CN110231313B - 一种激光气体分析仪在线零点校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光气体分析仪在线零点校准方法及装置，属于激光测量领域。其中该方法包括以下步骤：存储待测的目标气体的光吸收频率；控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，检测得到光通过待测的目标气体后的第一光电转换信号；根据第一光电转换信号得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。该校准方法可以得到在复杂环境下的光路噪声，进而通过该校准方法会得到准确的气体分析结果。

Description

一种激光气体分析仪在线零点校准方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光气体分析仪在线零点校准方法及装置，属于激光测量领域。

背景技术

气体浓度检测在人类的现实生活生产中具有重要意义。在工业生产方面，气体检测是指导生产过程材料配比，提高生产效率，降低废气排放的基本手段；在农业生产上，气体检测是发展新型农业，发展精细农业的基本要求；在环境监测方面，气体检测是评估环境质量，追踪污染源的根本方法。传统的气体检测手段包括化学、电化学、热催化、热导式等方法，这些方法在精度、灵敏度、可在线等综合考虑上要逊于激光光谱检测气体技术。

在激光光谱检测气体技术中，直接吸收光谱技术是光谱技术中原理最简单的技术，也是激光气体分析仪中最简单的光谱技术。在直接吸收光谱技术中，不同气体会吸收不同频率的光子后发生分子跃迁，激光器发出目标气体吸收频率的激光，通过检测激光通过目标气体前后光强的损失量，反推出气体的浓度。但是，直接吸收光谱技术的灵敏度较低，只有10^-3ppm，在多个场合都很难满足人们的现实需要，为了提高气体的探测灵敏度，调制光谱技术、多通道池光谱技术、光声光谱技术、腔衰荡光谱技术等多个应用技术被提出，这些技术都被运用到激光气体分析仪中对气体进行检测。

在实际检测过程中，会存在各种噪声影响检测结果，因此，在进行检测气体之前，为了让检测结果更加准确，需要对激光气体分析仪进行校准。例如：申请公布号为CN104568835A的中国发明专利申请文件公开了一种消除光纤传感器系统中二次谐波剩余幅度调制的方法，激光器产生的光通过耦合器一分为二，一路直接到探测器，另一路通过气室到探测器，将两路信号相除得到消除剩余幅度调制对二次谐波的影响，消除强度噪声，提高了信噪比。但是在使用气体检测系统时，除了激光器和气室等产生的噪声外，还会存在复杂环境如温湿度变化等情况，激光从出射到与气室内气体接触带来的光路噪声，因此，上述的自校准方法在遇到复杂环境对光路产生影响时不能够准确的给出校准系数，使得气体测量分析的结果不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光气体分析仪在线零点校准方法，用于解决现有校准方法在遇到复杂环境时给出的校准结果不准确导致气体测量分析结果不准确的问题；同时，还提供一种激光气体分析仪在线零点校准装置，用于解决现有校准装置在遇到复杂环境时给出的校准结果不准确导致气体测量分析结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种激光气体分析仪在线零点校准方法，包括以下步骤：

1)存储待测的目标气体的光吸收频率；

2)控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，检测得到光通过待测的目标气体后的第一光电转换信号；

3)根据第一光电转换信号得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。

另外，还提出一种激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在所述处理器上的相关程序，所述处理器执行所述相关程序实现上述激光气体分析仪在线零点校准方法。

该方法在已知待测的目标气体的光吸收频率情况下，通过控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，待测的目标气体对光源无吸收，使得第一光电转换信号中不仅包括光源的本底噪声，还包括待测的目标气体产生的光路噪声，以该信号作为零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪中的补偿参数，通过该校准方法，即使遇到复杂环境，比如说外界温度变化时，也会得到准确的气体分析结果。而且通过存储的待测的目标气体的光吸收频率，可以实时对光源产生的光频率进行调节，实现了对激光气体分析仪的在线零点校准。

进一步的，上述激光气体分析仪在线零点校准方法及装置中还获取相同光源条件下光在不通过待测的目标气体时探测到的第三光电转换信号，用第一光电转换信号减去第三光电转换信号得到优化后的第一光电转换信号；步骤3)中根据优化后的第一光电转换信号得到零点背景。

