CN109490250B - 校准激光器的波长的方法及装置、气体浓度分析仪 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及校准激光器的波长的方法及装置、以及气体浓度分析仪。一种校准波长的方法包括：存储在标定时获得的零气二次谐波光谱和标准浓度二次谐波光谱；获得待测气体二次谐波光谱；在判断待测气体浓度在第一范围时根据吸收峰最大值来确定待测气体的吸收峰中心位置且获得与标准浓度光谱中的吸收峰中心位置间的偏差，在偏差超出预定值时根据偏差生成反馈信号以校准波长；及在判断待测气体浓度在第二范围时，根据待测气体光谱与零气光谱的相似度来确定待测气体的吸收峰中心位置且获得与零气光谱中的吸收峰中心位置间的偏差，在偏差超出预定值时根据偏差生成反馈信号以校准波长，其中第一与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。

Description

校准激光器的波长的方法及装置、气体浓度分析仪
技术领域
本公开涉及气体浓度检测，具体来说，涉及利用中红外激光测量痕量气体浓度。
背景技术
为了降低烟气排放中的氮氧化物(NOX)，燃煤电厂普遍采用选择性催化还原技术(SCR)或选择性非催化还原技术(SNCR)对排放的烟气进行脱硝处理。脱硝处理时，通常在烟气中注入氨水或尿素，使得主要成分氨气与氮氧化物发生化学反应，生成对环境无害的氮气和水汽。合理的控制氨注入量对于烟气脱硝处理至关重要，氨注入过少会导致氮氧化物转化效率过低，氨注入过量会导致过量氨气的产生，过量的氨气(NH3)会逃出脱硝反应区，与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，铵盐会严重腐蚀下游烟气管道及其他设备，导致昂贵的维护费用。因此为了使烟气脱硝效率达到最优，同时降低氨气排放及消耗，必须对脱硝处理后烟气中残余的氮氧化物和逃逸的氨气浓度进行实时监控。
目前，有些分析仪采用激光来进行氨逃逸在线测量，例如采用近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，简称为TDLAS)。
然而，受环境温度变化以及激光器控制电路的噪声等因素的影响，激光器的输出波长会发生漂移，这会降低基于激光方法测量气体浓度的分析仪器的稳定性。
另外，基于TDLAS的氨逃逸仪表从结构来讲主要分为两类，原位安装式和高温伴热抽取式。不论是原位对穿安装还是原位单侧安装，都无法在测量现场完成标气标定，需要将仪表拆卸，标定过程复杂。采用高温伴热抽取式，有效地避免了原位测量中出现的各种问题，但是由于近红外波段氨气的吸收谱线较弱，利用直接吸收方法有效光程短，测量灵敏度不高。利用高温伴热抽取式采样结合长光程吸收池技术，将有效光程提高到数十米，很好地弥补了氨分子近红外谱线吸收较弱的缺点，从而极大地提高了测量精度和检测下限，但是长光程吸收池这种精密光学元件并不适合应用到高温、高粉尘、高铵盐的工况环境。运行一段时间后，需要对长光程池进行清洗和重新对光，增加了维护难度和成本。
从测量原理来讲，基于TDLAS的仪表均使用了近红外激光器，选取了氨分子在近红外波段的吸收谱线。而在近红外波段氨分子吸收谱线受到水分子吸收谱线的严重干扰，考虑到烟道中水汽浓度的剧烈变化，上述产品几乎无法避免水汽干扰带来的影响，这不仅会导致氨气测量精度的降低，而且使得氨气浓度测量值出现偏差。
另外，还存在着对残余的氮氧化物和逃逸的氨气浓度同时进行在线测量的需求。
在高温条件下，氮氧化物(NOX)的主要成分是一氧化氮(NO)。当前，测量NO的主要方法包括化学发光法、非分散红外法、紫外吸收法等，而如上所述氨逃逸在线测量主要采用近红外可调谐二极管激光吸收光谱技术。因此，目前为了同时测量NO和NH3通常需要结合不同的测量技术。然而，使用不同的技术同时测量NO和NH3增加了测量的难度以及装置的复杂性。而且NO的上述各种测量方法也存在着各种各样的问题。
另外，在例如环保领域，还存在着对其他各种痕量气体浓度进行精确测量的需求。
针对上述的现有技术中的问题中的一个或多个，存在对于新的技术的需求。
发明内容
本公开的目的之一是提供一种新型的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法及装置、以及新型的气体浓度分析仪。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法，其包括：存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气二次谐波光谱和标准浓度二次谐波光谱；获得待测气体的二次谐波光谱；判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围；在判断待测气体的浓度处于第一范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长；以及在判断待测气体的浓度处于第二范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱与零气二次谐波光谱的相似度来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与零气二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长，其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置，其包括：存储部件，所述存储部件存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气二次谐波光谱和标准浓度二次谐波光谱；获得部件，所述获得部件获得待测气体的二次谐波光谱；判断部件，所述判断部件判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围；第一范围校准部件，所述第一范围校准部件在所述判断部件判断待测气体的浓度处于第一范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长；以及第二范围校准部件，所述第二范围校准部件在所述判断部件判断待测气体的浓度处于第二范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱与零气二次谐波光谱的相似度来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与零气二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长，其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置，其包括：一个或更多个处理器；以及一个或更多个存储器，被配置为存储一系列计算机可执行指令，其中所述一系列计算机可执行指令在由所述一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行上述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法。
根据本公开的另一个方面，提供了一种非暂态的计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行上述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法。
