CN111595818B - 可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法。激光吸收光谱检测系统包括激光器、吸收池、光电探测器、信号处理单元和控制器。吸收池中设有温度传感器。本发明能够解决吸收光谱检测系统在高灵敏度的解调算法中不能够实现较大检测量程的问题，并结合两种解调算法的特点实现检测系统的自标定，解决特殊气体或环境中无法实现自标定的问题，同时解决了温度变化幅度较大时传感器测量准确度的问题，实现了浓度传感器在工业现场实际应用的需求，对提高激光吸收光谱技术在气体检测领域的广泛应用具有重要意义。

Description

可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检 测方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法。

背景技术

激光吸收光谱技术利用气体分子对光的特定波段具有吸收作用，可实现对气体的种类、组分浓度等参数进行检测。其中，采用可调谐二极管激光器作为光源，通过改变激光器输出电流或温度来调谐激光器输出一定波长范围的激光，使其扫描气体分子单根或多根完整的吸收线，获得高分辨率的气体吸收光谱，对光谱进行分析获得气体参数信息。激光吸收光谱技术具有高灵敏度、快速、准确、可实现无源检测等特点，在环境监测，工业过程检测，石油化工监测与预警等领域已有较多应用，国内外研究机构和科技类公司也研制出较多商业化的仪器。

目前，激光吸收光谱技术在应用中所用的反演算法包括直接吸收和波长调制两种算法。直接吸收算法可以固定激光器扫描范围，通过吸收光谱直接检测到路径中气体吸光度，该方法简单，直接，无需标定，可检测量程大，但检测灵敏度低。波长调制算法，采用微弱信号检测中的调制技术，能够很好地抑制低频噪声对检测结果的干扰，提高系统检测灵敏度，但该技术的线性区域较小，可检测量程小，且需要用已知浓度气体对检测信号进行标定。如图3所示为两种检测技术对吸光度检测的线型度，波长调制算法在低浓度时有很好的线性度，当吸光度达到一定值A0附近，开始出现非线性效应，已无法对浓度的准确反演，此时，直接吸收方法表现出较好的线性度，可将检测量程极大地提高。因此，现有的基于激光吸收光谱技术的检测系统，存在检测量程和灵敏度相互制约的问题。当量程足够大时，对于低浓度小吸光度时的信号由于信噪比低，无法准确检测，不能满足高灵敏度的检测。当灵敏度高时，对于浓度大、吸光度大的信号容易达到饱和，限制了高浓度气体的检测。此外，传感器在不同温度下对浓度测量结果影响较大，由于系统光机部分存在与温度的弱非线性变化，它是半导体激光器、光学镜片、光电探测器及电子电路共同影响的结果，无法确定具体来源。同时，现有的基于激光吸收光谱技术的检测系统，均需要已知浓度的标准气体进行标定和校准，对于一些气体和检测环境是很难通过该方法完成标定的。比如：水蒸气就没有标准浓度的标气；开放式遥测检测时路径不能够完全满足检测气体均匀地分布于光路径上，也不容易准确标定。

发明内容

为了解决现有技术中激光吸收光谱检测系统存在的高灵敏度的解调算法中无法实现较大检测量程、特殊气体或环境中无法实现自标定以及温度变化引进测量不准确的问题，本发明提供了一种可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，所述激光吸收光谱检测系统包括激光器、吸收池、光电探测器、信号处理单元和控制器。所述吸收池中设有温度传感器，该方法包括以下步骤：

(1)在稳定的温度驱动下，采用周期为T的扫描调制信号对激光器进行电流驱动，一个周期T包括前半周期T₁和后半周期T₂；在前半周期T₁中，在激光器驱动电流上叠加低频锯齿信号，对激光器频率进行扫描输出；在后半周期T₂中，在激光器驱动电流上同时叠加低频锯齿信号和高频正弦信号，对激光器频率进行扫描和调制输出。

(2)激光器输出的激光通过吸收池中的待测气体后，采用光电探测器将该激光信号转换为电信号，电信号再经信号处理单元进行前置放大处理、A/D转换成数字信号后输入至控制器，在控制器中对数字信号进行解调和分析。

