CN108872097A - 一种特定气体源成分光谱分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特定气体源成分光谱分析方法及装置，其方法是将已知特定气体源的光谱分解为多个已知光谱的线性组合，利用多个光波长同时测量出该种被测特定气体源的气体组成成分的方法。其装置包括用于采集被测特定气体源的气室，气室设置有进气口和出气口，气室的前方设置有用于发出光谱连续光信号的光源，并且气室的前端面开有使光信号进入气室内的光信号进孔，气室的后端面开有使进入气室内的光信号输出的光信号输出孔；气室的后方设有用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光电检测系统。本发明的方法没有气体间干扰，能同时测量气体中所有成分，其装置携带方便，制造成本低，能直接在现场对被测特定气体源进行实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及气体成分分析技术领域，特别是一种针对特定气体进行光谱分析的方法及其利用该方法实现气体成分分析的装置，具体地说是一种特定气体源成分光谱分析方法及装置。
背景技术
现有技术中，普遍采用光谱分析来测量气体中某些成分的浓度，光谱分析是目前的一种重要测量技术。但是，光谱分析往往需要昂贵的光谱仪，并且由于光谱仪体积较大，因此也无法在现场实时监测。再说利用特征波长的光强变化的监测方法，一次只能测量一种物质，同时其他物质还会产生干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状，而提供没有气体间干扰，并能同时测量气体中所有成分的一种特定气体源成分光谱分析方法，应用该特定气体源成分光谱分析方法的装置体积小、携带方便，能实现气体成分的现场实时监测。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种特定气体源成分光谱分析方法，其特征是：将已知特定气体源的光谱分解为多个已知光谱的线性组合，利用多个光波长同时测量出该种被测特定气体源的气体组成成分；其方法为：
假设特定气体源的组成成分为由N种气体组成，每一种气体的光谱为Pn(n＝1，ΛN)，则被测特定气体源的光谱能表示为
其中，P为被测特定气体源的光谱，kn为第n种气体的体积比，对每一种气体成分的光谱经过在不同波长上的采样，能表示为：
令：Q＝[P1 P2 L PN]4
则式1可以表示为
P＝QK 6
其中向量P可以通过测量得到，Pn是确定的光谱，能事先测量得到；通过求解方程6就能得到kn的值，通过kn值的大小即能确定被测特定气体源中各种气体组成的成分和所占体积比；第n种气体所占的体积比为
上述的技术方案还包括：
当取M＝N时，即采样的波长数量和可能含有的成分数量相同时；方程6就是一个有N的未知数、N个方程的方程组；方程6的求解过程为：
步骤一、求Q的秩；
步骤二、若Q的秩为N，R(Q)＝N，转到步骤六；若Q的秩小于N，R(Q)＜N转到步骤三；
步骤三、逐步增加采样波长的数量，即增加举证Q的行，每增加一个，求Q的行秩，直到行秩等于N；
步骤四、对Q进行初等行变换，直到变为行阶梯矩阵；
步骤五、保留所有非零行，所对应的原始行，使Q重新变为R(Q)＝N；
步骤六、利用迭代法或高斯消去法求解方程6；
步骤七、利用结果，分析气体的组成成分。
本发明还提供一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，或者说是公开了携带方便，适合现场实时检测的一种特定气体源成分光谱分析装置，即本发明可以理解为公开了一种特定气体源成分光谱分析装置，该装置包括用于采集被测特定气体源的气室，气室设置有进气口和出气口，气室的前方设置有用于发出光谱连续光信号的光源，并且气室的前端面开有使光信号进入气室内的光信号进孔，气室的后端面开有使进入气室内的光信号输出的光信号输出孔；气室的后方设有用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光电检测系统。
上述的光电检测系统包括用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光纤滤波器组和用于接收从光纤滤波器组输出的光信号的光电倍增管以及用于对光电倍增管输出的光信号进行程序运算处理的控制器；控制器的内部存储有由已知特定气体源的光谱分解出的多个已知气体光谱的波长参考值；控制器与光纤滤波器组电信号控制相连接。
上述的光纤滤波器组由多个光纤光栅滤波器捆扎组成。
每个光纤光栅滤波器均由微型透镜、光纤、光纤环形器、光纤光栅和电光开关组成；从光信号输出孔输出的光信号通过微型透镜进入光纤，再经过光纤环形器，后通过光纤光栅的反射，只保留对应的波长的反射光通过电光开关进入光电倍增管；控制器与每个光纤光栅滤波器中的每一电光开关电信号控制相连接。
上述的控制器电信号控制光纤滤波器组的方法为：每次只允许光纤滤波器组中的一个光纤光栅滤波器的电光开关打开。
上述的光纤光栅滤波器的反射波长取决于光纤光栅中光栅的间隔人；每个光纤光栅滤波器的光栅间隔A均由该光纤光栅滤波器需要检测的波长确定。
