CN108426832A - 多组分气体的浓度检测方法、装置及系统 - Google Patents

多组分气体的浓度检测方法、装置及系统 Download PDF

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CN108426832A CN201810218435.1A CN201810218435A CN108426832A CN 108426832 A CN108426832 A CN 108426832A CN 201810218435 A CN201810218435 A CN 201810218435A CN 108426832 A CN108426832 A CN 108426832A
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胡杰
李艳芳
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Abstract

本发明提供了一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统；其中，该方法包括：采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。本发明实现了单一光源下多组分气体的同步检测，消除了不同气体之间的交叉干扰，提高了检测灵敏度和精度。

Description

多组分气体的浓度检测方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及激光光谱分析技术领域，尤其是涉及一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统。
背景技术
近年来，基于光学方法的气体检测方式检测灵敏度高，无需制样，易于维护，易于实现区域及原位实时在线检测，因此在气体分析领域越来越受到重视。目前得到实际应用的主要光学检测方法有差分吸收激光雷达技术DIAL(Differential Absorption Lidar)、差分吸收光谱技术DOAS(Differential Optical Absorption Spectroscopy)、傅里叶变换红外光谱技术FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)、激光诱导荧光技术LIF(Laser-Induced Fluorescence)、激光诱导击穿光谱LIBS(Laser Induced BreakdownSpectroscopy)和可调谐激光吸收光谱技术TDLAS(Tunable Diode Laser AbsorptionSpectroscopy)。
常用的多组分气体检测方法主要有时分复用、波分复用和频分复用方法。时分复用方法通过多个激光器的循环顺序切换实现多组分气体的检测；波分复用方法通过多个激光器分别发出检测气体对应的吸收波长，利用光纤分束器实现多组分气体的检测；频分复用方法基于二次谐波光谱分析方法，利用不同倍频的谐波信号实现多组分气体的检测。以上方法均是针对多个激光器而言，实现多少组分气体的检测就需要多少支激光器、相应数量的电流驱动模块和温控模块，增加了系统成本和系统响应时间。现有的单一光源对多种气体同时检测的技术较少，且一般对半导体激光器采用温度调制光谱；采用温度调制会增加气体检测的响应时间，降低检测灵敏度。
此外，在中红外或近红外吸收波段，很多气体之间都存在一定的吸收干扰，包括待测目标气体之间的交叉干扰和待测目标气体与外界环境中其他气体的交叉干扰(如水汽等)。由于各种交叉干扰的存在，使得现有的多组分气体检测灵敏度和精度受到了极大的限制，成为了多组分气体检测中的技术瓶颈。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供多组分气体的浓度检测方法、装置及系统，以降低多组分气体浓度检测中气体之间的交叉干扰，提高检测灵敏度和精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种多组分气体的浓度检测方法，该方法包括采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号的步骤，包括：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，通过下述方式确定：通过HITRAN数据库和实验室通气实验，确定调制波长范围，确定待测混合气体中的气体种类；采集每种气体的吸收光谱，计算各类气体的吸收峰位置；在各类气体的吸收峰位置处，确定气体吸收截面的宽度，将宽度作为所述窗口的大小。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面的步骤，包括：
对每种气体Gi(i＝1,2,…,n)，进行下述操作：
计算当前气体在浓度cj下的吸收率αj：
其中，i代表气体的种类；j代表浓度的种类；I0为背景气体的光谱信号，Ij为气体Gi的光谱吸收信号；
计算当前气体在浓度cj下，各窗口内的吸收截面aij：
其中，Pi为各气体Gi的吸收峰位置；N为对应窗口的大小；Ai1＝{ai1,ai2,...,aim}为当前气体在各浓度cj下，吸收截面的组合。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，通过下述方式获得：建立吸收峰位置Pi处吸收截面与浓度的对应关系Ai1＝fi1(C)；其中，C为当前气体的浓度。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，计算混合气体中各类气体的浓度的步骤，包括：