根据本公开的另一个方面，提供了一种气体浓度分析仪，其包括：激光器，被配置为发射中红外波段的激光；驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；吸收池，被配置为容纳待测气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该吸收池；探测器，被配置为接收透射通过吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待测气体的浓度；其中，所述信号处理电路包括上述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置或者上述的非暂态的计算机可读介质。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。
图2A是示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法的示例性流程图，图2B是示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置的基本配置的框图。
图3A示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图，图3B示出了根据本公开一些示例性实施例的光源封装体的示意性简化结构图。
图4示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。
图5示出了根据本公开一些示例性实施例的现场检测烟气中的氨浓度的仪器的示意图。
图6是示出可以实现根据本发明的实施例的计算设备的示例性配置图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。而且，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各个示例性实施例。应注意到：以下对各个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
如上述背景技术中所讨论的，在采用激光进行测量的气体浓度分析仪中，由于受环境温度变化以及激光器控制电路的噪声等因素的影响，激光器的输出波长会发生漂移，这会降低基于激光方法测量气体浓度的分析仪器的稳定性。为了稳定激光器波长，有些方案会单独设置一个参考吸收池来进行反馈以锁定激光器波长。然而，本申请的发明人提出了一种新型的解决方案来校准激光器波长，其可以利用光谱的相似度来准确获得激光器波长的漂移量，从而反馈控制激光器波长。根据本发明的该方案不需要添加任何附加装置并能实时锁定波长。
为了更全面、清楚地理解本发明，下面将结合附图来详细描述根据本发明的校准激光器的波长的方法及装置、气体浓度分析仪的结构及其工作原理。本领域技术人员均能理解，本发明并不限于图中所示结构，而是能够根据其工作原理改编适用于其它装置和气体浓度分析仪。例如，图中示出的气体浓度分析仪以及光源的构造、安装和相对位置的布置都只是示例性的而非限制性的，本发明可以适用于或者经过简单修改而适用于任何适当的气体浓度分析仪和光源的构造、安装和布置。虽然下文中会主要以氨逃逸检测为例来讨论本发明的气体浓度分析仪，但是本领域技术人员均理解，本发明并不限于此，而是可以根据其工作原理适用于任何有相同需求的其它气体浓度分析仪。
图1示出了根据本公开一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。应注意，实际的气体浓度分析仪可能还存在其它部件，而为了避免模糊本发明的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。
如图1所示，该气体浓度分析仪包括激光器101、驱动电路103、吸收池105、探测器106和信号处理电路107。请注意，图中实线箭头表示光线的路径，而虚线箭头表示模块之间电气或机械地耦接。
在一些实施方式中，该气体浓度分析仪还可以包括控制激光器温度的温度控制电路102，其可以精确地控制激光器101的温度从而控制输出波长，因此可以提高测量准确性。在一些实施方式中，该气体浓度分析仪还可以包括位于激光器101与吸收池105之间的准直透镜104，用于将激光器101发射的激光聚焦到探测器106，如图1所示。在一些实施方式中，准直透镜104可以为非球面透镜，例如镀增透膜的非球面透镜。
图1中的驱动电路103电气耦接到激光器101，并且被配置为向激光器101提供电流驱动信号，以便控制激光器101发射的激光的波长。驱动电路103和温度控制电路102可以控制激光器101发出期望的激光，然后从激光器101发出的激光经过准直后到达吸收池105，其中吸收池105用于容纳待测气体，并且使该激光能透射通过该吸收池105。
在一些实施方式中，激光器101可以发射中红外波段的激光，例如，为连续波中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，可简写为QCL)，包括分布反馈式连续波量子级联激光器(Distributed Feedback Continuous Wave Quantum Cascade Laser，可简写为DFB-CW QCL)，其通常可以输出较窄的光谱，或者外腔式连续波量子级联激光器(External Cavity Continuous Wave Quantum Cascade Laser，可简写为EC-CW QCL)，其通常是宽谱可调谐的，可以在较宽的频率范围内快速改变波长。此时，采用中红外波段的激光来进行测量，从而与近红外光相比，可以选择气体分子在中红外波段的高强度吸收谱线，因此大大减少水汽或其他分子等吸收的干扰。
在一些实施方式中，吸收池105可以为内表面镀特氟龙(Teflon，一种聚四氟乙烯材料)或硅涂层的不锈钢吸收池。吸收池105的温度可以在大约室温到300℃的范围内。例如，可以通过在吸收池105的外表面使用加热片进行加热来控制温度。这对于火电厂氨逃逸在线测量的应用场景下特别有利，因为可以降低氨气吸附。
另外，在一些实施方式中，本发明的气体浓度分析仪还可以使用单光程吸收池105，相比于现有技术的多通池(长光程吸收池)，单光程吸收池不需要用于多次反射的精密光学元件以及对其的经常性清洗和重新对光，因此使用单光程吸收池降低了成本和维护难度。在一些实施方式中，单光程吸收池105的长度可以在20cm到40cm的范围内。选择以上长度在检测NH3和NO的情况下是特别有利的，其既能够满足测量NH3和NO的精度，也能实现测量仪器小型化的需求。
在一些实施方式中，吸收池105的两端可以由楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片密封。窗片的材料和镀膜不限于此，而是可以根据待检测气体的成分来选择。
接着，如图1所示，激光透射通过吸收池105后到达探测器106。该探测器106被配置为接收该激光并且把激光的强度转换为电信号，例如电压信号。然后信号处理电路107接收探测器106输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待测气体的浓度。在一些实施方式中，该探测器106可以为光电二极管。
在一些实施方式中，可以采用连续波中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术来检测气体浓度，这能提高气体浓度测量的灵敏度和精度。这种气体浓度检测的基本原理简单描述如下：
根据Lambert-Beer定律，频率为ν的激光穿过待检测的吸收气体后，透射光强为
It(ν)＝I0(ν)exp(-SφνNL)＝I0(ν)exp(-α(ν))
上式中I0为入射光强，S为吸收谱线跃迁强度，φν为吸收谱线线形函数，N为气体分子数密度，L为吸收光程，α＝SφνNL为吸收度。为了调谐激光波长以覆盖待测气体吸收谱线，根据本发明一些实施例的气体浓度分析仪采用了低频扫描信号叠加高频调制信号(调制频率为f)的方式调谐激光器电流。受高频调制的激光经过气体吸收池后进入探测器，探测器信号被锁相放大器解调后可以获得二次谐波(2f)信号。2f信号与气体的吸收相关，利用已知浓度气体的2f信号作为标准曲线，基于最小二乘法拟合待测气体的2f信号，即可高精度的反演出气体浓度。
一个具体示例可以结合图1如下描述。
