考点；
步骤3：再向气室中充入已知浓度的待测气体，用准分布式气体浓度传感器对上述已知浓度的待测气体进行检查得到已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波，在通过步骤2中得到的二次谐波归一化的参考点来确定已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值；
由于待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值为零时，对应的待测气体浓度为零，且还知道已知浓度的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值，即可得到待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系；
步骤4：将准分布式气体浓度传感器输出的待测气体吸收后的光强信号的二次谐波的幅值代入待测气体浓度与待测气体吸收后的光强信号的二次谐波幅值的线性关系，即可得到待测气体的浓度；
所述将没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱与上述二次谐波傅立叶分量进行函数仿真，得到多个函数仿真交点的具体方法为通过改变气体浓度检测用激光器的频率和波长，来扫描待测气体的波长得到光强与准分布式气体浓度传感器输出电压信号的增益的关系式，该关系式即为没有被待测气体吸收的激光的波长调制光谱，将该关系式与二次谐波傅立叶分量求交点，得到多个函数仿真交点。
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