通过优化后的第一光电转换信号可以得到更加精确的零点背景。

进一步的，上述激光气体分析仪在线零点校准方法及装置中各光电转换信号均为通过交直流分离、高频波长调制、锁相放大和归一化后得到的归一化二次谐波信号。

得到各信号的归一化二次谐波信号是为了使各二次谐波信号位于同一光强水平，便于对各信号的分析。

同时，本发明还提出一种激光气体分析仪在线零点校准方法，包括以下步骤：

1)探测光通过标准的目标气体后的第二光电转换信号，根据第二光电转换信号得到目标气体的光吸收频率；

2)控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，检测得到光通过待测的目标气体后的第一光电转换信号；

3)根据第一光电转换信号得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。

另外，还提出一种激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在所述处理器上的相关程序，所述处理器执行所述相关程序实现上述激光气体分析仪在线零点校准方法。

该方法通过标准的目标气体得到待测的目标气体的光吸收频率，控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，待测的目标气体对光源无吸收，使得第一光电转换信号中不仅包括光源的本底噪声，还包括待测的目标气体产生的光路噪声，以该信号作为零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪中的补偿参数，通过该校准方法，即使遇到复杂环境，比如说外界温度变化时，也会得到准确的气体分析结果，同时还对光频率是否位于目标气体的光频率位置进行了明确判断。而且通过第二光电转换信号可以实时对光源产生的光频率进行调节，实现了对激光气体分析仪的在线零点校准。

进一步的，上述激光气体分析仪在线零点校准方法及装置的步骤1)中还探测相同光源条件下光在不通过待测的目标气体时的第三光电转换信号，根据第二光电转换信号与第三光电转换信号的差得到目标气体的光吸收频率。

第二光电转换信号是通过标准的目标气体后的信号，第三光电转换信号是激光器自身的信号，通过第二光电转换信号与第三光电转换信号的差更精确的得到目标气体的光吸收频率。

进一步的，上述激光气体分析仪在线零点校准方法及装置的步骤2)中用第一光电转换信号减去第三光电转换信号得到优化后的第一光电转换信号；步骤3)中根据优化后的第一光电转换信号得到零点背景。

通过优化后的第一光电转换信号可以得到更加精确的零点背景。

进一步的，上述激光气体分析仪在线零点校准方法及装置中各光电转换信号均为通过交直流分离、高频波长调制、锁相放大和归一化后得到的归一化二次谐波信号。

得到各信号的归一化二次谐波信号是为了使各二次谐波信号位于同一光强水平，便于对各信号的分析。

附图说明

图1为本发明激光气体分析仪在线零点校准方法实施例1对应的激光气体分析仪的结构图；

图2为本发明激光气体分析仪在线零点校准方法实施例1的流程图；

图3为本发明激光气体分析仪在线零点校准方法实施例2的流程图。

具体实施方式

激光气体分析仪在线零点校准方法实施例1：

本实施例提出的激光气体分析仪在线零点校准方法可以在如图1所示的激光气体分析仪中实现，该激光气体分析仪包括带尾纤的半导体激光器(以下简称激光器)、光纤分束器、待测气室、标准气室、三个光电探测器以及激光气体分析仪在线零点校准装置。

三个光电探测器分别是光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C，并且这三个光电探测器的型号相同。

待测气室和标准气室中都包含目标气体，只是待测气室中目标气体的浓度未知，标准气室中目标气体的浓度已知。

光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C连接激光气体分析仪在线零点校准装置的输入端，激光气体分析仪在线零点校准装置的输出端连接激光器。

激光器用于发射检测光源，激光器的扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率的位置(即无目标气体光吸收频率的位置)，光纤分束器用于将光源的一束光分为几束光，本实施例中，激光器出射激光经过光纤分束器后被分成三束，第一束光经过光纤准直器后(图中未画出)直接被光电探测器A接收，第二束光经过已知浓度的标准气室后被光电探测器B接收，第三束光经过待测气室后被光电探测器C接收，各光电探测器将接收的信号输入激光气体分析仪在线零点校准装置，激光气体分析仪在线零点校准装置对各信号进行分析处理后即可实现激光气体分析仪在线零点校准。