激光器101可以发射连续的中红外波段的激光。驱动电路103向激光器101提供的电流驱动信号可以为锯齿信号叠加高频正弦信号调制，锯齿信号用于改变量子级联激光器的输出波长，从而扫描得到待检测气体的吸收谱线，高频正弦信号用于实现锁相放大电路的谐波测量。在实际测量中，在一些情况下，为了获得待检测气体的吸收光谱，可以设置激光器的工作温度使得激光器输出的中心波长位于气体吸收谱线中心附近，然后通过调谐激光器驱动电流扫描来获得目标吸收谱线。因此，尽管图1中未示出，但是可以根据实际需要将温度控制电路102电连接到外部电路，例如信号处理电路107或其他控制电路，从而实现激光器工作温度的实时调整。
中红外探测器106将接收到的光信号转化为电压信号，并输出到信号处理电路107。信号处理电路107对所接收的电信号进行解调并提取出二次谐波信号，对该二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待测气体的浓度。信号处理电路107可以包括锁相放大器、数据采集处理电路、滤波器和包括处理器的计算设备等来实现上述功能。尽管图中未示出，但是本发明的分析仪还可以包括显示电路，用来显示计算得到的气体浓度。可以采用本领域已知的或未来开发的各种处理方式来计算得到待检测气体的浓度，在此不再详细讨论。本发明采用波长调制技术，经过滤波处理后拟合光谱，提高了气体浓度测量的灵敏度和精度。
另外，如图1所示，根据本发明的信号处理电路107还可以包括波长校准装置110，其可以在测量待测气体浓度的同时实时校准激光器101的输出波长，从而精确控制检测时的激光波长，而且不需要向分析仪添加任何额外的组件。
下面将结合图2A-2B来详细描述根据本发明的波长校准方法和装置。图2A是示出了根据本发明一个示例性实施例的用于校准激光器101的波长的方法200的示例性流程图。
先简述一下根据本发明的波长校准方法的基本原理。本申请的发明人发现，由于分子跃迁频率在测量过程中不变化，因此当激光器的波长漂移时，测量气体的2f光谱的吸收峰中心位置也会相应地漂移，由此可以将吸收峰中心位置的漂移量作为反馈控制量来调节激光器的波长。特别是由于激光器对于驱动电流的响应较快，因此可以利用吸收峰中心位置的漂移量来调节激光器的驱动电流的幅值或扫描范围，从而校准激光器波长。但是，在研究中本申请的发明人还发现，测量时2f光谱的吸收峰中心位置并不容易准确判断，特别是在待测气体浓度低时，由于2f光谱信噪比差等，仅靠吸收峰幅值很难准确判断吸收峰中心位置。因此，本申请的发明人经研究后提出，将待测气体分成高浓度和低浓度两种情况来分别寻找其2f光谱的吸收峰中心位置。在待测气体浓度较高时，可以通过寻找2f光谱吸收峰的最大值来确认2f光谱吸收峰中心位置，如果吸收峰漂移超出预设的区间时，可以通过反馈控制驱动电流，使得2f光谱吸收峰中心与保存的标准浓度2f光谱中心位置一致。在待测气体浓度较低时，可以通过对比测量的2f光谱与保存的零气2f光谱的相似度来判断和确定2f光谱吸收峰中心位置，如果吸收峰发生漂移超出预设的区间时，可以通过反馈控制驱动电流，使得测量的2f光谱吸收峰中心与保存的零气2f光谱中心位置一致。光谱相似度的判断可以通过例如曲线相似性算法来实现，比如Fréchet距离算法、Hausdorff距离算法等等。利用本发明的波长校准方法，可以在无需添加附加部件或专门测量流程的情况下在测量的同时实时校准波长。另外，由于区分待测气体的高低浓度来进行不同的校准处理，因此在实现校准的高效率的同时也能保证校准的准确性。
如图2A所示，该波长校准方法200至少包括步骤210-250。具体而言，在步骤210中，存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气二次谐波(以下简称为“2f”)光谱和标准浓度2f光谱。如前所述，在一些实施方式中，可以采用光谱拟合方法来拟合待测浓度气体的2f光谱，从而获得待测气体浓度。此时在正式测量前要先用该气体浓度分析仪测量零气(即待测气体浓度为零的气体，例如高纯度的氮气)和标准浓度的待测气体，并保存零气2f光谱和标准浓度2f光谱。2f光谱是通过如上所述的基于中红外激光的波长调制技术而获得的。例如，如前所述，在一些实施方式中，图1中的信号处理电路107可以对接收到的电信号进行解调然后滤波，然后模数转换成一组数字信号，从而得到数字化的2f光谱信号，方便后续处理器进行计算。
在一些实施方式中，上述的标准浓度可以为满量程浓度，该满量程浓度可以为大约20ppm。当然，本领域技术人员均理解本发明不限于此，而是可以根据需要来设置。
然后，在步骤220中，开始正式测量，并且获得待测气体的2f光谱。在一些实施方式中，可以用与之前零气和标准浓度2f光谱相同的方式获得待测气体的2f光谱。如前所述，在后续步骤中，该待测气体的2f光谱可以通过光谱拟合方法来获得待测气体浓度值。在本方法200中，该待测气体的2f光谱还被用于校准波长。
在一些实施方式中，该待测气体可以包括氨气，其2f光谱至少覆盖在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内的波长，同时/或可替代地，该待测气体可以包括一氧化氮，其2f光谱至少覆盖在5.14μm到5.19μm的范围内的波长。
接着，方法200进行到步骤230，其判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围，其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。在一些实施方式中，可以通过待测气体的2f光谱的最大幅值来判断浓度处于第一范围还是第二范围。在一些实施方式中，第一范围与第二范围可以由阈值来划分，第一范围为大于阈值的值，第二范围为小于或等于阈值的值。在一些实施方式中，阈值可以在标准浓度或满量程浓度的20％到30％的范围内。当然，本领域技术人员均理解本发明不限于此，而是可以根据经验或实际需求来设置阈值。
接着，在判断待测气体的浓度处于第一范围时，方法200进行到步骤240，其根据待测气体的2f光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度2f光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长。
而在判断待测气体的浓度处于第二范围时，方法200进行到步骤250，其根据待测气体的2f光谱与零气2f光谱的相似度来确定待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置与零气2f光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长。
在一些实施方式中，可以利用曲线相似性算法来在待测气体的2f光谱中寻找与零气2f光谱的吸收峰最相似的一段，从而确定待测气体的2f光谱中的吸收峰及相应的吸收峰中心位置。
例如，可以选择零气2f光谱的吸收峰中心位置前后5或10个采样点的信号共同作为零气2f光谱的吸收峰式样。然后将零气2f光谱的该吸收峰作为模板，扫描待测气体的2f光谱(例如逐个采样点移动地扫描)，并且将与该模板相似度最高的一段光谱信号视为待测气体的2f光谱的吸收峰，从而获得对应的吸收峰中心位置。在一些实施方式中，可以通过Fréchet距离算法或Hausdorff距离算法来计算上述相似度。当然，本领域技术人员均明白上述吸收峰式样和扫描的方式仅仅是示例性的，在实际应用中可根据需要进行调整。
虽然前面提到了利用调节驱动电流对激光器的波长漂移进行补偿，这样波长校准的速度非常快，但是本领域技术人员均理解，通过调节激光器的温度(例如将波长校准装置110生成的反馈信号提供给温度控制电路102)来校准其波长也是可行的，也同样包含在本发明的范围内。
