CN109596568B

CN109596568B - 一种tdlas系统消除背景气误差的方法

Info

Publication number: CN109596568B
Application number: CN201811561483.7A
Authority: CN
Inventors: 孙菲; 常洋; 鞠昱
Original assignee: Beijing Aerospace Yilian Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Tianhong Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN109596568A

Abstract

本发明涉及一种TDLAS系统消除背景气误差的方法，包括TDLAS系统中的气室、激光器和探测器，激光器发出的激光束穿过气室中的待测气体，激光束在穿过气室的光程中减弱强度、并由探测器测量减弱的激光强度，在激光器和/或探测器中存在有背景气；气室是可变光程的气室，系统消除背景气误差的方法包括：通过气室改变所述光程，进行两次光程不同的激光束穿过气室试验，由探测器记录两次所述试验中被减弱的激光束强度，根据两次所述试验中获得的被减弱的激光束强度计算出背景气的浓度。本发明的有益效果是：在TDLAS检测中，可以消除激光器和探测器中的背景气对测量结果的影响，提高检测的准确度，方法简单易用，可显著提高TDLAS检测技术的实用性。

Description

一种TDLAS系统消除背景气误差的方法

技术领域

本发明属于气体分析技术领域，尤其涉及一种TDLAS系统消除背景气误差的方法。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱分析技术（TDLAS）是近些年发展起来的一项基于半导体激光器等光电子器件的气体检测技术，通过选择不同波长的激光器，可以实现多种气体的检测。TDLAS系统主要由激光器、气室、探测器、信号处理模块以及光纤链路构成，基于比尔朗伯吸收定律，TDLAS系统利用气室中气体对激光的吸收作用进行气体浓度的测算，然而TDLAS系统中的激光器、探测器、光学耦合连接中也存在气体间隙，这些气体间隙中的气体也会产生对激光的吸收作用，这些气体我们通常称之为背景气，光学耦合连接中的空气间隙为毫米量级，对气体测量的影响可忽略，而激光器和探测器中的空气间隙为厘米量级，对气体测量的影响不可忽略，特别是低浓度气体的测量。尤其是在背景气与待测气体为相同气体时，这种影响十分突出，不可忽视。现有技术通常有两种解决方案，一种是在激光器和探测器的制作中用高纯氮气吹扫，然而其封装无法保证完全密闭，背景气的吸收作用无法完全消除；另一种是双光路相减去除影响，该方法不仅增加了系统的复杂度，而且无法保证双光路背景气吸收的一致性。

发明内容

本发明的目的是提出一种TDLAS系统消除背景气误差的方法的技术方案，提高TDLAS气体检测技术的效果。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种TDLAS系统消除背景气误差的方法，包括TDLAS系统中的气室、激光器和探测器，激光器发出的激光束穿过所述气室中的待测气体，所述激光束在穿过气室的光程中减弱强度、并由探测器测量减弱的激光强度，在所述激光器和/或探测器中存在有背景气；所述气室是可变光程的气室，所述系统消除背景气误差的方法包括：通过气室改变所述光程，进行两次光程不同的所述激光束穿过气室试验，由探测器记录两次所述试验中被减弱的激光束强度，根据两次所述试验中获得的被减弱的激光束强度计算出背景气的浓度。

更进一步，所述背景气浓度的计算方法包括：

C_b =（k₁L₂-k₂L₁）/[(L₂-L₁)·α(γ)·d]

其中：

C_b为背景气浓度；

k₁=ln[I₁/I₀]，k₂=ln[I₂/I₀]，I₀为激光束进入所述光程时的强度，I₁为第一次试验中激光束穿过所述光程后的强度，I₂为第二次试验中激光束穿过所述光程后的强度；

L₁为第一次所述试验中的光程长度，L₂ 为第二次所述试验中的光程长度；

d为所述激光束穿过的背景气存在的空间长度；

α(γ)为气体的吸收系数。

更进一步，为了满足背景气浓度的计算，所述可变光程气室的最大光程大于等于最小光程的2倍。

更进一步，为了提高气室的调整精度，所述光程的调整由光纤光栅控制器控制。

本发明的有益效果是：在TDLAS检测中，可以消除激光器和探测器中的背景气对测量结果的影响，提高检测的准确度，方法简单易用，可显著提高TDLAS检测技术的实用性。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1是本发明装置原理图；

