CN110320178A - 一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，属于气体检测技术领域。该系统中激光源通过其前端的TDLAS驱动模块进行调制产生调制信号，调制信号经耦合器分别进入到参考气室和检测气室，从参考气室和检测气室反馈的信号被信号采集模块接收，并通过后端的信号处理模块处理得到气体信息。其中：检测气室中泵入气体的流速与调制信号的扫描速度相当；本发明提出的系统能够将响应时间从几分钟缩短至几秒钟，满足气体检测的快速性及灵敏性要求，同时通过将参考气室内气体浓度设置为已知浓度，并控制参考气室内压强和温度与检测气室内的压强和温度保持一致，实现了系统免标定。本发明具有长期免维护的特点，稳定可靠，非常适用于航空站等特殊应用场合。

Description

一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统及其检测方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统及其检测方法。
背景技术
随者社会工业化的不断进程，生活环境逐渐成为现代社会关注的焦点。生活环境中气体的有效监测与控制,需要一系列新型传感器。基于可调谐半导体二极管激光器吸收光谱学 (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)的气体浓度检测系统能够实时在线测量气体动态参数，使得TDLAS技术成为气体传感器的一个重要发展方向。
我国载人航天三步走的计划已经进入到至关重要的第三步,空间站的建设也已经进行到航天员长期值守的阶段。空间站建成后,其实验舱中要开展大量的生命科学领域相关实验，在空间生命科学实验中,检测目标气体及痕量气体浓度对于实验的进程和结果都有着重要的影响；同时，必须保证长期值守航天员的生活安全，在航天员各项操作的正确基础下，对航天员影响最大的就是舱内气体环境。因此，对舱内空气中生活气体成分进行多组分气体的实时定量化分析有着迫切的需求。
而目前空间站的固定式多组分气体检测设备多为空气质量检测仪。国际空间站上使用的 ANITA气体分析仪基于傅里叶变换红外光谱技术，可以识别30余种气体且测量精度可达ppm 级别，但是其响应速度为3～5min，针对空间气体实时分析仍有不足之处。2016年9月，我国天宫二号空间实验室使用基于光谱吸收原理的气体检测装置，由气泵、卤钨灯、空芯光纤和小型光谱仪四部分组成，它们分工合作，像一条流水线：气泵负责气体收集，卤钨灯和空心光纤共同完成气体光谱谱段的收集，小型光谱仪则像一把标尺，将所有收集到的光谱“明码标尺”，便可以识别出气体“身份”。因为每种气体分子都有与其化学组成和结构相对应的吸收光谱，这些光谱俗称“指纹谱”，就像人的指纹一样，代表着气体独有的“身份”。气体收集完成后，通过宽光谱分析技术对10种有害气体进行同时测量，相比国际空间站使用的ANITA 气体分析仪，具有体积小、功耗低等特点，但该设备的检测仍然需要3min，无法满足舱内气体生活气体成分实时分析。另外，作为定量分析的气体检测系统，在进行定量分析前必须使用标准气进行标定。空间站的气体检测系统通常情况下是将仪器带回地面进行标定，然后在几个月后随下次发射再送回空间站，例如国际空间站上使用的便携式燃烧产物(化合物)检测仪(CSA-CP)每6个月就需标定一次。免标定技术是指设备在使用现场无需二次标定的技术，且能够为装置提供长期的检测准确性。对于空间站这样需要长期运行的航天器，免标定技术能够尽可能地节约成本并减少舱内更换硬件的压力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在使用现场无需二次标定，并且可快速实时定量分析气体成分和浓度的检测系统及检测方法。
为实现上述目的，本发明具体提供的技术方案如下：
一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，包括光学部分和电学部分，所述光学部分包括激光源、设置在激光源后端的参考气室和检测气室以及设置在检测气室后端的探测器，所述电学部分包括TDLAS驱动模块、信号采集模块以及数据处理模块，所述数据处理模块分别与TDLAS驱动模块和信号采集模块相连；激光源通过其前端的TDLAS驱动模块进行调制产生调制信号，调制信号经耦合器分别进入到参考气室和检测气室，所述检测气室中泵入气体的流速与调制信号的扫描速度相当；从参考气室和检测气室反馈的信号被信号采集模块接收，并通过后端的信号处理模块处理得到气体信息。
进一步地，所述参考气室中通入气体与对应待测气体的成分相同且浓度已知，参考气室与检测气室的温度和压强相同。
进一步地，所述激光源为一个或者多个。
进一步地，当激光源的个数为多个时，参考气室为若干个并行设置的参考气室组，即任意经耦合器分配的光路分别进入对应的参考气室，经过不同参考气室后输出的光路均是并行输出。
进一步地，当激光源的个数为多个时，检测气室优选为并为一路的独立气室，即任意经耦合器分配的光路均进入同一个检测气室，经过所述检测气室后并为一路输出。