图2B是示出了根据本发明一些示例性实施例的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置(如图1所示的波长校准装置110)的基本配置的框图。如图2B所示，该波长校准装置110包括：存储部件112、获得部件114、判断部件116、第一范围校准部件118和第二范围校准部件120。如前所述，在一些实施方式中，除了波长校准装置110之外，图1中的信号处理电路107还可以包括锁相放大器、滤波器和数据采集处理电路，其中锁相放大器对从探测器106输入的信号进行解调，再由滤波器进行滤波，然后由数据采集处理电路(例如数据采集卡)变成一组数字信号，从而得到2f光谱信号。
具体而言，存储部件112存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气2f光谱和标准浓度2f光谱。
获得部件114获得待测气体的2f光谱。
判断部件116判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围，其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。
第一范围校准部件118在判断部件116判断待测气体的浓度处于第一范围的情况下，根据待测气体的2f光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度2f光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长。
第二范围校准部件120在判断部件116判断待测气体的浓度处于第二范围的情况下，根据待测气体的2f光谱与零气2f光谱的相似度来确定待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的2f光谱中的吸收峰中心位置与零气2f光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长。
本领域技术人员应当理解，波长校准装置110所包含的部件可以不限于上述部件112-120，而是可以包括用于实现根据本发明实施例的前述方法的其他步骤的部件。波长校准装置110的各个部件可以由硬件、软件、固件或其任意组合来实现。另外，本领域技术人员也应当理解，波长校准装置110的各个部件可以根据需要被组合或分割成子部件。波长校准装置110的上述各个部件不限于上述的各个功能，而是可以实现如前所述的根据本发明实施例的各种方法的相应步骤的功能。
图3A示出了根据本公开另一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图，图3B示出了图3A中的光源封装体310的示意性简化结构图。图3A与图1的区别在于，图3A的气体浓度分析仪把激光器101、温度控制电路102和准直透镜104封装在一个光源封装体310中，采用单光程吸收池105，并且在单光程吸收池105与探测器106之间添加了离轴抛物面镜309，这可以实现更好的聚焦效果。图3A的其余部件都与图1相同，在此不再赘述。
下面结合图3B来详细描述本公开的光源封装体310的一些具体示例。当然，本领域技术人员均能理解，图3B仅仅是示例性的，而并不意图限制本发明。
如图3B所示，光源封装体310采用两级控温结构，即图1中提到的温度控制电路102被分成了两个部分，一级温度控制电路303和二级温度控制电路307。
一级温度控制电路303与其上安装有激光器芯片301的底座302接触，并且被配置为设定激光器301的温度。在一些情况下，一级温度控制电路303还可以确保激光器301工作在安全的工作温度范围。在一些实施方式中，一级温度控制电路303的控温精度在0.01摄氏度左右。图3B中仅用一个方框指代了一级温度控制电路303，但是在一些情况下，一级温度控制电路303可以包括热敏电阻和热电制冷器(ThermoElectric Cooler，可简写为TEC，通常指利用半导体的热-电效应控温的器件)，TEC可以如图3B那样附在底座302下方，而热敏电阻可以根据情况布置在底座上方/下方或激光器301附近，用来准确测量激光器301的温度。本领域技术人员均能理解，本发明不限于此，而是可以采用本领域已知或未来开发的任何技术来控制激光器芯片的温度。在图3B中，为了进一步加强控温效果，在一级温度控制电路303下方还可以布置热沉304。
可以将激光器301、底座302、一级温度控制电路303以及热沉304封装在壳体311内，然后将整个壳体311密封在光源封装体310的外壳306内。
二级温度控制电路307被放置在外壳306的内壁上，用来设定外壳306包围的空间的温度，以便降低激光器301的周围环境温度变化对激光器301的温度带来的影响，从而进一步稳定激光器芯片温度。如图3B所示，二级温度控制电路307可以包括热敏电阻和TEC，在外壳306的三个内壁上可以分别附着一个TEC，对外壳306进行控温，以将外壳306的温度稳定在某一温度值。
如上所述，二级温度控制电路307被配置为设定外壳306包围的空间的温度，从而进一步稳定了激光器的波长。在一些实施方式中，二级温度控制电路307的控温精度可以在0.1摄氏度左右。本领域技术人员均能理解，TEC的个数和附着位置并不限于图3B中所示出的例子，而是可以根据实际应用进行相应地调整。
另外，如图3B所示，可以把外壳处的出光窗片替换成准直透镜305，并且利用准直透镜305密封外壳306。在一些实施方式中，可以在外壳306与准直透镜305之间加弹性垫圈/垫片，然后用螺钉等将准直透镜305压紧在外壳306上。另外，尽管图中未示出，本领域技术人员均明白，光源封装体310还至少包括从激光器301穿过壳体311与外壳306而引到外部的管脚，用于将激光器301与外部电路等进行电连接。
图4示出了根据本公开又一些示例性实施例的气体浓度分析仪的示意性框图。图4与图1的区别主要在于，采用两个激光器同时发出不同波长的两路激光，来对吸收池中的两种气体的浓度进行同时在线测量。
如图4所示，该气体浓度检测系统包括激光器401和402、驱动电路403和404、温度控制电路405、准直透镜406和407、吸收池408、探测器409、信号处理电路411和显示电路412。请注意，图中实线箭头表示光线的路径，而虚线箭头表示模块之间电气或机械地耦接。
激光器401和402发射波长不同的第一激光和第二激光。温度控制电路405控制激光器401和402的温度。准直透镜406和407分别将激光器401和402发射的激光聚焦到探测器409，如图4所示。在一些实施方式中，准直透镜407可以是镀3-5μm波段增透膜的非球面透镜，准直透镜406可以是镀8-12μm波段增透膜的非球面透镜。
图4中的驱动电路403和404分别电气耦接到激光器401和402，并且被配置为分别向激光器401和402提供电流驱动信号，以便控制其发射的激光的波长。驱动电路403和404以及温度控制电路405控制激光器401和402分别发出期望的第一激光和第二激光，然后从激光器401和402发出的第一激光和第二激光经过准直后到达吸收池408，其中吸收池408用于容纳待检测的第一气体和第二气体，并且使该第一激光和第二激光能透射通过该吸收池408。吸收池408的构造可以与图1中的吸收池105相同或类似，在此不再赘述。在一些实施方式中，特别是在同时测量一氧化氮和氨气的情况下，吸收池408的两端413和414可以分别由楔形镀增透膜的氟化钙窗片和楔形镀增透膜的硒化锌窗片来密封。
第一激光和第二激光透射通过吸收池408后到达探测器409。该探测器409被配置为同时接收第一激光和第二激光并且把光强转换为一个电信号，例如电压信号。然后信号处理电路411接收探测器409输出的电信号，并且利用该电信号分别计算得到待检测的第一气体和第二气体的浓度。
在一些实施方式中，与前面结合图1所述类似的，可以采用连续波中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术来检测第一和第二气体的浓度，这能提高气体浓度测量的灵敏度和精度。