图2是本发明气室伸展状态示意图；

图3是本发明气室收缩状态示意图。

具体实施方式

如图1，一种TDLAS系统消除背景气误差的方法，包括TDLAS系统中的气室1、激光器2和探测器3，气室中充有待测气体。激光器发出激光束，激光束通过光纤4和准直器5进入所述气室，准直器和所述探测器为与气室的两端，激光器发出的激光束穿过所述气室中的待测气体，所述激光束在穿过气室的光程L中减弱强度、并由探测器测量减弱的激光强度。探测器将接收的激光束的强度数据传送到信号处理模块6。

所述气室是可变光程的气室，即所述气室是可伸缩的气室，气室两端的准直器和探测器之间的距离随气室的伸缩而变化，所述光程L也随之变化。所述光程的调整由光纤光栅控制器7控制，所述光程的调节是连续调节，由于采用了光栅控制，光程的调节精度不小于1um，即光程调节的误差不大于1um。所述可变光程气室的光程变化范围大于50%。即最大光程大于等于最小光程的2倍。

TDLAS系统需要准确地测量和计算出待测气体的浓度。在所述激光器和/或探测器中存在有背景气；TDLAS系统在工作时需要消除背景气对测量结果产生的误差。如果能够准确的测定背景气的浓度，就能够消除背景气对测量结果产生的误差。

本方法主要针对待测气体与背景气是同种气体的应用环境。

所述系统消除背景气误差的方法是：通过气室的伸缩改变所述光程，进行两次光程不同的所述激光束穿过气室试验（TDLAS试验），由探测器记录两次所述试验中被减弱的激光束强度，根据两次所述试验中获得的被减弱的激光束强度计算出背景气的浓度。

在光学中，当一束光穿过特定的材料介质时，光会被材料部分吸收。Beer-Lambert定律（比尔-朗伯定律）描述了光的吸收量与材料和光的性质之间的函数关系。该关系在单一气体浓度检测中可用下述方程描述：

I=I₀exp[-α(γ)CL] （1）

其中I为穿过待测气体后的透射光光强；I₀为进入待测气体时的入射光强，I与I₀是测试中可获得的数据，光强采用功率计量，单位为mW；α(γ)为吸收系数，该系数与气体的种类以及穿过该气体的光频率（波长）有关，是已知的常数,单位为cm^-1；C为待测气体的浓度，为体积比，是无量纲的比值。L为光所经过的待测气体的吸收路径长度。

采用上述公式，在一次TDLAS试验中，测得气体的浓度（C）包括所述气室中的待测气体浓度（C_t）和背景气的气体浓度（C_b），试验中气体的吸收路径长度（L）包括气室中被测气体的光程长度和背景气的光程长度（d）。因此在一次TDLAS试验中包含了背景气对测量结果产生的误差。可以推断，在试验中激光束经历了两个衰减过程，一是在待测气体中的衰减过程，另一个是在背景气中的衰减过程。设激光束在穿过待测气体后的透射光光强为I₁，由公式（1）可表达为在待测气体中衰减后：

I₁=I₀exp[-α(γ) C_t L]

进一步在背景气中衰减后得到

I= I₁exp[-α(γ)C_bd]

I= I₀exp[-α(γ)C_tL]·exp[-α(γ)C_bd] （2）

对公式（2）整理变换可推导出：

I/I₀= exp[-(α(γ)C_tL)-(α(γ)C_bd)]= exp[-α(γ)(C_tL+C_bd)]

Ln（I/I₀）=-α(γ)(C_tL+C_bd)

设k= Ln（I/I₀），得到：

k=-α(γ)(C_tL+C_bd) （3）

在如图1连接构成TDLAS系统中，气室由准直镜和探测器构成，与传统的气室不同，将探测器与光纤光栅距离控制器连接，实现气室光程的可变调节，精度可达1um。将TDLAS系统放置于温度湿度稳定的环境中。气室伸展时，光程为L₂（如图2所示），测试光变化比为k₂。气室收缩时，光程为L₁（如图3所示），测试光变化比为k₁。气室伸展时和气室收缩时分别进行一次试验，设此时激光器和探测器中的气体（即背景气）的浓度为C_b，激光器和探测器的空气间隙为d，d是根据装置可准确获得的数据，气室中的待测气体的浓度为C_t，此时在两次试验中的C_t值和C_b值均相等。

将气室伸展时测得的数据输入公式（3）：

k₁=-α(γ)·（C_t· L₁ +C_b·d ）（4）

k₂=-α(γ)·（C_t· L₂ +C_b·d ）（5）

式中：k₁=ln[I₁/I₀]，k₂=ln[I₂/I₀]，I₀为激光束进入所述光程时的强度，I₁为第一次试验中激光束穿过所述光程后的强度，I₂为第二次试验中激光束穿过所述光程后的强度。激光束的强度采用功率计量，单位为mW。