计算待测混合气体的光谱吸收率其中，IH为待测混合气体的光谱吸收信号；
计算待测混合气体的在各吸收峰位置的窗口内的吸收截面
通过下述公式，计算待测混合气体中，各类气体的浓度：
其中，Aik＝fik(Ck)(i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…l)为第k种气体在吸收峰位置Pi处的吸收截面；C1,C2,…Cl分别为各类气体的浓度。
第二方面，本发明实施例提供了一种多组分气体的浓度检测装置，包括：信号采集模块，用于采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；吸收截面计算模块，用于根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；浓度计算模块，用于根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，信号采集模块还用于：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
第三方面，本发明实施例提供了一种多组分气体的浓度检测系统，包括微处理器、光电探测器、传感探头、参考气室和激光发生器；上述装置设置于微处理器中。
结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，激光发生器包括半导体激光器控制器、半导体激光器和耦合器
本发明实施例提供了一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统。采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；接下来根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。该方式实现了单一光源下多组分气体的同步检测，消除了不同气体之间的交叉干扰，提高了检测灵敏度和精度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种多组分气体的浓度检测方法中，标定过程的流程图；
图3为本发明实施例提供的另一种多组分气体的浓度检测方法中，检测过程的流程图；
图4为本发明实施例提供的同一波段，两种气体的吸收光谱对比图；
图5为本发明实施例提供的包含两种气体的混合气体的吸收光谱图；
图6为本发明实施例提供的同一波段，三种气体的吸收光谱对比图；
图7为本发明实施例提供的包含三种气体的混合气体的吸收光谱图；
图8为本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
由于气体之间存在交叉干扰，采用光学方法对于多组分气体浓度的检测灵敏度和精度较低。基于此，本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测方法、装置及系统，可以用于混合气体中的各气体浓度的检测及复杂环境中单一气体的浓度检测。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种多组分气体的浓度检测方法进行详细介绍。
参见图1所示的一种多组分气体的浓度检测方法的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S102，采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；
上述步骤S102，具体通过以下方式实现：
(1)通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；
(2)通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
步骤S104，根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；
上述预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，通过下述方式确定：
(1)通过HITRAN(High Resolution Transmission)数据库和实验室通气实验，确定调制波长范围，确定待测混合气体中的气体种类；其中，HITRAN数据库中包含多种气体的光谱吸收参数，可通过该数据库预测和模拟包括大气在内的气体介质中的光的传输和发射；
(2)采集每种气体的吸收光谱，计算各类气体的吸收峰位置；
(3)在各类气体的吸收峰位置处，确定气体吸收截面的宽度，将宽度作为所述窗口的大小。
具体地，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面的步骤，包括：
对每种气体Gi(i＝1,2,…,n)，进行下述操作：
(1)计算当前气体在浓度cj下的吸收率αj：
其中，i代表气体的种类；j代表浓度的种类；I0为背景气体的光谱信号，Ij为气体Gi的光谱吸收信号；
(2)计算当前气体在浓度cj下，各窗口内的吸收截面aij：
其中，Pi为各气体Gi的吸收峰位置；N为对应窗口的大小；Ai1＝{ai1,ai2,...,aim}为当前气体在各浓度Cj下，吸收截面的组合。
步骤S106，根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。
上述预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，通过下述方式获得：建立吸收峰位置Pi处吸收截面与浓度的对应关系Ai1＝fi1(C)；其中，C为当前气体的浓度。
具体地计算混合气体中各类气体的浓度的步骤，包括：