例如，驱动电路403和404可以分别生成调制频率f1和f2的调制信号，分别用于调制激光器401和402的波长，其中f1和f2互为质数。受到调制的第一和第二激光经过准直透镜和单光程吸收池后进入同一个探测器409，以生成一个电压信号并输出到信号处理电路411。然后信号处理电路411解调两路信号，分别得到第一和第二激光的2f信号。这些2f信号经过滤波处理后由基于最小二乘法的拟合算法进行浓度反演。浓度反演时，通过建立已知标准浓度的2f信号和待检测浓度的2f信号之间的线性相关性获得浓度值。
具体而言，驱动电路403向激光器401提供的电流驱动信号可以为锯齿波叠加第一频率的正弦波调制的信号，以便对激光器401发射的第一激光的波长进行扫描和调制，驱动电路404向激光器402提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第二频率的正弦波调制的信号，以便对激光器402发射的第二激光的波长进行扫描和调制，其中第一频率和第二频率互为质数。
中红外探测器409将接收到的第一和第二激光都转化为电压信号，并输出到信号处理电路411。信号处理电路411对所接收的电信号进行解调并提取出分别对应于第一和第二激光的第一和第二2f信号，对第一和第二2f信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的2f信号与所获得的第一和第二2f信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后分别计算得到待检测的第一和第二气体的浓度。另外，如图4所示，该检测系统还可以包括显示电路412，用来显示计算得到的气体浓度。可以采用本领域已知的或未来开发的各种处理方式来计算得到待检测气体的浓度，在此不再详细讨论。本发明采用波长调制技术，经过滤波处理后拟合光谱，提高了气体浓度测量的灵敏度和精度。而且图4的系统可以同时检测两种气体的浓度，且结构简单，而且提高了检测系统的均一性。当然，本领域技术人员均能明白，本发明不限于仅同时检测两种气体的浓度，而是可以对图4的系统进行简单修改即能同时检测两种以上的气体浓度。另外，图4中的信号处理电路411中的波长校准装置110可以与前面结合图1-图2B所述的波长校准装置110一样的工作，根据待检测的第一气体和第二气体的2f光谱来分别校准激光器401和402的波长，在此不再赘述。
图4的检测系统对于前述的同时测量烟气中的NO和NH3的应用尤其有利。在同时测量NO和NH3时，第一激光的波长可以在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长可以在5.14μm到5.19μm的范围内。选择5μm左右波段孤立的NO分子吸收谱线，有效地避免了其他方法中水分子及二氧化硫(SO2)分子吸收的影响，而选择9μm左右波段孤立的NH3分子吸收谱线，有效地避免了水分子及其他气体分子吸收的影响。此外，选择以上波段的激光还可以使用成熟的商用光学元器件来实现测量。
与前述现有技术相比，利用图4的检测系统，能够采用同一种技术方案实现对NO和NH3气体浓度的同时测量，从而提高了检测效率以及检测系统的均一性。而且，图4的检测系统可以仅使用一个单光程吸收池和单个中红外探测器，这可以简化光路设计，使用更少的元件，使得系统结构更稳定，尺寸更小。
当然，本领域技术人员均能理解，根据本发明的同时测量两种气体浓度的方案并不仅限于图4所示的那样。例如，可以使用一个宽谱可调谐的外腔式量子级联激光器(EC-QCL)来代替两个连续波中红外量子级联激光器401和402做为光源。另外，也可以使用两个吸收池、两个中红外探测器、两个信号处理电路来分开检测两个气体的浓度。
前面结合图1到图4描述的本发明的技术尤其适用于工业现场氮氧化物和氨逃逸在线测量，但是，本领域技术人员均能理解，本发明的应用不限于此，而是可以适用于或简单修改后适用于各种气体浓度的测量。为了更清楚详细地阐述本发明的应用，下文将结合图5描述将例如图1的检测系统应用于氨逃逸现场测量的一个例子，但应明白本发明不限于这些细节。
图5示出了根据本公开一些示例性实施例的现场检测烟气中的氨浓度的仪器的示意图。图5的仪器包括三个部分：前级预处理部分、分析仪部分和后级处理部分，其中分析仪部分中的气体浓度检测系统可以采用如前所述的图1到图4所示的气体浓度分析仪，并且利用如前所述的中红外量子级联激光器结合波长调制光谱技术以及激光器波长校准技术。
在对脱硝处理后的烟气中的氨逃逸测量中，待检测气体为氨气，可以选择大约9μm波段孤立的氨分子吸收谱线来进行测量，从而有效地避免水分子及其他气体分子吸收谱线的影响，提高了氨气浓度测量的准确度。例如，图1的激光器101输出的激光的波长可以设在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内。选择以上波段的激光可以较好地避免其他气体分子的干扰，而且还可以使用成熟的商用光学元器件来实现测量。例如，激光器101在室温下工作时典型的输出功率为100毫瓦(mW)，通过改变输入电流和工作温度，可以实现1cm-1到2cm-1的出光波长调谐。
由于在中红外波段氨分子谱线强度比近红外波段高出2到3个数量级，因此只需要使用单光程吸收池即可实现高精度的氨气浓度测量。单光程吸收池的使用极大的简化了光路结构，可应用于苛刻的工况环境，降低维护难度和成本。考虑到测量氨逃逸的工况环境，单光程吸收池尤其具有优势。
在现场测量时需要进行前级预处理来将烟气采样到单光程吸收池105中进行测量。如图5所示，该前级预处理部分可以包括前置过滤器、加热采样探杆和伴热管线，采用过滤的方式对烟道里抽取的烟气进行过滤处理，同时全程高温伴热，防止氨的吸附和硫酸氢铵((NH4)HSO4)的结晶，保证取样的真实性。
然后，在分析仪部分，通过例如图1所示的气体浓度分析仪对预处理后的烟气进行氨浓度的测量。分析仪部分还可以包括控制单元和显示单元，以便对气体浓度分析仪进行控制和对其检测结果进行显示。
在检测系统之后，后级处理部分可以包括流量计、调节阀和取样泵，取样泵主要作为样气取样的动力源，保证气路的正向流通。
图5所示的整个仪器结构具有以下优点：
1)对烟气进行过滤处理，消除粉尘对光学元件和测量的影响；
2)全程高温伴热，保证样气在取样过程中以及气体浓度检测系统中始终保持在180℃以上，有效防止氨的吸附和硫酸氢铵的结晶，以保证取样的真实性；
3)采用中红外光谱技术，对氨具有非常高的目标选择性和抗干扰性；
4)分析仪便于携带，操作简单，可安装在烟道任意位置，便于更换地点；
5)测量快速、准确，而且能实时校准激光器输出的波长，进一步提高测量的准确性。
综上，可以实现对氨气高选择、高灵敏度和高精度的实时在线测量。
图6示出了可以实现根据本发明的实施例的计算设备2000的示例性配置。计算设备2000是可以应用本发明的上述方面的硬件设备的实例。计算设备2000可以是被配置为执行处理和/或计算的任何机器。计算设备2000可以是但不限制于微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)、工作站、服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数据助手(PDA)、智能电话、车载计算机或以上组合。前述用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置或波长校准装置110均可以全部或至少部分地由上述计算设备2000或与其相似的设备或系统实现。该计算设备2000还可以同时实现信号处理电路的其他功能，例如前述的计算得到待测气体的浓度的操作，在一些实施方式中，例如包括根据已知标准浓度的2f信号与所获得的2f信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。在一些实施方式中，该计算设备2000还可以同时实现对驱动电路103的控制功能，例如控制驱动电路103提供的电流驱动信号的波形和幅值，和/或根据波长偏移信息的反馈来调整驱动电路103提供的电流驱动信号。
