CN112577913A - 一种基于光谱吸收原理检测微量气体浓度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法及系统，设有PCB控制电路、激光器发射器、光电探测器，激光发射器、光电探测器分别与PCB控制电路连接；PCB控制电路包括MCU模块、放大滤波模块、相移及相敏检测模块、ADC采样模块、自校准模块，激光发射器与被测气体之间设有准直透镜，光电探测器与被测气体之间设有非球面镜，非球面镜将反射后的激光聚到光电探测器，光电探测器用于测量反射光功率。其解决了现有激光检测方法无法避免环境噪声的干扰、电路与算法复杂、成本高的技术问题。本发明可广泛应用于气体浓度检测。

Description

一种基于光谱吸收原理检测微量气体浓度的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种微量气体浓度检测的方法及系统，特别是涉及一种基于光谱吸收原理检测微量气体浓度的方法及系统。

背景技术

微量气体检测是人类实践活动中需要经常面对的问题，对于生产、环保、安全、健康具有重要意义，有些有毒、有害气体，例如H₂S、CO、 CH₄等，极低浓度就能对人们的生命与财产安全造成威胁，对于此类气体，检测方法必须要做到实时、快速、下限低、精度高。

传统的激光检测方法大多采用TDLAS技术，向待测区域发射调制激光，对接收到的反射光信号进行放大、锁相、滤波、傅里叶变换等处理，最后根据一次谐波与二次谐波的关系，用比尔朗伯吸收定律反演出气体浓度，该方法最大的缺点是无法避免环境噪声的干扰，电路与算法复杂、成本高。

发明内容

本发明针对现有激光检测方法无法避免环境噪声的干扰、电路与算法复杂、成本高的技术问题，提供一种可以有效避免环境噪声的干扰、电路与算法简单、成本较低的基于光谱吸收原理检测微量气体浓度的方法及系统。

为此，本发明的技术方案是，一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，设有PCB控制电路、激光器发射器、光电探测器，激光发射器、光电探测器分别与PCB控制电路连接；

PCB控制电路包括MCU模块、放大滤波模块1、相移及相敏检测模块1、ADC采样模块1，放大滤波模块1与相移及相敏检测模块11电连接，相移及相敏检测1模块与ADC采样模块电连接，ADC采样模块1 与MCU模块电连接；

激光发射器与被测气体之间设有准直透镜，光电探测器与被测气体之间设有非球面镜，非球面镜将反射后的激光聚到光电探测器，光电探测器用于测量反射光功率。

优选的，激光发射器包括参考激光器和测量激光器，参考激光器可以发射出不能被测量环境与被测气体吸收的参考激光，测量激光器可以发射出能够被被测气体吸收的测量激光，激光发射器与准直透镜之间设有合束器；

所述PCB控制电路还包括自校准模块，所述自校准模块输出端与所述MCU模块电连接，所述自校准模块输入端与所述激光发射器电连接，所述自校准模块用于校正参考激光与测量激光发射光强度的比例系数。

优选的，自校准模块包括放大滤波模块2、相移及相敏检测模块2、 ADC采样模块2，放大滤波模块2输入端与激光发射器电连接，放大滤波模块2输出端与相移及相敏检测模块2的输入端电连接，相敏检测模块2的输出端与ADC采样模块2的输入端电连接，ADC采样模块2的输出端与MCU模块电连接。

优选的，光电探测器与PCB控制电路上的放大滤波模块1电连接，放大滤波模块1将有用的电信号进行倍数放大，使有用的电信号达到相移及相敏检测模块1的检测幅值。

优选的，PCB控制电路还包括温控模块、恒流模块、调制模块、通讯模块、液晶显示，温控模块、恒流模块、调制模块均与激光发射器电连接，温控模块用于控制激光发射器的温度，恒流模块用于控制激光发射器的电流，调制模块用于产生激光发射器所需频率的正弦波，通讯模块用于向后台传递检测信息，液晶模块用于显示检测结果。

优选的，PCB控制电路上设有放大倍数控制模块，放大倍数控制模块输入端与MCU模块电连接，放大倍数控制模块输出端与放大滤波模块 1电连接，放大倍数控制模块用于调节放大滤波模块1。