(1)计算待测混合气体的光谱吸收率其中，IH为待测混合气体的光谱吸收信号；
(2)计算待测混合气体的在各吸收峰位置的窗口内的吸收截面
(3)通过下述公式，计算待测混合气体中，各类气体的浓度：
其中，Aik＝fik(Ck)(i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…l)为第k种气体在吸收峰位置Pi处的吸收截面；C1,C2,…Cl分别为各类气体的浓度。
本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测方法，采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；接下来根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度；该方式实现了单一光源下多组分气体的同步检测，消除了不同气体之间的交叉干扰，提高了检测灵敏度和精度。
本发明实施例还提供了另一种多组分气体的浓度检测方法；该方法在图1中所示方法基础上实现；该方法主要分为两个部分：标定过程和检测过程。
参见图2所示的另一种多组分气体的浓度检测方法中，标定过程的流程图，包括如下步骤：
步骤S202，设置主要参数；其中主要参数包括：待检测气体的种类和数量、待检测气体的吸收峰位置及吸收截面窗口；
上述步骤S202，具体可以通过下述方式实现：
(1)通过参考HITRAN数据库及实验室通气实验，选择最佳的调制波长范围，确定待测气体的种类和数量，记为Gi(i＝1,2,…,n)分别代表第1种、第2种、…、第n种气体；
(2)确定待测气体种类后，向传感探头中充入待测的标准气体，得到各待测气体的吸收光谱，从而计算出各组分气体的吸收峰位置，记为Pi(i＝1,2,…,n)分别代表第1种、第2种、…、第n种气体的吸收峰位置；
(3)根据各待测气体的吸收光谱信号，在各吸收峰位置处选择一小部分气体吸收截面作为标定参数，标记N代表吸收截面窗口大小，当N＝0时，窗口内吸收截面为单点的吸收率。
步骤S204，记录背景气体的光谱和各种待测气体的吸收光谱；
上述步骤S204，具体可以通过下述方式实现：
(1)向传感探头中充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0；其中，由于N2在各个波段对激光几乎没有吸收，因此选择N2作为背景气体。
(2)记当前气体为G1。分别向传感探头中充入m种不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)的气体G1，其中m≥3，得到m种气体G1的吸收光谱Ij(j＝1,2,…,m)。
步骤S206，计算待测气体在窗口内的吸收截面。
上述步骤S206，具体可以通过下述方式实现：
(1)根据公式(1)，计算当前气体在不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)下的吸收率αj：
(2)根据上述设定的当前气体吸收峰位置Pi(i＝1,2,…,n)和窗口大小N，依照公式(2)可得不同浓度的当前气体在窗口内的吸收截面aij，统称为Ai1：
步骤S208，建立各种待测气体的吸收截面与其浓度之间的关系。
具体地，根据上述窗口内的吸收截面Ai1，针对每一个吸收峰位置Pi，以浓度cj为横坐标，aij为纵坐标，可得吸收峰位置aij处的吸收截面与浓度之间的关系Ai1＝fi1(C1)，其中C1为气体G1浓度的统称。
针对所有气体G1、气体G2、…、气体Gn，均进行标定，则可得关系式Ai1＝fi1(C1)，Ai2＝fi2(C2)，…，Ain＝fin(Cn)，其中C1为气体G1浓度的统称，C2为气体G2浓度的统称，…，Cn为气体Gn浓度的统称，标定完成。
参见图3所示的另一种多组分气体的浓度检测方法中，检测过程的流程图，包括如下步骤：
步骤S302，采集背景光谱和待测混合气体的光谱吸收信号
上述步骤302具体由以下方式实现：
(1)向传感探头内充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0。
(2)向传感探头中充入待测气体混合气，利用光电探测器和数据采集卡采集混合气体吸收光谱I。
步骤S304，计算混合气体在各个预设窗口内的吸收截面；
上述步骤304具体由以下方式实现：
(1)计算混合气体吸收光谱吸收率
根据标定过程中设定的当前气体吸收峰位置Pi和窗口大小N，依照公式(3)可得到混合气体在n个吸收峰处的窗口内的吸收截面Yi：
步骤S306，确立各吸收截面与各组分气体浓度的关系，计算得到各组分气体浓度。
具体地，由于混合气体在吸收峰Pi处的吸收截面为各组分气体在Pi处的吸收截面之和，故有：
Yi＝Ai1+Ai1+…+Ain (4)
根据标定步骤四和标定步骤五中得到的吸收截面与浓度的关系可得：
Yi＝fi1(C1)+fi2(C2)+…+fin(C1n) (5)
从而建立了混合吸收光谱中吸收截面与各组分气体浓度之间的关系，进而可以计算出各组分气体浓度C1,C2,…,Cn。
本发明实施例提供的一种多组分气体的浓度检测方法具有如下优点：
1、控制半导体激光器的工作电流连续变化，工作温度恒定，半导体激光器输出波长覆盖多组分气体的激光吸收光谱区域，实现基于单一光源的多组分气体同步检测，减少了光源的使用个数，从而降低的装置的成本和响应时间。
2、通过分析各组分气体的吸收光谱特性，在各个吸收峰处设定窗口大小，建立窗口内的吸收截面与各组分气体浓度之间的关系模型，消除多组分气体之间或其它干扰气体吸收光谱重叠带来的交叉干扰，可以高精度测量多组分气体浓度，不受气体数量的限制。
本发明实施例还提供了另一种多组分气体的浓度检测方法；该方法在图2和图3中所示方法基础上实现，待测混合气体为两种气体混合而成。首先进行气体标定，具体步骤如下：