激光气体分析仪在线零点校准装置包括处理器(即图1中的核心处理器)和运行在处理器上的相关程序，处理器执行相关程序实现如图2所示的激光气体分析仪在线零点校准方法，该处理器属于校准装置的控制部分，同时,为了使激光器正常工作以及保证各探测器的信号处于同一光强水平，该控制部分还设置有滤波电路、锁相放大电路、高频调制电路、显示电路等进行辅助校准。其中滤波电路为了实现光电探测器信号的交直流分离，可采用现有交直流分离技术实现，而锁相放大电路、高频调制电路和显示电路均可以通过软件实现。

激光气体分析仪在线零点校准方法的具体过程为：

1)高频调制电路产生的高频波长调制信号和处理器产生的低频锯齿波扫描信号同时加载到激光器上，调制过的激光被分成三束，第一束光经过光纤准直器后直接被光电探测器A接收，第二束光经过已知浓度的标准气室后被光电探测器B接收，第三束光经过待测气室后被光电探测器C接收，各探测器将接收的光信号转化为电信号输入滤波电路。

2)滤波电路将光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C输入的信号分离为交流信号H_A、H_B、H_C，直流信号I_A、I_B、I_C。直流信号I_A、I_B、I_C送入核心处理器；交流信号H_A、H_B、H_C与高频调制电路产生的高频波长调制信号一起进入锁相放大电路进行波长解调，分别得到相应的二次谐波信号S_A、S_B和S_C，二次谐波信号S_A、S_B和S_C进入核心处理器。

由于此时激光器扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率的位置，因此，此时二次谐波信号S_A中携带有激光器的本底噪声S_laser，二次谐波信号S_B中携带有激光器的本底噪声S_laser和标准的目标气体的吸收信息S_stand，二次谐波信号S_C中携带有激光器的本底噪声S_laser、待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

3)核心处理器对二次谐波信号S_A、S_B和S_C进行归一化处理，使各二次谐波信号位于同一光强水平，得到归一化后的二次谐波信号，分别为第三光电转换信号K_A、第二光电转换信号K_B和第一光电转换信号K_C，其中

核心处理器经过分析处理后会输出两路信号：

第I路信号

第II路信号

此时的第I路信号为标准的目标气体的吸收信息S_stand，第II路信号为待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

4)第I路信号被分为两路，一路发送到显示电路进行显示，一路反馈到激光器，用于改变激光器的频率。通过第I路信号得到标准气室中标准的目标气体的光吸收频率，即目标气体的光吸收频率(由于目标气体的性质，目标气体光吸收频率并不是一个点值，而是一个光吸收频率范围)，也是待测的目标气体的光吸收频率。控制激光器产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，此时激光器的整个扫描范围不包括目标气体的光吸收频率，使得标准的目标气体的吸收信息S_stand等于0，待测的目标气体的浓度信息S_measure也等于0，即第I路信号N_I等于0，第II路信号N_II为待测气室产生的光路噪声S_light。

5)将第II路信号N_II作为零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪的补偿参数。

本实施例中，是将第一光电转换信号K_C减去第三光电转换信号K_A后的信号作为零点背景，作为其他实施方式，直接将第一光电转换信号K_C作为零点背景也是可以的。

本实施例中，利用第I路信号N_I获得目标气体的光吸收频率，作为其他实施方式，也可以直接利用第二光电转换信号K_B获得目标气体的光吸收频率，用于调整激光器的频率,在使用中可以根据光吸收频率，调整激光器使激光器发出的光处于没有目标气体吸收的光频率范围。

当激光气体分析仪校准完毕之后，通过调整激光器输出的激光频率扫描范围，使得待测气体的吸收频率范围处于激光频率扫描范围内，当然此时，激光频率的扫描范围覆盖待测气体的吸收频率范围，也覆盖待测气体的不吸收频率的位置，第II路信号N_II只包括待测的气体浓度信息，即可测量得出待测的目标气体的气体浓度。

本发明还适用于当激光气体分析仪对特殊设计的待测气体吸收池进行检测时的零点校准，适用范围广。而且核心处理器给出的第II路信号N_II能够实时反应无气体吸收物时候待测气室产生的光路噪声，还可以实时的对激光器的激光频率进行调整，实现了激光气体分析仪的在线零点校准。