优选的，测量激光器可以发射出能够被多种气体吸收的测量激光。

优选的，激光发射器本身设有背光探测器。

一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法，具体步骤如下：

(1)MCU模块控制调制模块产生10KHZ的正弦波，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器和参考激光器进行信号调制，调制后的信号经过合束器后，再通过准直透镜向被测气体投射入射光I_入，入射光 I_入通过被测气体反射后成为发射光I_出，再经过非球面镜和光电探测器后投射到放大滤波模块1上，发射光I_出通过放大滤波模块1将信号放大达到相移及相敏检测模块1的检测幅值，进行ADC采样后进入MCU模块， MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测、I_参；同时激光发射器的自校准模块，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器和参考激光器进行信号调制，调制后的信号经过激光发射器本身的背光探测器投射到放大滤波模块2上，通过放大滤波模块2将信号放大达到相移及相敏检测模块2检测幅值，通过ADC采样模块2采样后进入MCU模块，MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测测量、I_参测量，并将无被测气体环境下激光自校正模块检测到的I_测测量、I_参测量作为标准的I_测标准、I_参标准；

(2)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行标定：

I_测标定

I_参标定

(3)在无被测气体环境下使用时，需对τ进行校正，其推导流程如下：

假定参考激光发出的激光强度I_参＝I_参测量*a，a为参考激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；测量激光发出的激光强度I_测＝I_测测量*b，b为测量激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；这样我们就可以实时修正参考光和测量光的校准系数μ：

(4)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行校正后，其校正后比例系数为α：

(5)设未知测试环境下，在恒温、恒电流下发射的参考激光的光强度与测量激光的光强度之间存在着固定的比值关系：

(6)在未知测试环境下，设定在极短的测量时间内，环境温度相同，根据上列公式，可以得出：

在未知测试环境中被吸收的测量激光对应的入射光光强度为：

I_入＝I_测＝α*I_参 ⑤

对应的出射光光强度为：

I_出＝I′_测＝β*I′_参 ⑥

同一参考激光在经过无被测气体环境下其I_参＝I′_参，

I_出＝I′_测＝β*I′_参＝β*I_参。 ⑦

优选的，根据比尔朗伯吸收定律推算被测气团在光程上的积分密度的具体步骤为：

式中：

A(λ)—波长为λ的光吸收度；

K—入射光透过气体介质的吸收系数，与气体介质的温度有关，仪器出厂前，使用标准浓度的被测气体在不同温度下进行标定；

C—气体浓度；

L—光程长度；

CL—被测量气体在光程上的积分密度，单位为ppm·m。

优选的，测量激光器发射能被甲烷吸收的中心波长为1653.7nm激光的激光器，参考激光器发射中心波长1550nm的激光。

本发明有益效果是：

(1)应用范围广，通过更换不同的测量激光器，可以检测各种微量气体的浓度；

(2)检测速度快，可以在10ms内完成两种气体的浓度检测；

(3)电路简单，没有复杂的运算；

(4)检测下限低，可以达到1ppm·m；

(5)通过测量激光和参考激光比较，消除光源的不稳定性以及光电器件零漂等因素，获取准确的气体浓度信息。

附图说明

图1是本发明实施例的流程结构示意图；

图2是本发明实测无甲烷气体的α结果示意图；

图3是本发明实测标定甲烷的吸收系数K结果示意图；

图4是本发明实测甲烷浓度结果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，设有PCB控制电路、激光发射器、光电探测器，激光器发射器、光电探测器分别与PCB控制电路连接；PCB控制电路包括MCU模块、放大滤波模块1、相移及相敏检测模块1、ADC采样模块1、自校准模块，放大滤波模块与相移及相敏检测模块电连接，相移及相敏检测模块与 ADC采样模块电连接，ADC采样模块与MCU模块电连接。

激光发射器包括参考激光器和测量激光器，参考激光器可以发射出不能被测量环境与被测气体吸收的参考激光，测量激光器可以发射出能够被多种被测气体吸收的测量激光，激光发射器与准直透镜之间设有合束器，自校准模块输出端与MCU模块电连接，自校准模块输入端与激光发射器电连接，自校准模块用于校正参考激光与测量激光发射光强度的比例系数；

自校准模块包括放大滤波模块2、相移及相敏检测模块2、ADC采样模块2，放大滤波模块2输入端与激光发射器电连接，放大滤波模块2输出端与相移及相敏检测模块2的输入端电连接，相敏检测模块2的输出端与ADC采样模块2的输入端电连接，ADC采样模块2的输出端与MCU 模块电连接。自校准模块可以消除温度、驱动电流的偏差以及激光发射器自身引起的输出光强变化造成的误差，免去现有激光测漏系统中复杂的激光发射器校准，真正意义上实现自我校准，无需人工干预。

激光发射器与被测气体之间设有准直透镜，光电探测器与被测气体之间设有非球面镜，非球面镜将反射后的激光聚到光电探测器，光电探测器用于测量反射光功率。

光电探测器与PCB控制电路上的放大滤波模块电连接，放大滤波模块将有用的电信号进行倍数放大，使有用的电信号达到相移及相敏检测模块的检测幅值。

PCB控制电路还包括温控模块、恒流模块、调制模块、通讯模块、液晶显示，温控模块、恒流模块、调制模块均与激光发射器电连接，温控模块用于控制激光发射器的温度，恒流模块用于控制激光发射器的电流，调制模块用于产生激光发射器所需频率的正弦波，通讯模块用于向后台传递检测信息，液晶模块用于显示检测结果。