(3)通过锁定激光器输出频率范围，控制器采用直接吸收算法计算出检测目标吸光度，当吸光度在0.03cm^-1-0.05cm^-1范围内时，保存一组吸光度为A^*下的二次谐波信号作为标定信号。步骤(3)是对激光吸收光谱检测系统进行自标定。

(4)在激光器电流驱动信号的前半周期T₁，控制器采用直接吸收算法求得吸收池中待测气体的吸光度A，并将吸光度A和设定的吸光度阈值A₀进行比较。

若A大于A₀，则采用公式C₁＝A/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₁，此时，将C₁作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度。

若A不大于A₀，则采用谐波检测的解调方法对激光器电流驱动信号的后半周期T₂进行处理，解调得到二次谐波信号，将解调后的二次谐波信号与标定信号进行最小二乘拟合得到拟合系数k，并采用公式C₂＝kA^*/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₂，此时，将C₂作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，A^*表示标定信号对应的吸光度，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度。

(5)采用温度传感器测量吸收池中待测气体的温度T，并采用公式C_corr＝C_M+F(T)对吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值进行温度修正，修正后的吸收池中待测气体浓度C_corr作为检测系统的结果输出。

其中，C_corr为修正后的吸收池中待测气体浓度，C_M为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值，T为吸收池中的实时温度，F(T)为获得的温度对浓度的修正函数。

通过进行温度修正，使得该检测系统的测量方法能够满足环境温度-40℃到80℃变化，测量精度不改变，实现起来需要满足对吸收池内部的温度进行实时准确测量。通过对已知浓度标准气体的检测，获得浓度测量结果与温度变化的关系，进而得到浓度随温度变化的修正函数关系F(T)。

进一步的，所述信号处理单元包括前置放大器和A/D转换器。

进一步的，所述激光器为可调谐二极管激光器。

进一步的，在系统进行应用前，需要根据实际测量的气体和应用需求来设置判断选择两种算法的吸光度A₀，通常在谐波最优调制度下，谐波检测的吸光度线性区间为0-0.04cm^-1，因此，A₀设置为0.04cm^-1。

进一步的，步骤(5)中“温度对浓度的修正函数F(T)”，其获取方法为：在不同温度下对已知浓度的标准气体进行测试，获取标准气体的浓度测量值，将浓度测量值与温度进行拟合得到的函数关系即为F(T)。

获取不同温度下的已知气体浓度的标准气体的浓度测量值，通过浓度测量值与温度的变化关系，获得温度对浓度测量结果的影响。F(T)是通过测量浓度值与温度变化的关系，拟合出来的二阶或一阶函数关系，对于不同的系统，方法一样，但拟合出来函数的系数有所不同。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明中的激光器在稳定的温度驱动下，利用电流驱动的时分复用设计，在一个周期内同时进行直接吸收信号的检测和谐波信号的检测，同时在吸收池上集成温度传感器，实时获得待测气体的环境温度，并通过修正算法对测量结果进行修正，获得准确的浓度值，保证测量结果在较宽温度范围内的准确性，使该类光谱吸收气体浓度感器在更多的工业现场得到广泛应用。

(2)本发明能够解决吸收光谱检测系统在高灵敏度的解调算法中不能够实现较大检测量程的问题，并结合两种解调算法的特点实现检测系统的自标定，解决特殊气体或环境中无法实现自标定的问题，同时解决了温度变化幅度较大时传感器测量准确度的问题，实现了浓度传感器在工业现场实际应用的需求，对提高激光吸收光谱技术在气体检测领域的广泛应用具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是两种解调方法的浓度线性度曲线；

图4是甲烷浓度在宽温度范围内测量值与修正结果的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图2所示的可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，所述激光吸收光谱检测系统包括激光器、吸收池、光电探测器、信号处理单元和控制器；所述吸收池中设有温度传感器。该方法包括以下步骤：

(1)在稳定的温度驱动下，采用周期为T的扫描调制信号对激光器进行电流驱动，一个周期T包括前半周期T₁和后半周期T₂；在前半周期T₁中，在激光器驱动电流上叠加低频锯齿信号，用于对激光器频率进行扫描输出，可根据光谱无需标定检测吸收度较高时的气体浓度；在后半周期T₂中，在激光器驱动电流上同时叠加低频锯齿信号和高频正弦信号，用于对激光器频率进行扫描和调制输出，可检测微弱吸收时的气体浓度信息。