进一步地，所述TDLAS驱动模块包括激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路以及加法电路，从而产生叠加调制信号。
在波长调制光谱中，通常在激光器的注入电流上叠加一个高频正弦调制信号和低频锯齿扫描信号，以实现对激光输出波长的调制。通常用于调制激光器驱动电路的信号有两路，一路是用于改变激光器输出激光波长的锯齿波扫描信号，另一路是用于调制激光器驱动信号的高频正弦调制信号；两路信号通过加法电路叠加后作用到激光器驱动电路上，激光器驱动电路驱动激光器输出光信号，使得输出扫描信号的中心波长对应到待测气体的特征吸收峰。
进一步地，所述待测气体的特征吸收峰需综合对比谱线的吸收强度、其他分子的吸收谱线的干扰程度以及谱线稳定性等因素来确定。
进一步地，所述信号采集模块包括依次连接的信号放大电路、模拟信号采集电路和信号转换电路。
探测器将检测到的光信号输入到信号放大电路进行放大，然后通过参考气室后端的探测器以及检测气室后端的探测器获得反映气室内气体浓度的模拟信号，并通过信号转换电路将模拟信号转换为数字信号。
进一步地，所述气体检测系统还包括分时复用开关控制，其主要作用是以时间作为信号分割传输的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠，从而使不同的信号在不同的时间内传送。通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在，进而实现在一段时间内对多种气体实现同时检测。
进一步地，所述气体检测系统还包括人机交互平台，具体有显示器、键盘、报警器等。
相比现有技术，本发明的原理及有益效果如下：
TDLAS技术主要利用对波长进行高频调制，并利用谐波检测技术通过锁相放大器获得吸收光谱的谐波信号，根据谐波信号的峰值检测气体的浓度。在波长调制光谱中，通常在激光器的注入电流上叠加一个高频正弦调制信号和低频锯齿扫描信号，以实现对激光输出波长的调制，在波长调制光谱中通常采用二次谐波分量作为检测信号。基于波长调制的TDLAS气体检测系统对特征气体的响应时间主要取决于气泵的流速以及气体传感器核心模块本身的响应速度(即激光器扫描气体特征吸收峰的扫描速度)。激光器驱动锯齿波电路扫描频率一般可达10～20Hz，即0.1s内即可得到气体的浓度信息，然而，实际中气体流速远远低于锯齿波电路扫描频率，本领域中未见关于气泵流速对于检测环境气体的响应速度的研究，经发明人研究发现，检测气室内气泵流速对检测环境中气体的响应速度影响非常大，当检测气室中泵入待测气体的流速与调制信号的扫描速度相当时，响应速度基本上靠近激光器扫描速度水平，将响应时间从几分钟缩短至几秒钟，满足气体检测的快速性及灵敏性要求。此外，本发明通过将参考气室内气体浓度设置为已知浓度，并控制参考气室内压强和温度与检测气室内的压强和温度保持一致，从而实现了系统免标定，免标定技术具有长期免维护的特点，稳定可靠，非常适用于航空站等特殊应用场合。
附图说明
图1为本发明实施例提供气体检测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供气体检测系统的原理示意图。
具体实施方式
为了使得所属领域技术人员能够更加清楚本发明方案及原理，下面结合附图和具体实施例进行详细描述。本发明的内容不局限于任何具体实施例，也不代表是最佳实施例，本领域技术人员所熟知的一般替代也涵盖在本发明的保护范围内。
实施例1；
本实施例提供一种基于波长调制光谱技术的四通道气体检测系统，参照图1，包括光学部分和电学部分：所述光学部分包括四个半导体激光源、一一对应设置在四个激光源后端的参考气室、并为一路的长光程检测气室以及对应检测四种气体的专用光电探测器；所述电学部分包括TDLAS驱动模块、信号采集模块以及数据处理模块，所述数据处理模块分别与 TDLAS驱动模块和信号采集模块相连；
结合图2来看，本实施例设计的四通道气体检测系统针对不同的生活气体(O2，H2O，CO2和NH3)进行检测，根据气体特征吸收峰来选用频率不同的半导体激光器以产生激光源，四个半导体激光源分别通过其前端的TDLAS驱动模块进行调制产生调制信号，TDLAS驱动模块通过数据处理模块控制，通过DAC信号转换电路将数字信号转换为模拟信号，所述 TDLAS驱动模块包括激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路以及加法电路，通过在激光器的注入电流上叠加一个高频正弦调制信号和低频锯齿扫描信号，使得输出扫描信号的中心波长对应到待测气体的特征吸收峰，从而实现对激光输出波长的调制，我们将输出信号称为叠加调制信号；
所述叠加调制信号通过开关通道的分时切换进入耦合器，耦合器再将光束分为两部分，其中一部分分别进入到四个激光源后端的参考气室，另一部分进入到长光程检测气室，为实现快速检测，调节长光程检测气室中泵入气体的流速使其与调制信号的扫描速度相当；
气体经长光程检测气室以及参考气室后到达后端探测器，与探测器相连的信号采集模块采集从参考气室和检测气室反馈的信号，所述信号采集模块包括依次连接的信号放大电路、模拟信号采集电路和信号转换电路，具体的，光电探测器将检测到的光信号输入到信号放大电路进行放大，然后通过参考气室后端的探测器以及检测气室后端的探测器获得反映气室内气体浓度的模拟信号，并通过ADC信号转换电路将模拟信号转换为数字信号，最后通过后端的信号处理模块处理，解调得到的二次谐波信号再经浓度反演得到气体浓度信息。