激光气体分析仪在线零点校准装置实施例1：

激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在处理器上的相关程序，处理器执行所述相关程序实现如下方法：

1)探测光通过标准的目标气体后的第二光电转换信号，根据第二光电转换信号得到目标气体的光吸收频率；

2)控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，检测得到光通过待测的目标气体后的第一光电转换信号；

3)根据第一光电转换信号得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。

具体该方法的实施过程在上述激光气体分析仪在线零点校准方法实施例1中已经介绍，这里不做赘述。

激光气体分析仪在线零点校准方法实施例2：

本实施例提出的激光气体分析仪在线零点校准方法可以在如下激光气体分析仪中实现，该激光气体分析仪包括带尾纤的半导体激光器(以下简称激光器)、光纤分束器、待测气室，两个光电探测器以及激光气体分析仪在线零点校准装置。

两个光电探测器分别是光电探测器A和光电探测器C，并且这两个光电探测器的型号相同。待测气室中包含目标气体，该目标气体的光吸收频率已知并进行存储，只是待测气室中目标气体的浓度未知。

光电探测器A和光电探测器C连接激光气体分析仪在线零点校准装置。

激光器用于发射检测光源，激光器的扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率位置，光纤分束器用于将光源的一束光分为几束光，本实施例中，激光器出射激光经过光纤分束器后被分成两束，第一束光经过光纤准直器后直接被光电探测器A接收，第二束光经过待测气室后被光电探测器C接收，各光电探测器将接收的信号输入激光气体分析仪在线零点校准装置，激光气体分析仪在线零点校准装置对各信号进行分析处理后即可实现激光气体分析仪在线零点校准。

激光气体分析仪在线零点校准装置包括处理器和运行在处理器上的相关程序，处理器执行相关程序实现如图3所示的激光气体分析仪在线零点校准方法，该处理器属于校准装置的控制部分，同时,为了使激光器正常工作以及保证个探测器的信号处于同一光强水平，该控制部分还设置有滤波电路、锁相放大电路、高频调制电路、显示电路等进行辅助校准。其中滤波电路为了实现光电探测器信号的交直流分离，可采用现有交直流分离技术实现，而锁相放大电路、高频调制电路、显示电路均可以通过软件实现。

激光气体分析仪在线零点校准方法的具体过程为：

1)高频调制电路产生的高频波长调制信号和处理器产生的低频锯齿波扫描信号同时加载到激光器上，调制过的激光被分成两束，第一束光经过光纤准直器后直接被光电探测器A接收，第二束光经过待测气室后被光电探测器C接收，各探测器将接收的光信号转化为电信号输入滤波电路。

2)滤波电路将光电探测器A和光电探测器C输入的信号分离为交流信号H_A和H_C，直流信号I_A和I_C。直流信号I_A和I_C送入核心处理器；交流信号H_A和H_C与高频调制电路产生的高频波长调制信号一起进入锁相放大电路进行波长解调，分别得到相应的二次谐波信号S_A和S_C，二次谐波信号S_A和S_C进入核心处理器。

由于此时激光器扫描频率范围覆盖目标气体吸收频率和目标气体不吸收频率位置，因此，此时二次谐波信号S_A中携带有激光器的本底噪声S_laser，二次谐波信号S_C中携带有激光器的本底噪声S_laser、待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

3)核心处理器对二次谐波信号S_A和S_C进行归一化处理，使各二次谐波信号位于同一光强水平，得到归一化后的二次谐波信号，分别为第三光电转换信号K_A和第一光电转换信号K_C，其中

核心处理器经过分析处理后会输出第I路信号

此时的第I路信号为待测气室产生的光路噪声S_light以及待测的目标气体的浓度信息S_measure。

4)由于待测的目标气体的光吸收频率已知(由于目标气体的性质，目标气体光吸收频率并不是一个点值，而是一个光吸收频率范围)，控制激光器产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，此时激光器的整个扫描范围不包括目标气体的光吸收频率，使得待测的目标气体的浓度信息S_measure等于0，第I路信号N_I为待测气室产生的光路噪声S_light。