(2)激光器输出的激光通过吸收池中的待测气体后，由光电探测器将该激光信号转换为电信号，电信号经信号处理单元进行前置放大处理、A/D转换成数字信号后输入至控制器，在控制器中对数字信号进行解调和分析。

(3)自标定：通过锁定激光器输出频率范围，控制器采用直接吸收算法计算出检测目标吸光度A，在吸光度A为0.03cm^-1-0.05cm^-1范围内时，保存一组吸光度为A^*下的二次谐波信号作为标定信号。现有的标定方法是通过已知浓度的标准气体来得到一个标准信号，实现标定过程，本发明所用的标定方法是利用直接吸收在一定范围内，能够计算得到准确的绝对的浓度值，通过直接吸收方法计算得到浓度结果作为已知浓度值，实现了对二次谐波信号的标定，免去了用已知浓度的标准气体对二次谐波的标定，明确了用直接吸收对谐波标定的界定范围。

(4)在一个周期信号的前半周期T₁，控制器采用直接吸收算法求得吸收池中待测气体的吸光度A，并将吸光度A和设定的吸光度阈值A₀进行比较。

若A大于A₀，则采用公式C₁＝A/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₁，此时，将C₁作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度。

若A不大于A₀，则采用谐波检测的解调方法对激光器电流驱动信号的后半周期T₂进行处理，解调得到二次谐波信号，将解调后的二次谐波信号与标定信号进行最小二乘拟合得到拟合系数k，并采用公式C₂＝kA^*/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₂，此时，将C₂作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，A^*表示标定信号对应的吸光度，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度。

(5)采用温度传感器测量吸收池中待测气体的温度T，并采用公式C_corr＝C_M+F(T)对吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值进行温度修正，修正后的吸收池中待测气体浓度C_corr作为检测系统的结果输出。其中，C_corr为修正后的吸收池中待测气体浓度，C_M为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值，T为吸收池中的实时温度，F(T)为获得的温度浓度修正函数关系。现有技术大多是通过理论中温度变化对线强变化的影响，来修正温度对浓度计算的影响，实际应用中该修正不能得到很好的效果。本发明是对检测系统整体进行修正，对检测系统过程中的的电路温漂，激光器探测器温度效应，光学机械温度效应等对检测结果造成的影响进行修正。

现有技术中对激光器进行电流驱动是通过函数发生器产生任意频率的驱动信号，来获得直接吸收光谱和波长调制光谱，实现起来较为复杂，集成度差。本发明对激光器进行高精度的电流驱动控制，同时将低频扫描与高频调制相结合交替使用，实现大量程测量，提高检测结果的精度。将低频扫描与高频调制结合起来应用，实现起来是存在一定难度的。现有技术中的浓度反演虽然采用了直接吸收光谱和波长调制光谱两种方法，但没有确定二者的分界点，影响最终检测结果的准确性和精度，无法实现宽温度范围内的检测，本发明明确了两种算法的分界点，而且本发明将宽温度范围内的修正方法与全量程相结合，增加了在实际应用中的可行性。

进一步的，所述控制器采用STM32处理器，包括信号采集模块、直接吸收信号解调模块、谐波信号解调模块、浓度反演及温度修正模块。所述信号处理单元包括前置放大器和A/D转换器。

进一步的，所述激光器为可调谐二极管激光器。

进一步的，在系统进行应用前，需要根据实际测量的气体和应用需求来设置判断选择两种算法的吸光度A₀，通常在谐波最优调制度下，谐波检测的吸光度线性区间为0-0.04cm^-1，因此，A₀设置为0.04cm^-1。

进一步的，传感器系统的光机部分和电子电路部分均会与温度变化产生弱非线性效应，但该变化对固定系统具有较高的重复性。传感器系统包括吸收池、光源和探测器。通过测试已知浓度的标准气体与温度变化的函数关系，得到在不同温度下标准气体的浓度测试结果，通过拟合浓度与温度的变化曲线，得到温度对浓度的补偿函数关系F(T)，在测试过程中结合温度传感器得到的实时温度值T对其测量的浓度C_M进行修正，得到修正浓度C_corr＝C_M+F(T)，其中，C_corr浓度为修正结果，T为实时温度，F(T)为获得的温度浓度修正函数关系。