与现有技术相比，本发明的方法是将已知特定气体源的光谱分解为多个已知气体光谱的线性组合，例如已知特定气体源可以是燃煤电厂烟气或汽车尾气等，这样已知特定气体源其可能的组成成分是可以事先确定的，并且其光谱也是可以事先测定的。本发明不需要昂贵的光谱分析仪，能利用多个光波长同时测量出被测特定气体源的气体组成成分，且没有的气体间的干扰问题。
本发明的装置携带方便，制造成本低，能直接在现场对被测特定气体源进行实时监测，使用方便，且操作简单。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是图1中光电检测系统的连接结构示意图；
图3是本发明光纤滤波器的组成结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
其中的附图标记为：气室1、进气口1a、出气口1b、光源2、光电检测系统3、光纤滤波器组31、微型透镜311、光纤312、光纤环形器313、光纤光栅314、电光开关315、光电倍增管32、控制器33。
本发明公开了一种特定气体源成分光谱分析方法，所谓的特定气体源可以是燃煤电厂烟气，也可以是汽车尾气等已知的气体源，本方法针对的就是这种待检测的已知特定气体源，对该特定气体源的成分进行光谱分析的一种方法。已知特定气体源，这里例如是汽车尾气，那么组成汽车尾气的气体成分是可以事先确定的，并且组成汽车尾气的多种气体的光谱也是可以事先测定的。将已知特定气体源的光谱分解为多个已知光谱的线性组合，利用多个光波长同时测量出该种被测特定气体源的气体组成成分。即本发明可以将已知特定气体源(如汽车尾气)的光谱分解为构成汽车尾气的多种已知气体光谱的线性组合，然后利用每种气体光波长不同的特性同时测量出被测的这种特定气体源(如汽车尾气)的组成成分。
本发明的方法为：假设特定气体源的组成成分为由N种气体组成，每一种气体的光谱为Pn(n＝1，ΛN)，则被测特定气体源的光谱能表示为
其中，P为被测特定气体源的光谱，kn为第n种气体的体积比，对每一种气体成分的光谱经过在不同波长上的采样，能表示为：
令：Q＝[P1 P2 L PN] 4
则式1可以表示为
P＝QK 6
其中向量P可以通过测量得到，Pn是确定的光谱，能事先测量得到；通过求解方程6就能得到kn的值，通过kn值的大小即能确定被测特定气体源中各种气体组成的成分和所占体积比；第n种气体所占的体积比为
当取M＝N时，即采样的波长数量和可能含有的成分数量相同时；方程6就是一个有N的未知数、N个方程的方程组；方程6的求解过程为：
步骤一、求Q的秩；
步骤二、若Q的秩为N，R(Q)＝N，转到步骤六；若Q的秩小于N，R(Q)＜N转到步骤三；
步骤三、逐步增加采样波长的数量，即增加举证Q的行，每增加一个，求Q的行秩，直到行秩等于N；
步骤四、对Q进行初等行变换，直到变为行阶梯矩阵；
步骤五、保留所有非零行，所对应的原始行，使Q重新变为R(Q)＝N；
步骤六、利用迭代法或高斯消去法求解方程6；
步骤七、利用结果，分析气体的组成成分。
本发明还提供了一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，或者说是公开了一种特定气体源成分光谱分析装置，该装置包括用于采集被测特定气体源的气室1，气室1设置有进气口1a和出气口1b，进气口1a用于连接被测特定气体源的出气口，进气口1a设置在气室1的前部，出气口1b设置在气室1的后部。被测特定气体源进入气室1内后由前向后流动，并经出气口1b排出，为了能使被测特定气体源能顺利地进入气室1内，出气口1b设置有气泵。气室1的前端设置有用于发出光谱连续光信号的光源2，光源2发出的光谱连续光信号要求将矩阵Q中的光波长包含在内。气室1的前端面开有使光信号进入气室1内的光信号进孔，气室1的后端面开有使进入气室1内的光信号输出的光信号输出孔；气室1的后方设有用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光电检测系统3。
实施例中，光电检测系统3包括用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光纤滤波器组31和用于接收从光纤滤波器组31输出的光信号的光电倍增管32以及用于对光电倍增管32输出的光信号进行程序运算处理的控制器33；控制器33的内部存储有由已知特定气体源的光谱分解出的多个已知气体光谱波长的参考值；控制器33与光纤滤波器组31电信号控制相连接。控制器33是本发明光电检测系统3的核心控制单元，内部设有光谱分析控制程序。
实施例中，光纤滤波器组31由多个光纤光栅滤波器捆扎组成。每个光纤光栅滤波器的反射波长均不相等。
实施例中，每个光纤光栅滤波器均由微型透镜311、光纤312、光纤环形器313、光纤光栅314和电光开关315组成；从光信号输出孔输出的光信号通过微型透镜311进入光纤312，再经过光纤环形器313，后通过光纤光栅314的反射，只保留对应的波长的反射光通过电光开关315进入光电倍增管32；控制器33与每个光纤光栅滤波器中的每一电光开关315电信号控制相连接。
实施例中，控制器33电信号控制光纤滤波器组31的方法为：每次只允许光纤滤波器组31中的一个光纤光栅滤波器的电光开关315打开，每次只有一路电光开关315打开，从而能测定出构成被测特定气体源的某一相应气体波长的光强。
