CN109991189A - 一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，还公开了上述基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量方法；本发明通过实时监测激光器出光中心波数修正气体浓度，克服了在激光器长期运行中出光中心漂移对测量的不良影响，实现了免标定固定点波长调制的准确测量；本发明方法不需要额外的参考气池标定气体浓度，更利于现场恶劣环境测量；另外本发明方法采用的谐波信号在频谱占据范围窄，利于多光谱耦合测量，便于实现多组分气体浓度同时在线测量；同时，本发明方法利用测量得到的线宽参与气体浓度的计算，无需利用光谱数据库中过多参数，消除了光谱参数、组分浓度不确定性的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，还涉及上述基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度的测量方法，属于光学测量技术领域。
背景技术
近年来，工业化进程虽然提高了城市居民的生活质量和经济水平，同时也加剧了大气污染。随着社会对环境保护的日益重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，准确检测大气环境气体污染物以及工业过程气体的浓度有着重要意义，研究制造能在现场长期工作，并且准确快速地测量气体浓度的技术与设备迫在眉睫。
目前应用于污染物气体浓度测量的方法，按照工作原理来分，主要分为非光学和光学分析法两种。非光学分析法主要有超声波技术法、气敏法、热催化法、气相色谱等，但是由于其极易受如温度、压力、湿度等环境因素的影响，很难应用于现场气体分析。光学气体浓度分析法，主要是基于光谱学的基本原理，当激光频率与气体吸收组分的跃迁频率相同时，激光能量将被吸收，通过对比入射光强与透射光强可以得到沿光路径的吸收值，进而确定气体温度和浓度等物性参数，具有无需预处理、响应快速、数据准确、多参数同时检测等优势，成为目前应用于众多领域的现场在线检测技术之一。
光谱法主要包括傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、激光光声光谱技术(PAS)、可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)等。FTIR技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜系统接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是FTIR设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵，因此未来还需要一定的发展。PAS技术是一种利用光声效应的气体浓度测量方法，激光二极管发射的激光速能量被待测气体吸收后转化为热能，从而使局部气体的温度产生了变化，同时引起气压的变化，产生光声波，利用声波微音器探测产生额声波并根据声波的幅值完成气体浓度的反演。但是采用共振模式极易受环境噪声的干扰，影响测量精度。TDLAS技术是基于半导体激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合适的待测气体特征吸收谱线即可以测出痕量气体的浓度。
早期对TDLAS技术的应用多使用原理简单，物理意义较为明确的直接吸收光谱技术(DAS)。但对于一部分气体处于吸收较弱的泛频带，不利于低浓度气体的检验，需要借助多次反射池等硬件设备增强气体的吸收。近年来，波长调制光谱(WMS)技术因有灵敏度高、低频噪声抑制能力强、无需确定基线等优点，而被广泛应用在气体浓度测量中。而在气体组分复杂的工业环境中，气体成分以及其浓度未知，导致HITRAN等数据库不能符合测量的需求。同时，在气体浓度测量过程中环境温度变化，驱动电流与温度的漂移，电路老化等问题会造成激光器出光中心波数漂移，从而影响气体浓度测量的准确性。因此，发展一种可以克服激光器出光中心波数漂移问题提高测量准确度、且不过分依赖于光谱数据库适用于组分复杂的环境的技术与装置来满足现场测量迫在眉睫。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置。
本发明还要解决的技术问题是提供上述基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置的测量方法，该测量方法能够克服激光器出光中心漂移带来的不良影响，适用于组分复杂的环境中气体浓度的测量。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，依次包括信号发生模块、气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器、光纤分束器和光纤准直器；气体测量模块包括光学标准具、伴热管带、测量池及包裹在测量池外的加热模块；信号接收模块由三个光电探测器组成；待测的气体通过伴热管带预热后进入通有气体的测量池，加热模块使测量池维持在设定温度；函数发生器将调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐，分布式反馈激光器输出的激光经光纤分束器分成三束，一束经光纤准直器准直后进入通有气体的测量池，经待测气体吸收后被光电探测器接收并转换为电信号，得到透射光强信号；一束经光学标准具后被光电探测器接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。
上述基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，包括如下步骤：
步骤1，函数发生器将调制频率fm信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长和光强进行调谐；