对公式（4）和公式（5）进行变换可得到：

C_t =[-α(γ)·C_b·d- k₁] / [α(γ)·L₁ ] （6）

C_t =[-α(γ)·C_b·d -k₂] / [α(γ)·L₂ ] （7）

由公式（6）和公式（7）可得到：

L₂·[-α(γ)·C_b·d -k₁] = L₁·[-α(γ)·C_b·d -k₂] （8）

由公式（8）得到：

C_b =[k₁L₂- k₂L₁]/[(L₁- L₂)·α(γ)·d] （9）

式中：

C_b为背景气浓度，为体积比，是无量纲的比值；

L₁为气室收缩时的光程，单位为cm；

L₂为气室伸展时的光程，单位为cm；

D为背景气的光程长度，单位为cm；

α(γ)为吸收系数，单位为cm^-1。

至此，可计算出背景气的浓度C_b。

本方法可以用于待测气体和背景气是同种气体的应用环境的测量，如测量大气的含水量。也可用于待测气体和背景气是不同气体的应用环境的测量，如实验室中的测量。还可以通过多次不同气室光程的测量校验测试设备的准确度。

实施例一：

如图1，一种TDLAS系统消除背景气误差的方法，包括TDLAS系统中的气室1、激光器2和探测器3，气室中充有待测气体。激光器发出激光束，激光束8通过光纤4和准直器5进入气室，准直器和探测器为与气室的两端，激光器发出的激光束穿过气室中的待测气体，激光束在穿过气室的光程L中减弱强度、并由探测器测量减弱的激光强度。探测器将接收的激光束的强度数据传送到信号处理模块6。

气室是可变光程的气室，即气室是可伸缩的气室，光纤光栅控制器控制气室探测器一侧的移动，使气室两端的准直器和探测器之间的距离随气室的伸缩而变化，光程L也随之变化。光程的调整由光纤光栅控制器7控制，光程的调节是连续调节，由于采用了光栅控制，光程的调节精度不小于1um，即光程调节的误差不大于1um。本实施例中，最大光程（即气室伸展到最大程度）为50cm，最小光程（即气室收缩到最小程度）为24cm，可变光程气室的光程变化范围大于50%。背景气的光程长度（d）为1cm。

本实施例采用上述装置对大气湿度进行测量。

激光器的光功率为5mW。

第一次测量中，将光程设置到L₁=25cm。测量结果为：探测器接收的光功率为4.6765mW。

第二次测量中，将光程设置到L₂=50cm。测量结果为：探测器接收的光功率为4.3879wW。

依据公式（公式9）：C_b =[k₁L₂- k₂L₁]/[ (L₁- L₂)·α(γ)·d]，其中α(γ)=1.274cm^-1。经信号处理模块进行处理计算：

k₁=ln[4.6765/5]=-0.0669

k₂=ln[4.3879/5]=-0.1306

C_b =[-0.0669×50+0.1306×25]/[（50-25）×1.274×1]=0.0025

根据公式（4）：k1=-α(γ)·（Ct· L1 +Cb·d ）

C_t=-(α(γ)·C_b·d + k₁)/[α(γ) L₁]

C_t=-[1.274×0.0025×1+（-0.0669）]/[1.274×25]=0.0020

数据处理结果为：

背景气浓度C_b=0.0025。

待测气体浓度C_t=0.0020。

Claims

1.一种TDLAS系统消除背景气误差的方法，包括TDLAS系统中的气室、激光器和探测器，激光器发出的激光束通过光纤和准直镜进入所述气室，并穿过所述气室中的待测气体，所述激光束在穿过气室的光程中减弱强度、并由探测器测量减弱的激光强度，在所述激光器和/或探测器中存在有背景气；其特征在于，所述气室是可变光程气室，气室由准直镜和探测器构成，所述准直镜和所述探测器位于气室的两端，气室两端的准直镜和探测器之间的距离随气室的伸缩而变化，所述光程也随之变化，所述系统消除背景气误差的方法包括：通过气室的伸缩改变所述光程，进行两次光程不同的所述激光束穿过气室试验，由探测器记录两次所述试验中被减弱的激光束强度，根据两次所述试验中获得的被减弱的激光束强度计算出背景气的浓度；

所述背景气浓度的计算方法为：

C_b =[k₁L₂- k₂L₁]/[(L₁- L₂)·α(γ)·d]

其中：

C_b为背景气浓度；

d为所述激光束穿过的背景气存在的空间长度；

α(γ)为气体的吸收系数；

所述可变光程气室的最大光程大于等于最小光程的2倍；

所述光程的可变调节是通过将探测器与光纤光栅距离控制器连接来实现的。