如图6所示，计算设备2000可以包括可能经由一个或多个接口与总线2002连接或通信的一个或多个元件。例如，计算设备2000可以包括总线2002、一个或多个处理器2004、一个或多个输入设备2006以及一个或多个输出设备2008。总线2002可以包括但不限于，工业标准架构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、微通道架构(Micro ChannelArchitecture，MCA)总线、增强ISA(EISA)总线、视频电子标准协会(VESA)局部总线、以及外设组件互连(PCI)总线等。一个或多个处理设备2004可以是任何种类的处理器，并且可以包括但不限于一个或多个通用处理器或专用处理器(诸如专用处理芯片)。输入设备2006可以是能够向计算设备输入信息的任何类型的输入设备，并且可以包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、麦克风和/或远程控制器。输出设备2008可以是能够呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。计算设备2000还可以包括或被连接至非暂态存储设备2010，该非暂态存储设备2010可以是任何非暂态的并且可以实现数据存储的存储设备，并且可以包括但不限于盘驱动器、光存储设备、固态存储器、软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁性介质、压缩盘或任何其他光学介质、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、缓存存储器和/或任何其他存储芯片或模块、和/或计算机可以从其中读取数据、指令和/或代码的其他任何介质。非暂态存储设备2010可以与任何接口可拆卸地连接。非暂态存储设备2010可以具有存储于其上的、用于实现前述用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法和/或步骤的数据/指令/代码。计算设备2000还可以包括通信设备2012，该通信设备2012可以是能够启用与外部装置和/或网络通信的任何种类的设备或系统，并且可以包括但不限于调制解调器、网络卡、红外线通信设备、无线通信设备和/或芯片集(诸如蓝牙TM设备、1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)。
计算设备2000还可以包括工作存储器2014。该工作存储器2014可以是能够存储对于处理器2004有用的指令和/或数据的任何类型的工作存储器，并且可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
位于上述工作存储器上的软件元件可以包括但不限于操作系统2016、一个或多个应用程序2018、驱动器和/或其他数据和代码。上述一个或多个应用程序2018可以包括用于执行如上所述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的各方法及各步骤的指令。可以通过读取和执行一个或多个应用程序2018的处理器实现前述的气体浓度分析仪中的波长校准装置110的部件/单元/元件。更具体地，例如，前述波长校准装置110中的存储部件112可以由处理器2004在执行具有用于执行图2A的步骤210的指令的应用程序2018时实现。此外，例如，前述波长校准装置110中的获得部件114可以由处理器2004在执行具有用于执行步骤220的指令的应用程序2018时实现。此外，例如，前述波长校准装置110中的判断部件116可以由处理器2004在执行具有用于执行步骤230的指令的应用程序2018时实现。前述波长校准装置110中的其它各个部件也可以用类似的方式实现。软件元件的指令的可执行代码或源代码可以存储在非暂态计算机可读存储介质(诸如如上所述的存储设备2010)中，并且可以通过编译和/或安装读入工作存储器2014中。还可以从远程位置下载软件元件的指令的可执行代码或源代码。
应当理解，可以根据特定要求进行变型。例如，可以使用定制的硬件和/或特定元件可以以硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合的方式实现。此外，可以采用与其他计算设备(诸如网络输入/输出设备)的连接。例如，本发明的方法和设备中的一些或全部可以根据本发明通过使用汇编语言编程硬件(例如，包括现场可编程门阵列(FPGA)和/或可编程逻辑阵列(PLA)的可编程逻辑电路)或逻辑和算法的硬件编程语言(例如VERILOG，VHDL，C++)来实现。
应当进一步理解，计算设备2000的元件可以分布在整个网络上。例如，可以在使用一个处理器执行一些处理的同时，使用其他远程处理器执行其他处理。计算机系统2000的其他元件也可以类似地分布。因此，计算设备2000可以被理解为在多个地点执行处理的分布式计算系统。
可以通过许多方式来实施本发明的方法和设备。例如，可以通过软件、硬件、固件、或其任何组合来实施本发明的方法和设备。上述的方法步骤的次序仅是说明性的，本发明的方法步骤不限于以上具体描述的次序，除非以其它方式明确说明。此外，在一些实施例中，本发明还可以被实施为记录在记录介质中的程序，其包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于实现根据本发明的方法的程序的记录介质。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等只是用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。
在此所使用的词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
在此所使用的词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，前面的描述可能提及了被“连接”或“耦接”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦接”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦接”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。例如，多个操作可以结合成单个操作，而单个操作可以分布于多个操作中，并且各操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，其它实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。而且，其它的修改、变化和替换同样是可能的。另外，上面描述的各个实施例和示例可以根据需要任意地组合，例如，某个实施例中描述的特定操作或细节也可以应用于其它实施例或示例。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1、一种气体浓度分析仪，其特征在于，包括：
激光器，被配置为发射激光；
驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；
吸收池，被配置为容纳待测气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该吸收池；
探测器，被配置为接收透射通过吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及
信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待测气体的浓度；
其中，所述信号处理电路包括前述的用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置或者前述的非暂态的计算机可读介质。
2、根据1所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器为发射中红外波段的激光的连续波中红外量子级联激光器。