步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光纤准直器准直后进入通有气体的测量池，由光电探测器采集透射光强信号一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号另一束直接由光电探测器采集背景光强信号
步骤3，由测量得到的背景光强信号与透射光强信号计算得到光谱吸收率α[v(t)]：
通过寻峰法找到光谱吸收率α[v(t)]曲线峰值，提取峰值对应时刻t0以及计算得出半峰值P；
步骤4，通过测量得到的标准具信号提取出分布式反馈激光器时频响应离散点，通过余弦函数拟合得到调制深度a以及调制相位
步骤5，结合步骤4所得调制深度a以及调制相位利用谱线中心v0以及峰值对应时刻t0得到出光中心波数v1，并以此获得时间频率响应特性v(t)：
步骤6，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行时频转换得到α(v)，进而以半峰值P对光谱吸收率α(v)截取得到半高半宽γ；
步骤7，在分析光谱吸收率频谱信息后，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行数字锁相-低通滤波处理获取二次谐波幅值
式(4)中，为光谱吸收率α[v(t)]对应的二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器；
步骤8，结合步骤6所得的半高半宽γ以及步骤4所得的调制深度a，计算得到调制系数m：
进一步计算得到激光器出光中心v1相对谱线中心v0偏移程度的无量纲参数Δ：
步骤9，根据上述所得参数计算得出积分吸收面积A，在温度已知的条件下根据气体浓度计算公式计算得到气体浓度。
其中，其特征在于：步骤9中，积分吸收面积A的具体计算公式为：
式(8)中，
其中，其特征在于：步骤9中，气体浓度的具体计算公式为：
式(9)中，P为气体总压；S(T)为温度T下的谱线线强；L为吸收光程长。
与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：
相对于现有的固定点波长调制光谱技术，本发明利用测量得到的线宽参与气体浓度的计算，无需利用光谱数据库中过多参数，消除了光谱参数、组分浓度不确定性的影响；另外，本发明方法考虑了分布式反馈激光器(DFB)出光中心漂移对测量的影响，通过实时计算出光中心，有效提高了气体浓度测量的准确性；最后，本发明方法相较于扫描波长调制技术，其谐波信号在频谱范围窄，利于多光谱耦合测量，便于实现多组分气体浓度在线监测；本发明方法能够在具有气体组分复杂的环境中实现气体浓度长时间的稳定监测。
附图说明
图1为本发明基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置的系统原理图；
图2为本发明基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
如图1所示，本发明基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，依次包括信号发生模块1、气体测量模块2、信号接收模块3和信号处理模块4；信号发生模块1包括函数发生器5、激光控制器6、分布式反馈激光器(DFB)7、光纤分束器8以及光纤准直器9；气体测量模块2包括光学标准具10、伴热管带13、测量池11及包裹在测量池11外的加热模块12；信号接收模块3由三个光电探测器15组成；待测的气体14通过伴热管带13预热后进入通有气体的测量池11，加热模块12使测量池11维持在设定温度；函数发生器5将调制信号输入到激光控制器6中，激光控制器6对分布式反馈激光器7的输出波长和光强进行调谐，分布式反馈激光器7发出的激光经光纤分束器8分成三束，一束经过光纤准直器9后由激光发射端进入测量池11，带气体吸收信号的透射光被光电探测器15接收并转换为电信号，得到透射光强信号；一束经过光学标准具10后被光电探测器15接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器15接收得到背景信号；三路信号均传输至信号处理模块4进行处理。
如图2所示，本发明基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度的测量方法，包括如下九个步骤：步骤1，函数发生器将调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐；步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光纤准直器准直后进入通有气体的测量池，由光电探测器采集散射光强信号；一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号；另一束直接由光电探测器得到背景光强信号；步骤3，由测量得到的背景光强信号与透射光强信号，计算得到光谱吸收率α[v(t)]，通过寻峰法找到光谱吸收率曲线峰值，提取峰值对应时刻t0以及计算得出半峰值P；步骤4，测量得到的标准具信号，提取出激光器时频响应离散点，通过余弦函数拟合得到调制深度a以及调制相位步骤5，结合步骤4所得调制深度a以及调制相位利用谱线中心v0以及峰值对应时刻t0得到出光中心波数v1，并以此获得时间频率响应特性v(t)；步骤6，对步骤3获得的α[v(t)]进行时频转换得到α(v)，进而以半峰值P对光谱吸收率α(v)截取得到半高半宽γ；步骤7，在分析光谱吸收率频谱信息后，对步骤3获得的α[v(t)]进行数字锁相-低通滤波处理获取二次谐波幅值步骤8，结合步骤6所得的半高半宽γ以及步骤4所得的调制深度a，计算得到调制系数m，进一步计算得到表征偏移量的无量纲参数Δ；步骤9，根据上述所得参数计算得出积分吸收面积A，在温度已知的条件下，根据HITRAN2016光谱数据库计算得到气体浓度；
具体为：
步骤1，函数发生器5将调制频率fm信号输入激光控制器6中，激光控制器6对DFB激光器7的输出波长和光强进行调谐；