实施例中，光纤光栅滤波器的反射波长取决于光纤光栅314中光栅的间隔Λ；每个光纤光栅滤波器的光栅间隔Λ均由该光纤光栅滤波器需要检测的气体的波长确定。制作检测相应波长气体的光纤光栅滤波器时，光纤光栅滤波器的光栅间隔Λ由公式7决定，
λB＝2neffΛ 7
其中λB为反射波长，neff为光纤的等效折射率。根据矩阵Q(或处理后满秩的Q)确定需要检测的波长，然后根据式7计算出需要的光栅间隔Λ，制作相应的光纤光栅滤波器。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种特定气体源成分光谱分析方法，其特征是：将已知特定气体源的光谱分解为多个已知光谱的线性组合，利用多个光波长同时测量出该种被测特定气体源的气体组成成分；其方法为：
假设特定气体源的组成成分为由N种气体组成，每一种气体的光谱为Pn(n＝1，ΛN)，则被测特定气体源的光谱能表示为
其中，P为被测特定气体源的光谱，kn为第n种气体的体积比，对每一种气体成分的光谱经过在不同波长上的采样，能表示为：
令：Q＝[P1 P2 L PN] 4
则式1可以表示为
P＝QK 6
其中向量P可以通过测量得到，Pn是确定的光谱，能事先测量得到；通过求解方程6就能得到kn的值，通过kn值的大小即能确定被测特定气体源中各种气体组成的成分和所占体积比；第n种气体所占的体积比为
2.根据权利要求1所述的一种特定气体源成分光谱分析方法，其特征是：当取M＝N时，即采样的波长数量和可能含有的成分数量相同时；方程6就是一个有N的未知数、N个方程的方程组；方程6的求解过程为：
步骤一、求Q的秩；
步骤二、若Q的秩为N，R(Q)＝N，转到步骤六；若Q的秩小于N，R(Q)＜N转到步骤三；
步骤三、逐步增加采样波长的数量，即增加举证Q的行，每增加一个，求Q的行秩，直到行秩等于N；
步骤四、对Q进行初等行变换，直到变为行阶梯矩阵；
步骤五、保留所有非零行，所对应的原始行，使Q重新变为R(Q)＝N；
步骤六、利用迭代法或高斯消去法求解方程6；
步骤七、利用结果，分析气体的组成成分。
3.一种权利要求1所述的特定气体源成分光谱分析方法的装置，包括用于采集被测特定气体源的气室(1)，所述的气室(1)设置有进气口(1a)和出气口(1b)，其特征是：所述的气室(1)的前方设置有用于发出光谱连续光信号的光源(2)，并且气室(1)的前端面开有使光信号进入气室(1)内的光信号进孔，气室(1)的后端面开有使进入气室(1)内的光信号输出的光信号输出孔；所述的气室(1)的后方设有用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光电检测系统(3)。
4.根据权利要求3所述的一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，其特征是：所述的光电检测系统(3)包括用于接收从光信号输出孔输出的光信号的光纤滤波器组(31)和用于接收从光纤滤波器组(31)输出的光信号的光电倍增管(32)以及用于对光电倍增管(32)输出的光信号进行程序运算处理的控制器(33)；所述的控制器(33)的内部存储有由已知特定气体源的光谱分解出的多个已知气体光谱的波长参考值；所述的控制器(33)与光纤滤波器组(31)电信号控制相连接。
5.根据权利要求4所述的一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，其特征是：所述的光纤滤波器组(31)由多个光纤光栅滤波器捆扎组成。
6.根据权利要求5所述的一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，其特征是：每个所述的光纤光栅滤波器均由微型透镜(311)、光纤(312)、光纤环形器(313)、光纤光栅(314)和电光开关(315)组成；所述从光信号输出孔输出的光信号通过微型透镜(311)进入光纤(312)，再经过光纤环形器(313)，后通过光纤光栅(314)的反射，只保留对应的波长的反射光通过电光开关(315)进入光电倍增管(32)；所述的控制器(33)与每个光纤光栅滤波器中的每一电光开关(315)电信号控制相连接。
7.根据权利要求6所述的一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，其特征是：所述的控制器(33)电信号控制光纤滤波器组(31)的方法为：每次只允许光纤滤波器组(31)中的一个光纤光栅滤波器的电光开关(315)打开。
8.根据权利要求7所述的一种特定气体源成分光谱分析方法的装置，其特征是：所述的光纤光栅滤波器的反射波长取决于光纤光栅(314)中光栅的间隔Λ；每个光纤光栅滤波器的光栅间隔Λ均由该光纤光栅滤波器需要检测的波长确定。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110749549A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-04 | 山东大学 | 一种恶臭气体成分及浓度监测装置与方法 |
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