CN110779891B - 一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，属于可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度技术领域。方法基于CO2监测系统支持。CO2监测系统为利用labVIEW软件平台所搭建的基于TDLAS的CO2监测系统，包括以下步骤：a.被测气体原始监测；b.标准气体原始监测；c.背景气体监测；d.数据矫正后的被测气体CO2浓度。它具有监测准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度技术领域。
背景技术
可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有快速、实时在线、高分辨率高灵敏度监测的优势，是气体监测领域的先进技术之一。根据TDLAS技术的波长调制和谐波测量方法原理，除了被测气体所处环境温度、压强变化对测量结果的影响，光路系统中非被测目标气体背景吸收的干扰对测量结果的影响很大。尤其是被测气体处于稳定工况下，测得结果受环境温度、压强变化可以忽略，干扰气体吸收叠加在目标气体测量结果的谐波信号中，使得被测气体与参考气体的谐波信号测量之比不等于它们的浓度之比。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，它具有监测准确的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，方法基于CO2监测系统支持，CO2监测系统为利用labVIEW软件平台所搭建的基于TDLAS的CO2监测系统，包括以下步骤：
a.被测气体原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台，将待测气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出被测气体原始一次谐波模拟信号和被测气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号进行处理，用被测气体原始一次谐波数字信号归一化被测气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m；
b.标准气体原始监测，对由N2与CO2组成的且CO2质量含量为已知数值Cr的标准气体进行原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台，将标准气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出标准气体原始一次谐波模拟信号和标准气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号进行处理，用标准气体原始一次谐波数字信号归一化标准气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r；
c.背景气体监测，将含量100％的N2经气体分割器进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出背景气体一次谐波模拟信号和背景气体二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的背景气体一次谐波数字信号和背景气体二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对背景气体一次谐波数字信号和背景气体二次谐波数字信号进行处理，用背景气体一次谐波数字信号归一化背景气体二次谐波数字信号，从而得到归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab；
d.数据矫正后的被测气体CO2浓度，将步骤a中所获取的归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的被测气体光谱吸收信号Am；将步骤b中所获取的归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的标准气体光谱吸收信号Ar；被测气体CO2浓度Cm依据下述公式获得：
式中，Cm：被测气体CO2浓度；Am：归一化的被测气体光谱吸收信号；Ar：归一化的标准气体光谱吸收信号；Cr：标准气体浓度；A’m：归一化的被测气体原始二次谐波数字信号；Ab：归一化的背景气体二次谐波数字信号；A’r：归一化的标准气体原始二次谐波数字信号。
本发明进一步改进在于：
可调谐半导体激光器为以中心波长为2004nm的DFB型半导体激光器。
标准气体的CO2质量含量Cr为下述数值中的任意一种10％，20％，30％。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
用波长调制和谐波探测对背景吸收信号和叠加背景吸收的被测目标信号进行测量，分别用各自测量结果的一次谐波信号归一化二次谐波信号。再从归一化的叠加了背景吸收的被测目标二次谐波信号中扣除背景吸收信号归一化的二次谐波信号，完成被测目标信号的校正，从而使得被测气体浓度和参考气体浓度之比与它们的谐波信号之比相等，进而可以反演出目标气体浓度。采用该校正方法实现了在常温常压下对CO2浓度梯度的测量。它具有监测准确的特点。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。
一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，方法基于CO2监测系统支持，CO2监测系统为利用labVIEW软件平台所搭建的基于TDLAS的CO2监测系统，包括以下步骤：
a.被测气体原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台(从现有技术)，将待测气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出被测气体原始一次谐波模拟信号和被测气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号进行处理，用被测气体原始一次谐波数字信号归一化被测气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m；