(1)确定待测气体的数量为2种，记为G1和G2代表气体1和气体2；分别向传感探头中充入两种气体，得到G1和G2的吸收光谱，计算出气体1和气体2的吸收峰位置，分别为P1＝105和P2＝128；设置吸收截面窗口大小为N＝5。
(2)向传感探头中充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0；
(3)分别向传感探头中充入m种不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)的气体G1，其中m≥3，得到m种气体G1的吸收光谱Ij(j＝1,2,…,m)；
(4)计算当前气体在不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)下的吸收率αj，从而计算不同浓度的当前气体在每个吸收峰处窗口内的吸收截面aij，统称为Ai1；
(5)在吸收峰P1处，以浓度Cj为横坐标，a1j为纵坐标，得到吸收截面与浓度的关系A11＝f11(C1)，其中C1为气体G1浓度的统称。
在吸收峰P2处，以浓度Cj为横坐标，a2j为纵坐标，得到吸收截面与浓度的关系A21＝f21(C1)，其中C1为气体C1浓度的统称。
(6)对于气体G2，重复上述步骤(3)-(5)，可得到关系式A12＝f12(C2)和A22＝f22(C2)，其中C2为气体G2浓度的统称。参见如图4所示的同一波段，两种气体的吸收光谱对比图。
气体浓度检测过程步骤如下：
(1)向传感探头中充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0；
(2)向传感探头中充入未知浓度的气体1和气体2混合气，利用光电探测器和数据采集卡采集混合气体吸收光谱I；参见图5所示的包含两种气体的混合气体的吸收光谱图。
(3)计算得到混合气体吸收光谱吸收率α，从而计算混合气体在吸收峰P1和P2处的窗口内的吸收截面Y1和Y2，
(4)在吸收峰位置P1和P2处的窗口内的吸收截面为：
根据标定方法中得到的吸收截面与浓度的关系可得，
通过式(8)便可计算出气体1和气体2的浓度C1，C2。
本发明实施例还提供了另一种多组分气体的浓度检测方法；该方法在图2和图3中所示方法基础上实现，待测混合气体为三种气体混合而成。首先进行气体标定，具体方法如下：
(1)确定待测气体的数量为3种，记为G1、G2和G3代表气体1、气体2和气体3；分别向传感探头种充入三种气体，得到G1、G2和G3的吸收光谱，计算出气体1、气体2和气体3的吸收峰位置，分别为P1＝301，P2＝381和P3＝435；设置吸收截面窗口大小为N＝10。
(2)向传感探头中充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0；
(3)分别向传感探头中充入m种不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)的气体G1，其中m≥3，得到m种气体G1的吸收光谱Ij(j＝1,2,…,m)；
(4)计算当前气体在不同浓度Cj(j＝1,2,…,m)下的吸收率αj，从而计算不同浓度的当前气体在每个吸收峰处窗口内的吸收截面aij，统称为Ai1；
(5)在吸收峰P1处，以浓度Cj为横坐标，a1j为纵坐标，得到吸收截面与浓度的关系A11＝f11(C1)，其中C1为气体G1浓度的统称。
在吸收峰P2处，以浓度Cj为横坐标，a2j为纵坐标，得到吸收截面与浓度的关系A21＝f21(C1)，其中C1为气体C1浓度的统称。
在吸收峰P3处，以浓度Cj为横坐标，a3j为纵坐标，得到吸收截面与浓度的关系A31＝f31(C1)，其中C1为气体C1浓度的统称。
(6)对于气体G2和G3，重复上述步骤(3)-(5)，可得到关系式A12＝f12(C2)，A22＝f22(C2)和A32＝f32(C2)其中C2为气体G2浓度的统称；A13＝f13(C3)和A23＝f23(C3)，A33＝f33(C3)。参见如图7所示的同一波段，三种气体的吸收光谱对比图。
气体浓度检测方法步骤如下：
(1)向传感探头中充入纯N2，得到零吸收时的背景光谱信号I0；
(2)向传感探头中充入未知浓度的气体1、气体2和气体3的混合气，利用光电探测器和数据采集卡采集混合气体吸收光谱I；参见图8所示的包含三种气体的混合气体的吸收光谱图。
(3)计算得到混合气体吸收光谱吸收率α，从而计算混合气体在吸收峰P1，P2和P3处的窗口内的吸收截面Y1，Y2和Y3，
(4)确立吸收截面与浓度的关系
在吸收峰位置P1，P2和P3处的窗口内的吸收截面为：
根据标定方法中得到的吸收截面与浓度的关系可得，
通过式(10)便可计算出气体1、气体2和气体3的浓度C1，C2和C3。
本发明实施例提供的多组分气体的浓度检测方法，将干扰气体作为一种或几种目标气体，实现干扰气体浓度和待测的目标气体浓度同步检测；与采用去除干扰气体对目标气体的影响的方法相比，该方法的检测灵敏度与精度更高。
参见图8所示的一种多组分气体的浓度检测装置的结构示意图，该装置包括：信号采集模块802，用于采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；吸收截面计算模块804，用于根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；浓度计算模块806，用于根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算混合气体中各类气体的浓度。