5)将第I路信号N_I作为零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪的补偿参数。

本实施例中，是将第一光电转换信号K_C减去第三光电转换信号K_A后的信号作为零点背景，作为其他实施方式，直接将第一光电转换信号K_C作为零点背景也是可以的。

当激光气体分析仪校准完毕之后，通过调整激光器输出的激光频率扫描范围，使得待测气体的吸收频率范围处于激光频率扫描范围内，当然此时，激光频率的扫描范围覆盖待测气体的吸收频率范围，也覆盖待测气体的不吸收频率的位置，核心处理器的输出信号N_I只包括待测的气体浓度信息，即可测量得出待测的目标气体的气体浓度。

本发明还适用于当激光气体分析仪对特殊设计的待测气体吸收池进行检测时的零点校准，适用范围广。而且核心处理器给出的第I路信号N_I能够实时反应无气体吸收物时候待测气室产生的光路噪声，还可以实时的对激光器的激光频率进行调整，实现了激光气体分析仪的在线零点校准。

激光气体分析仪在线零点校准装置实施例2：

激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在处理器上的相关程序，处理器执行所述相关程序实现如下方法：

1)存储待测的目标气体的光吸收频率；

2)控制光源产生的光频率扫过无待测的目标气体光吸收频率的位置，检测得到光通过待测的目标气体后的第一光电转换信号；

3)根据第一光电转换信号得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。

具体该方法的实施过程在上述激光气体分析仪在线零点校准方法实施例2中已经介绍，这里不做赘述。

Claims (6)

1.一种激光气体分析仪在线零点校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将调制过的激光分成三束，第一束光经过光纤准直器后直接被光电探测器A接收，第二束光经过已知浓度的标准气室后被光电探测器B接收，第三束光经过待测气室后被光电探测器C接收；

2)光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C将接收到的光信号转化为电信号，并经过处理后得到对应的第三光电转换信号K_A、第二光电转换信号K_B和第一光电转换信号K_C；其中

I_A、I_B、I_C分别为根据对应的光电探测器输出信号得到的直流信号，S_A、S_B、S_C分别为根据对应的光电探测器输出信号得到的二次谐波信号；

处理器根据K_A、K_B、K_C输出第I路信号

和第II路信号

3)第I路信号反馈到激光器，用于改变激光器频率；调整激光器使激光器发出的光处于没有目标气体吸收的光频率范围，即第I路信号N_I等于0；此时将第II路信号N_II作为零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准，设定激光气体分析仪的补偿参数。

2.根据权利要求1所述的激光气体分析仪在线零点校准方法，其特征在于，各光电转换信号均为通过交直流分离、高频波长调制、锁相放大和归一化后得到的归一化二次谐波信号。

3.一种激光气体分析仪在线零点校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将调制过的激光分成三束，第一束光经过光纤准直器后直接被光电探测器A接收，第二束光经过已知浓度的标准气室后被光电探测器B接收，第三束光经过待测气室后被光电探测器C接收；

2)光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C将接收到的光信号转化为电信号，并经过处理后得到对应的第三光电转换信号K_A、第二光电转换信号K_B和第一光电转换信号K_C；其中

I_A、I_B、I_C分别为根据对应的光电探测器输出信号得到的直流信号，S_A、S_B、S_C分别为根据对应的光电探测器输出信号得到的二次谐波信号；

处理器根据K_A、K_B、K_C输出第I路信号

和第II路信号

3)第I路信号反馈到激光器，用于改变激光器频率；调整激光器使激光器发出的光处于没有目标气体吸收的光频率范围，即第I路信号N_I等于0；根据第一光电转换信号K_C得到零点背景，根据零点背景对激光气体分析仪进行零点校准。

4.根据权利要求3所述的激光气体分析仪在线零点校准方法，其特征在于，各光电转换信号均为通过交直流分离、高频波长调制、锁相放大和归一化后得到的归一化二次谐波信号。

5.一种激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在所述处理器上的相关程序，其特征在于，所述处理器执行所述相关程序实现如权利要求1-2中任一项所述的激光气体分析仪在线零点校准方法。

6.一种激光气体分析仪在线零点校准装置，包括处理器和运行在所述处理器上的相关程序，其特征在于，所述处理器执行所述相关程序实现如权利要求3-4中任一项所述的激光气体分析仪在线零点校准方法。

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