b.标准气体原始监测，对由N2与CO2组成的且CO2质量含量为已知数值Cr的标准气体进行原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台，将标准气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出标准气体原始一次谐波模拟信号和标准气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号进行处理，用标准气体原始一次谐波数字信号归一化标准气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r；
c.背景气体监测，将含量100％的N2经气体分割器进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出背景气体一次谐波模拟信号和背景气体二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的背景气体一次谐波数字信号和背景气体二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对背景气体一次谐波数字信号和背景气体二次谐波数字信号进行处理，用背景气体一次谐波数字信号归一化背景气体二次谐波数字信号，从而得到归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab；
d.数据矫正后的被测气体CO2浓度，将步骤a中所获取的归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的被测气体光谱吸收信号Am；将步骤b中所获取的归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的标准气体光谱吸收信号Ar；被测气体CO2浓度Cm依据下述公式获得：
式中，Cm：被测气体CO2浓度(质量含量)；Am：归一化的被测气体光谱吸收信号；Ar：归一化的标准气体光谱吸收信号；Cr：标准气体浓度；A’m：归一化的被测气体原始二次谐波数字信号；Ab：归一化的背景气体二次谐波数字信号；A’r：归一化的标准气体原始二次谐波数字信号。
可调谐半导体激光器为以中心波长为2004nm的DFB型半导体激光器。
标准气体的CO2质量含量Cr为下述数值中的任意一种10％，20％，30％。
Claims (3)
1.一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，其特征在于，所述方法基于CO2监测系统支持，所述CO2监测系统为利用labVIEW软件平台所搭建的基于TDLAS的CO2监测系统，包括以下步骤：
a.被测气体原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台，将待测气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出被测气体原始一次谐波模拟信号和被测气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对所述被测气体原始一次谐波数字信号和被测气体原始二次谐波数字信号进行处理，用所述被测气体原始一次谐波数字信号归一化所述被测气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m；
b.标准气体原始监测，对由N2与CO2组成的且CO2质量含量为已知数值Cr的标准气体进行原始监测，搭建可调谐半导体激光吸收光谱CO2监测平台，将标准气体通过气路经气体分割器与含量100％的N2配比进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出标准气体原始一次谐波模拟信号和标准气体原始二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对所述标准气体原始一次谐波数字信号和标准气体原始二次谐波数字信号进行处理，用所述标准气体原始一次谐波数字信号归一化所述标准气体原始二次谐波数字信号，从而得到归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r；
c.背景气体监测，将含量100％的N2经气体分割器进入怀特型多次反射气体池，激光器所产生的激光由激光器尾纤输出，经准直透镜、怀特型多次反射气体池至光电检测器，由光电检测器转换成电信号，再经数字锁相放大器进行解调，从而解调出背景气体一次谐波模拟信号和背景气体二次谐波模拟信号，经过A/D转换器转换成相应的背景气体一次谐波数字信号和背景气体二次谐波数字信号并输入计算机，基于Labview软件平台对所述背景气体一次谐波数字信号和所述背景气体二次谐波数字信号进行处理，用所述背景气体一次谐波数字信号归一化所述背景气体二次谐波数字信号，从而得到归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab；
d.数据矫正后的被测气体CO2浓度，将步骤a中所获取的归一化的被测气体原始二次谐波数字信号A’m减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的被测气体光谱吸收信号Am；将步骤b中所获取的归一化的标准气体原始二次谐波数字信号A’r减去步骤c中所获取的归一化的背景气体二次谐波数字信号Ab，从而得到归一化的标准气体光谱吸收信号Ar；被测气体CO2浓度Cm依据下述公式获得：
式中，Cm：被测气体CO2浓度；Am：归一化的被测气体光谱吸收信号；Ar：归一化的标准气体光谱吸收信号；Cr：标准气体浓度；A’m：归一化的被测气体原始二次谐波数字信号；Ab：归一化的背景气体二次谐波数字信号；A’r：归一化的标准气体原始二次谐波数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，其特征在于：所述可调谐半导体激光器为以中心波长为2004nm的DFB型半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐半导体激光监测二氧化碳浓度的方法，其特征在于：所述标准气体的CO2质量含量Cr为下述数值中的任意一种10％，20％，30％。
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