上述信号采集模块还用于：通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，背景气体包括氮气；通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
上述浓度计算模块还用于：
计算待测混合气体的光谱吸收率其中，IH为待测混合气体的光谱吸收信号；
计算待测混合气体的在各吸收峰位置的窗口内的吸收截面
通过下述公式，计算待测混合气体中，各类气体的浓度：
其中，Aik＝fik(Ck)(i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…l)为第k种气体在吸收峰位置Pi处的吸收截面；C1,C2,…Cl分别为各类气体的浓度。
本发明实施例提供的多组分气体的浓度检测装置，与上述实施例提供的多组分气体的浓度检测方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
参见图9所示的一种多组分气体的浓度检测系统的结构示意图，该系统包括微处理器90、光电探测器91、传感探头92、参考气室93和激光发生器；上述浓度检测装置设置于微处理器中；其中，该激光发生器包括半导体激光器控制器94a、半导体激光器94b和耦合器94c。
进一步地，该系统还包括传输光纤95。该系统中，通过半导体激光器控制器向半导体激光器提供控制温度和扫描电流，使激光器输出一定波长范围的光，输出光经耦合器后分为三部分，分别经参考气室、传感探头、传输光纤后由光电探测器模块接收。经探测器光电转换后由微处理器进行数据的采集和分析，同步计算出各组分气体的浓度。
本发明实施例提供的多组分气体的浓度检测系统，使用单一光源实现了多组分气体的检测，大大降低了系统成本和响应时间；消除了多组分气体之间的交叉干扰影响，检测精度得到了显著提高。
本发明实施例所提供的多组分气体的浓度检测方法、装置及系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多组分气体的浓度检测方法，其特征在于，包括：
采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；
根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；
根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算所述混合气体中各类气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号的步骤，包括：
通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，所述背景气体包括氮气；
通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，通过下述方式确定：
通过HITRAN数据库和实验室通气实验，确定调制波长范围，确定所述待测混合气体中的气体种类；
采集每种气体的吸收光谱，计算各类气体的吸收峰位置；
在各类气体的吸收峰位置处，确定气体吸收截面的宽度，将所述宽度作为所述窗口的大小。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面的步骤，包括：
对每种气体Gi(i＝1,2,…,n)，进行下述操作：
计算当前气体在浓度cj下的吸收率αj：
其中，i代表气体的种类；j代表浓度的种类；I0为所述背景气体的光谱信号，Ij为气体Gi的光谱吸收信号；
计算所述当前气体在浓度cj下，各窗口内的吸收截面aij：
其中，Pi为各气体Gi的吸收峰位置；N为对应窗口的大小；Ai1＝{ai1,ai2,...,aim}为所述当前气体在各浓度cj下，吸收截面的组合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，通过下述方式获得：
建立吸收峰位置Pi处吸收截面与浓度的对应关系Ai1＝fi1(C)；其中，C为当前气体的浓度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算所述混合气体中各类气体的浓度的步骤，包括：
计算所述待测混合气体的光谱吸收率其中，所述IH为待测混合气体的光谱吸收信号；
计算所述待测混合气体的在各吸收峰位置的窗口内的吸收截面
通过下述公式，计算所述待测混合气体中，各类气体的浓度：
其中，Aik＝fik(Ck)(i＝1,2,3…n,k＝1,2,3…l)为第k种气体在吸收峰位置Pi处的吸收截面；C1,C2,…Cl分别为各类气体的浓度。
7.一种多组分气体的浓度检测装置，其特征在于，包括：
信号采集模块，用于采集背景气体的光谱信号及待测混合气体的光谱吸收信号；
吸收截面计算模块，用于根据预设的各类气体的吸收峰位置和对应窗口的大小，计算所述混合气体在各个所述吸收峰位置处的窗口内的吸收截面；
浓度计算模块，用于根据预先建立的各类气体的吸收截面与浓度的对应关系，计算所述混合气体中各类气体的浓度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块还用于：
通过光电探测器和数据采集卡采集背景气体的光谱信号；其中，所述背景气体包括氮气；
通过光电探测器和数据采集卡采集待测混合气体的光谱吸收信号。
9.一种多组分气体的浓度检测系统，其特征在于，包括微处理器、光电探测器、传感探头、参考气室和激光发生器；权利要求7或8所述的装置设置于所述微处理器中。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述激光发生器包括半导体激光器控制器、半导体激光器和耦合器。
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