利用该方法结合甲烷浓度检测来说明该方法的具体实施方式。甲烷浓度检测在煤矿安全、天然气泄漏检测等领域都有广泛的应用前景。其检测环境中的甲烷浓度范围较大，其体积分数可从0到100％，而且检测环境中的温度随气候变化，对传感器的温度适应性要求较高，按照工业需求工作温度范围应为-40℃～60℃。用激光吸收光谱方法对其浓度进行检测，就需要满足宽温度范围内全量程浓度的高精度、高准确度的检测要求。实验用集成有温度传感器的甲烷吸收池，其光程为10cm；所选吸收线为1653.72nm，吸收池压力为1atm，温度为20℃时，吸收谱线强度为0.0786cm^-2atm^-1。实验过程中分别记录两种方法反演得到的吸光度，波长调制法计算结果在A₀附近出现线明显的非线性，而在吸光度小于A₀时线性度较好，且测量灵敏度高于直接吸收计算的结果；直接吸收法在吸光度大于A₀时仍保持较好的线性度，如图3所示为两种算法对不同吸光度的检测结果。因此，在测量过程中当吸光度小于A₀时选择波长调制计算结果为测量浓度值C_M，当吸光度大于A₀时选择直接吸收法计算的结果为测量浓度值C_M。在实际应用过程中温度改变直接影响测量结果，如图4所示，当甲烷浓度为2.0％时，温度在-40℃-60℃改变过程中测量浓度变化趋势和浓度修正结果。温度改变影响吸收谱线强度、传感器光机结构、探测器和电路中元件性能，导致测量浓度与温度呈负相关变化，通过拟合温度变化与测量浓度的关系得到温度修正函数F(T)。如图4所示点连线为修正的浓度结果，在-40℃-60℃温度范围内测量误差小于1.3％，满足大多数工业现场对浓度测量精度的需求。此时，A₀的取值范围为0.03cm^-1-0.05cm^-1。当L＝10cm时，甲烷浓度为4％～5％。

利用该方法结合水汽浓度检测来说明该方法的具体实施方式。水汽在大气中含量变化很大，其变化范围在0-4％之间，受温度变化影响很大，且容易凝结、吸附，因此水汽不像其他稳定的气体可以配比有标准浓度的气体。用激光吸收光谱方法对其浓度进行检测，就需要有高精度、大量成和自标定的功能。在计算开始，首先，设置两种算法切换的临界值A₀为0.04cm^-1，所选的吸收谱线为1368.59nm，吸收池压力为1atm，对应的吸收系数α为0.4701cm^-2，待测气体为光程为1m的气体吸收池，因此两种算法的临界浓度为850ppm。其次，对系统进行自标定，由于空气中水汽的浓度大于临界浓度，因此先向吸收池内通入干燥氮气，使得吸收池内吸光度降低到0.03cm^-1-0.05cm^-1范围内，对应的浓度约为：630ppm-1000ppm，保存此浓度范围的二次谐波信号及对应的吸光度A*。最后，开始进行对待测水汽进行浓度的测量。在浓度测量过程中，第一，激光器温度驱动使可调谐半导体激光器稳定在合适的温度下，通过扫描和调制的电流驱动使激光器输出激光波长在1368.5nm附近固定范围内扫描，前半周期T1的驱动电流是只有锯齿扫描输出，后半周期T₂的信号是锯齿扫描加高频调制输出。第二，激光器输出激光，通过气体吸收池后，由光电探测器将其装换为电信号经A/D转化输入微处理系统。第三，将前半周期T1部分输入直接吸收信号解调模块进行处理，得到吸光度A，若A大于设置的吸光度A₀，则结合所测吸收谱线的吸收系数α和光吸收路径长度L计算出检测气体浓度记为C₁＝A/(αL)。若A小于等于设置的吸光度A₀，将信号的后半周期T₂输入到谐波解调模块，解调得到二次谐波信号，该二次谐波信号与标定的谐波信号进行最小二乘拟合得到拟合系数k，结合所测吸收谱线的吸收系数α及光吸收路径长度L路径长度计算出气体浓度C₂＝k A^*/(αL)，其中A^*为标定信号对应的吸光度，最后，根据测量的实际情况将C₁或C₂作为最终计算浓度C进行输出。