3、根据2所述的气体浓度分析仪，其中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
4、根据1所述的气体浓度分析仪，其中，所述吸收池为长度在20cm到40cm的范围内的单光程吸收池。
5、根据1所述的气体浓度分析仪，其中，所述驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加正弦波调制的信号，以便对激光器发射的激光的波长进行扫描和调制。
6、根据5所述的气体浓度分析仪，其中，所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出二次谐波信号，对所述二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。
7、根据1所述的气体浓度分析仪，还包括温度控制电路以及封装激光器和温度控制电路的外壳，所述温度控制电路被配置为控制激光器的温度，并且所述温度控制电路包括：
一级温度控制电路，与其上安装有所述激光器的底座接触，并且被配置为设定激光器的温度；以及
二级温度控制电路，被配置为设定所述外壳包围的空间的温度，以便降低激光器的周围环境温度变化对激光器的温度带来的影响。
8、根据7所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器、所述底座、所述一级温度控制电路被封装在一壳体内，所述壳体被封装在所述外壳内，所述二级温度控制电路被放置在所述外壳的内壁上。
9、根据1所述的气体浓度分析仪，还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将激光器发射的激光聚焦到探测器。
10、根据9所述的气体浓度分析仪，其中，所述准直透镜为非球面透镜。
11、根据1所述的气体浓度分析仪，还包括：
离轴抛物面镜，被配置为将透射通过所述吸收池的激光反射到所述探测器。
12、根据1所述的气体浓度分析仪，其中，所述吸收池包括楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片。
13、根据1所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器被配置为发射波长不同的第一激光和第二激光；
所述驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路和第二驱动电路分别耦接到第一激光器和第二激光器，并且被配置为分别向第一激光器和第二激光器提供电流驱动信号；
所述吸收池被配置为同时容纳待检测的第一气体和第二气体；
所述探测器被配置为接收透射通过吸收池的第一激光和第二激光并且把第一激光和第二激光的强度转换为一个电信号；以及
所述信号处理电路被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号分别计算得到待检测的第一气体和第二气体的浓度。
14、根据13所述的气体浓度分析仪，其中，第一气体为氨气，第二气体为一氧化氮，第一激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
15、根据13所述的气体浓度分析仪，其中，所述第一驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第一频率的正弦波调制的信号，以便对第一激光器发射的第一激光的波长进行扫描和调制，
所述第二驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第二频率的正弦波调制的信号，以便对第二激光器发射的第二激光的波长进行扫描和调制，其中第一频率和第二频率互为质数，
所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出分别对应于第一和第二激光的第一和第二二次谐波信号，对第一和第二二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的第一和第二二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后分别计算得到待检测的第一和第二气体的浓度。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (29)

1.一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的方法，其特征在于，包括：
存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气二次谐波光谱和标准浓度二次谐波光谱；
获得待测气体的二次谐波光谱；
判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围；
在判断待测气体的浓度处于第一范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长；以及
在判断待测气体的浓度处于第二范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱与零气二次谐波光谱的相似度来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与零气二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长，
其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一范围与第二范围由阈值来划分，第一范围为大于阈值的值，第二范围为小于或等于阈值的值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标准浓度为满量程浓度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述阈值在标准浓度或满量程浓度的20％到30％的范围内。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述满量程浓度为20ppm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待测气体的二次谐波光谱是通过基于中红外激光的波长调制技术而获得的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述激光器为连续波中红外量子级联激光器，所述波长调制技术采用锯齿波叠加正弦波调制的信号作为所述激光器的电流驱动信号，以便对所述激光器发射的激光的波长进行扫描和调制。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述待测气体的二次谐波光谱是对气体浓度分析仪中的探测器所获得的电信号进行解调并提取出二次谐波信号并且对所述二次谐波信号进行滤波而获得的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述根据待测气体的二次谐波光谱与零气二次谐波光谱的相似度来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置的操作包括：
将零气二次谐波光谱的吸收峰作为模板，扫描待测气体的二次谐波光谱，并且将与所述模板相似度最高的区段视为待测气体的二次谐波光谱的吸收峰，从而获得对应的吸收峰中心位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述相似度是通过Fréchet距离算法或Hausdorff距离算法来计算的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待测气体包括氨气，所述二次谐波光谱至少覆盖在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内的波长，和/或