步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光纤准直器9准直后进入通有气体的测量池11，由光电探测器15采集透射光强信号一束经过光学标准具10，由光电探测器15采集标准具信号另一束直接由光电探测器15采集背景光强信号
步骤3，由测量得到的背景光强信号与透射光强信号计算得到光谱吸收率α[v(t)]：
通过寻峰法找到光谱吸收率α[v(t)]曲线峰值，提取峰值对应时刻t0以及计算得出半峰值P；
步骤4，通过测量得到的标准具信号提取出激光器时频响应离散点，通过余弦函数拟合得到调制深度a以及调制相位获得时间频率响应特性v(t)；
步骤5，结合步骤4所得调制深度a以及调制相位利用谱线中心v0以及峰值对应时刻t0得到出光中心波数v1：
步骤6，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行时频转换得到α(v)，进而以半峰值P对光谱吸收率α(v)截取得到半高半宽γ；
步骤7，在分析光谱吸收率频谱信息后，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行数字锁相-低通滤波处理获取二次谐波幅值
式(4)中，为光谱吸收率α[v(t)]对应的二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器；
步骤8，结合步骤6所得的半高半宽γ以及步骤4所得的调制深度a，计算得到调制系数m：
从而进一步计算得到激光器7出光中心v1相对谱线中心v0偏移程度的无量纲参数Δ：
步骤9，根据上述所得参数计算得出积分吸收面积A：
式(8)中，X＝1-Δ2+m2；在温度已知的条件下，根据HITRAN2016光谱数据库计算得到气体浓度：
式(9)中：P为气体总压；S(T)为温度T下的谱线线强；L为吸收光程长。
本发明通过实时监测分布式反馈激光器出光中心波数修正气体浓度，克服了在激光器长期运行中出光中心漂移对测量的不良影响，实现了免标定固定点波长调制的准确测量；一方面，本发明方法不需要额外的参考气池标定气体浓度，更利于现场恶劣环境测量；另一方面，本发明方法采用的谐波信号在频谱占据范围窄，利于多光谱耦合测量，便于实现多组分气体浓度同时在线测量；最后，本发明方法利用测量得到的线宽参与气体浓度的计算，无需利用光谱数据库中过多参数，消除了光谱参数、组分浓度不确定性的影响。因此本发明测量方法能够用于具有组分复杂环境的测量环境中，实现气体浓度的在线精确监测。
Claims (4)
1.一种基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，其特征在于：依次包括信号发生模块、气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；其中，信号发生模块包括函数发生器、激光控制器、分布式反馈激光器、光纤分束器和光纤准直器；气体测量模块包括光学标准具、伴热管带、测量池及包裹在测量池外的加热模块；信号接收模块由三个光电探测器组成；待测的气体通过伴热管带预热后进入通有气体的测量池，加热模块使测量池维持在设定温度；函数发生器将调制信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长、光强进行调谐，分布式反馈激光器输出的激光经光纤分束器分成三束，一束经光纤准直器准直后进入通有气体的测量池，经待测气体吸收后被光电探测器接收并转换为电信号，得到透射光强信号；一束经光学标准具后被光电探测器接收，得到标准具信号；另一束光信号直接被光电探测器接收得到背景信号，三路信号均由对应的光电探测器传输至信号处理模块进行处理。
2.一种权利要求1所述的基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，函数发生器将调制频率fm信号输入激光控制器中，激光控制器对分布式反馈激光器的输出波长和光强进行调谐；
步骤2，将步骤1的调制光经光纤分束器分为三束，一束经光纤准直器准直后进入通有气体的测量池，由光电探测器采集透射光强信号一束经过光学标准具，由光电探测器采集标准具信号另一束直接由光电探测器采集背景光强信号
步骤3，由测量得到的背景光强信号与透射光强信号计算得到光谱吸收率α[v(t)]：
通过寻峰法找到光谱吸收率α[v(t)]曲线峰值，提取峰值对应时刻t0以及计算得出半峰值P；
步骤4，测量得到的标准具信号提取出分布式反馈激光器时频响应离散点，通过余弦函数拟合得到调制深度a以及调制相位
步骤5，结合步骤4所得调制深度a以及调制相位利用谱线中心v0以及峰值对应时刻t0得到出光中心波数v1，并以此获得时间频率响应特性v(t)：
步骤6，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行时频转换得到α(v)，进而以半峰值P对光谱吸收率α(v)截取得到半高半宽γ；
步骤7，在分析光谱吸收率频谱信息后，对步骤3获得的光谱吸收率α[v(t)]进行数字锁相-低通滤波处理获取二次谐波幅值
式(4)中，为光谱吸收率α[v(t)]对应的二次谐波x分量和y分量，F为低通滤波器；
步骤8，结合步骤6所得的半高半宽γ以及步骤4所得的调制深度a，计算得到调制系数m：
进一步计算得到激光器出光中心v1相对谱线中心v0偏移程度的无量纲参数Δ：
步骤9，根据上述所得参数计算得出积分吸收面积A，在温度已知的条件下根据气体浓度计算公式计算得到气体浓度。
3.根据权利要求2所述的基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置的测量方法，其特征在于：步骤9中，积分吸收面积A的具体计算公式为：
式(8)中，X＝1-Δ2+m2；
4.根据权利要求2所述的基于波数漂移修正的固定点波长调制气体浓度测量装置的测量方法，其特征在于：步骤9中，气体浓度的具体计算公式为：
式(9)中，P为气体总压；S(T)为温度T下的谱线线强；L为吸收光程长。
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