在该处理过程中，若只用高精度的谐波检测方法，其检测水汽浓度范围为：0-0.10％，结合直接吸收检测算法，系统的检测灵敏度没有降低，但检测范围扩展到了0-4.00％，并且提出了自标定方法，解决了水汽没有标准浓度无法进行标定的问题。

本发明将两种解调算法集成到同一系统中，既保证了系统的高灵敏度检测，又扩展了系统检测量程。对整个系统来说没有进行硬件增加。同时，目前激光吸收光谱技术的仪器，均需要已知浓度的标准气体进行标定和校准，但对于一些气体和检测环境是很难通过该方法完成标定的。比如，水蒸气就没有标准浓度的标气；开放式遥测检测时路径不能够完全满足检测气体均匀地分布于光路径上，也不容易准确标定。本发明将两种解调算法结合到一起，利用直接吸收可计算出气体的绝对吸光度的特点，实现对谐波信号的标定，完成系统的自标定功能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，所述激光吸收光谱检测系统包括激光器、吸收池、光电探测器、信号处理单元和控制器；其特征在于：所述吸收池中设有温度传感器，该方法包括以下步骤：

(1)在稳定的温度驱动下，采用周期为T的扫描调制信号对激光器进行电流驱动，一个周期T包括前半周期T₁和后半周期T₂；在前半周期T₁中，在激光器驱动电流上叠加低频锯齿信号，对激光器频率进行扫描输出；在后半周期T₂中，在激光器驱动电流上同时叠加低频锯齿信号和高频正弦信号，对激光器频率进行扫描和调制输出；

(2)激光器输出的激光通过吸收池中的待测气体后，采用光电探测器将该激光信号转换为电信号，电信号再经信号处理单元进行前置放大处理、A/D转换成数字信号后输入至控制器，在控制器中对数字信号进行解调和分析；

(3)通过锁定激光器输出频率范围，控制器采用直接吸收算法计算出检测目标吸光度，当吸光度在0.03cm^-1-0.05cm^-1范围内时，保存一组吸光度为A^*下的二次谐波信号作为标定信号；

(4)在激光器电流驱动信号的前半周期T₁，控制器采用直接吸收算法求得吸收池中待测气体的吸光度A，并将吸光度A和设定的吸光度阈值A₀进行比较；

若A大于A₀，则采用公式C₁＝A/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₁，此时，将C₁作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度；

若A不大于A₀，则采用谐波检测的解调方法对激光器电流驱动信号的后半周期T₂进行处理，解调得到二次谐波信号，将解调后的二次谐波信号与标定信号进行最小二乘拟合得到拟合系数k，并采用公式C₂＝kA^*/(αL)计算出吸收池中待测气体浓度C₂，此时，将C₂作为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值C_M；其中，A^*表示标定信号对应的吸光度，α表示吸收池中待测气体吸收谱线的吸收系数，L表示吸收池中待测气体光吸收路径长度；

(5)采用温度传感器测量吸收池中待测气体的温度T，并采用公式C_corr＝C_M+F(T)对吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值进行温度修正，修正后的吸收池中待测气体浓度C_corr作为检测系统的结果输出；

其中，C_corr为修正后的吸收池中待测气体浓度，C_M为吸收池中待测气体浓度测量结果的原始值，T为吸收池中的实时温度，F(T)为获得的温度对浓度的修正函数。

2.根据权利要求1所述的可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，其特征在于：所述信号处理单元包括前置放大器和A/D转换器。

3.根据权利要求1所述的可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，其特征在于：所述激光器为可调谐二极管激光器。

4.根据权利要求1所述的可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，其特征在于：A₀取值为0.04cm^-1。

5.根据权利要求1所述的可扩展宽温度范围内检测量程的激光吸收光谱检测系统的检测方法，其特征在于：步骤(5)中“温度对浓度的修正函数F(T)”，其获取方法为：在不同温度下对已知浓度的标准气体进行测试，获取标准气体的浓度测量值，将浓度测量值与温度进行拟合得到的函数关系即为F(T)。

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