所述待测气体包括一氧化氮，所述二次谐波光谱至少覆盖在5.14μm到5.19μm的范围内的波长。
12.一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置，其特征在于，包括：
存储部件，所述存储部件存储在对气体浓度分析仪进行标定时获得的零气二次谐波光谱和标准浓度二次谐波光谱；
获得部件，所述获得部件获得待测气体的二次谐波光谱；
判断部件，所述判断部件判断待测气体的浓度处于第一范围还是第二范围；
第一范围校准部件，所述第一范围校准部件在所述判断部件判断待测气体的浓度处于第一范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰的最大值来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与标准浓度二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长；以及
第二范围校准部件，所述第二范围校准部件在所述判断部件判断待测气体的浓度处于第二范围的情况下，根据待测气体的二次谐波光谱与零气二次谐波光谱的相似度来确定待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置，并且计算待测气体的二次谐波光谱中的吸收峰中心位置与零气二次谐波光谱中的吸收峰中心位置之间的偏差，在偏差超出预定值时，根据该偏差生成反馈信号以校准激光器的波长，
其中第一范围与第二范围不重叠，第一范围的值大于第二范围的值。
13.一种用于校准气体浓度分析仪中的激光器的波长的装置，其特征在于包括：
一个或更多个处理器；以及
一个或更多个存储器，被配置为存储一系列计算机可执行指令，
其中所述一系列计算机可执行指令在由所述一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行根据权利要求1-11中的任意一个所述的方法。
14.一种非暂态的计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由一个或更多个处理器运行时使得所述一个或更多个处理器执行根据权利要求1-11中的任意一个所述的方法。
15.一种气体浓度分析仪，其特征在于，包括：
激光器，被配置为发射激光；
驱动电路，耦接到激光器，并且被配置为向激光器提供电流驱动信号，以便控制激光器发射的激光的波长；
吸收池，被配置为容纳待测气体，并且使激光器发射的激光能透射通过该吸收池；
探测器，被配置为接收透射通过吸收池的激光并且把激光的强度转换为电信号；以及
信号处理电路，被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号计算得到待测气体的浓度；
其中，所述信号处理电路包括根据权利要求12或13所述的装置或者根据权利要求14所述的计算机可读介质。
16.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器为发射中红外波段的激光的连续波中红外量子级联激光器。
17.根据权利要求16所述的气体浓度分析仪，其中，所述连续波中红外量子级联激光器包括分布反馈式连续波量子级联激光器或外腔式连续波量子级联激光器。
18.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，其中，所述吸收池为长度在20cm到40cm的范围内的单光程吸收池。
19.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，其中，所述驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加正弦波调制的信号，以便对激光器发射的激光的波长进行扫描和调制。
20.根据权利要求19所述的气体浓度分析仪，其中，所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出二次谐波信号，对所述二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后计算得到待检测的气体的浓度。
21.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，还包括温度控制电路以及封装激光器和温度控制电路的外壳，所述温度控制电路被配置为控制激光器的温度，并且所述温度控制电路包括：
一级温度控制电路，与其上安装有所述激光器的底座接触，并且被配置为设定激光器的温度；以及
二级温度控制电路，被配置为设定所述外壳包围的空间的温度，以便降低激光器的周围环境温度变化对激光器的温度带来的影响。
22.根据权利要求21所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器、所述底座、所述一级温度控制电路被封装在一壳体内，所述壳体被封装在所述外壳内，所述二级温度控制电路被放置在所述外壳的内壁上。
23.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，还包括准直透镜，所述准直透镜被配置为将激光器发射的激光聚焦到探测器。
24.根据权利要求23所述的气体浓度分析仪，其中，所述准直透镜为非球面透镜。
25.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，还包括：
离轴抛物面镜，被配置为将透射通过所述吸收池的激光反射到所述探测器。
26.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，其中，所述吸收池包括楔形镀增透膜的氟化钙窗片和/或楔形镀增透膜的硒化锌窗片。
27.根据权利要求15所述的气体浓度分析仪，其中，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，第一激光器和第二激光器被配置为发射波长不同的第一激光和第二激光；
所述驱动电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，第一驱动电路和第二驱动电路分别耦接到第一激光器和第二激光器，并且被配置为分别向第一激光器和第二激光器提供电流驱动信号；
所述吸收池被配置为同时容纳待检测的第一气体和第二气体；
所述探测器被配置为接收透射通过吸收池的第一激光和第二激光并且把第一激光和第二激光的强度转换为一个电信号；以及
所述信号处理电路被配置为接收探测器输出的电信号，并且利用该电信号分别计算得到待检测的第一气体和第二气体的浓度。
28.根据权利要求27所述的气体浓度分析仪，其中，第一气体为氨气，第二气体为一氧化氮，第一激光的波长在9.04μm到9.09μm或8.889μm到8.936μm的范围内，第二激光的波长在5.14μm到5.19μm的范围内。
29.根据权利要求27所述的气体浓度分析仪，其中，所述第一驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第一频率的正弦波调制的信号，以便对第一激光器发射的第一激光的波长进行扫描和调制，
所述第二驱动电路提供的电流驱动信号为锯齿波叠加第二频率的正弦波调制的信号，以便对第二激光器发射的第二激光的波长进行扫描和调制，其中第一频率和第二频率互为质数，
所述信号处理电路对所接收的电信号进行解调并提取出分别对应于第一和第二激光的第一和第二二次谐波信号，对第一和第二二次谐波信号进行滤波，并且根据已知标准浓度的二次谐波信号与所获得的第一和第二二次谐波信号的线性关系，利用最小二乘法拟合得到线性相关系数，然后分别计算得到待检测的第一和第二气体的浓度。
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