本发明的改进之一在于检测速率的提升：在空间舱环境中，系统对特征气体的响应时间主要取决于长光程气室的气泵的流速以及气体传感器核心模块本身的响应速度(即激光器扫描气体特征吸收峰的扫描速度)。激光器驱动锯齿波电路扫描频率一般可达10～20Hz，即 0.1s内即可得到气体的浓度信息，而更高的扫描速度会受到硬件电路的限制。当前本领域未考虑气泵流速大小对环境中气体的响应速度的影响，而在本发明中调节检测气室中泵入气体的流速使其与调制信号的扫描速度相当，这样将响应时间缩短至秒级，能够显著提高检测速度。在实际中，检测气室中泵入气体的流速需根据实际应用具体选择，实际指标也需实验进行确定。
本发明的另一改进为系统免标定：在本发明中，参考气室中充入气体与待测气体的成分相同且将各种浓度均设置为已知量，用于实现系统免标定，本实施例中设定为1％，实际中具体浓度的设定并不受本实施例限制。将长光程检测气室与参考气室置于温度和压强相同的空间舱环境下，同一波长的激光器分束后分别通过参考气室和测量气室，利用Beer-Lambert定律计算最终气体浓度表达式，实现免标定技术。下面详细说明原理：
Beer-Lambert定律：
I(v)＝I0(v)exp[-α(v)PCL]
其中，I0为激光入射光强，I为激光出射光强，α(v)为待测气体在频率v处的吸收系数，P 为压强，C为待测气体的体积浓度，L为气体吸收总光程。
由Beer-Lambert定律可得到出射光强Itest和Iref的表达式，具体如下：
Itest＝I0，test(v)exp[-α(v)PCtestLtest]
Iref＝I0，ref(v)exp[-α(v)PCrefLref]
其中，I0，test和I0，ref分别为输入到测量气室和参考气室的入射光强，Itest和Iref为测量气室和参考标准气室的出射光强。Ctest和Ltest分别为测量气室的气体浓度及吸收光程，Cref和Lref为参考标准气室的气体浓度及吸收光程。
由于两个气室的入射光强、吸收路径长度和频率调制幅度等参数是确定的，且参考气室和测量气室的温度、压强均相等，将两式相除，可消除温度及压强对于气体浓度检测的影响，实现气体浓度的长期免标定。
最终的气体浓度表达式为
式中，Stest和Sref是通过正交锁相放大技术提取出两路输出信号的二次谐波峰峰值。以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，包括光学部分和电学部分，所述光学部分包括激光源、设置在激光源后端的参考气室和检测气室以及设置在检测气室后端的探测器，所述电学部分包括TDLAS驱动模块、信号采集模块以及数据处理模块，所述数据处理模块分别与TDLAS驱动模块和信号采集模块相连；激光源通过其前端的TDLAS驱动模块进行调制产生调制信号，调制信号经耦合器分别进入到参考气室和检测气室，所述检测气室中泵入气体的流速与调制信号的扫描速度相当；从参考气室和检测气室反馈的信号被信号采集模块接收，并通过后端的信号处理模块处理得到气体信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述参考气室中通入气体与对应待测气体的成分相同且浓度已知，参考气室与检测气室的温度和压强相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述激光源为一个或者多个。
4.根据权利要求3所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，当激光源的个数为多个时，参考气室为若干个并行设置的参考气室组，即任意经耦合器分配的光路分别进入对应的参考气室，经过不同参考气室后输出的光路均是并行输出。
5.根据权利要求3所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，当激光源的个数为多个时，检测气室为并为一路的独立气室，即任意经耦合器分配的光路均进入同一个检测气室，经过所述检测气室后并为一路输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述TDLAS驱动模块包括激光器驱动电路、控制激光器驱动电路的信号调制和扫描电路以及加法电路，从而产生叠加调制信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述信号采集模块包括依次连接的信号放大电路、模拟信号采集电路和信号转换电路。
8.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述气体检测系统还包括分时复用开关控制。
9.根据权利要求1所述的一种基于波长调制光谱技术的气体检测系统，其特征在于，所述气体检测系统还包括人机交互平台，具体包括显示器、键盘或者报警器。
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