PCB控制电路上设有放大倍数控制模块，放大倍数控制模块输入端与MCU模块电连接，放大倍数控制模块输出端与放大滤波模块电连接，放大倍数控制模块用于调节放大滤波模块。

一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法，具体步骤如下：

(1)MCU模块控制调制模块产生10KHZ的正弦波，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器(能发射被甲烷吸收的中心波长为 1653.7nm的激光)和参考激光器(能发射中心波长1550nm的激光)进行信号调制，调制后的信号经过合束器后，再通过准直透镜向被测气体投射入射光I_入；入射光I_入通过被测气体反射后转变为发射光I_出，再经过非球面镜和光电探测器后投射到放大滤波模块1上，发射光I_出通过放大滤波模块1将信号放大达到相移及相敏检测模块1的检测幅值，进行 ADC采样后进入MCU模块，MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测、 I_参；

同时激光发射器的自校准模块，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器和参考激光器进行信号调制，调制后的信号经过激光发射器本身的背光探测器投射到放大滤波模块2上，通过放大滤波模块2将信号放大达到相移及相敏检测模块2检测幅值，通过ADC采样模块2采样后进入MCU模块，MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测测量、I_参测量，并将无被测气体环境下激光自校正模块检测到的I_测测量、I_参测量作为标准的I _测标准、I_参标准；

(2)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行标定：

(3)在无被测气体环境下使用时，需对τ进行校正，其推导流程如下：

假定参考激光发出的激光强度I_参＝I_参测量*a，a为参考激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；测量激光发出的激光强度I_测＝I_测测量*b，b为测量激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；这样我们就可以实时修正参考光和测量光的校准系数μ：

(4)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行校正后，由①②可得，其校正后比例系数为α：

(5)设未知测试环境下，在恒温、恒电流下发射的参考激光的光强度与测量激光的光强度之间存在着固定的比值关系：

(6)在未知测试环境下，设定在极短的测量时间内，环境温度相同，根据上列公式，可以得出：

在未知测试环境中被吸收的测量激光对应的入射光光强度为：

I_入＝I_测＝α*I_参；

对应的发射光光强度为：

I_出＝I′_测＝β*I′_参

同一参考激光在经过无被测气体环境下其I_参＝I′_参，

I_出＝I′_测＝β*I′_参＝β*I_参。

根据比尔朗伯吸收定律推算被测气团在光程上的积分密度的具体步骤为：

式中：

A(λ)—波长为λ的光吸收度；

K—入射光透过气体介质的吸收系数，与气体介质的温度有关，仪器出厂前，使用标准浓度的被测气体在不同温度下进行标定；

C—气体浓度；

L—光程长度；

CL—被测量气体在光程上的积分密度，单位为ppm·m。

K与温度有关，可以用标准甲烷气体在不同的温度环境下予以标定；假若测试的气体为乙烷，则可以使用发射波长为1640nm激光的激光器，且K可以用标准乙烷气体在不同的温度环境下予以标定。

上述过程可以在20毫秒以内完成，可以近似地认为测量过程中外在的环境条件、物理条件保持不变。

以检测甲烷气体密度为例，采用本发明技术方案的具体操作如下：

选用不被甲烷吸收的1550nm激光器做参考光激光源，恒定其发射功率10mW，采用脉冲发射方式；选用可被甲烷吸收的1653.7nm激光器做测量光激光源，恒定其发射功率10mW，采用脉冲发射方式；激光器的温度和电流由配套的温控模块、恒流模块控制，温度设为25℃；使用1050nm～ 1700nm的镀膜非球面聚光透镜将接收到的反射激光聚焦到光电探测器上；使用900nm～1700nm范围的光电探测器测量反射光功率；将标准激光或测量激光经合束器接入准直透镜发出，合束激光穿过待测空间后被反射面反射回来，经镀有窄带滤光膜的非球面镜后聚到光电探测器，由光电探测器接收并转换为电流信号，利用低噪声前置放大电路将电流信号转换为电压信号，经放大滤波模块、相移及相敏检测模块处理后，进行ADC 采样，送到处理器MCU，经MCU模块算法后输出待测气体的积分密度,同时MCU模块可以根据结果，通过放大倍数控制模块调整放大滤波模块的放大倍数。

在没有甲烷气体的环境下，标定比例系数α的具体步骤为：

(1)发射1550nm参考激光，在6米处设立反射面，测量其反射光的光强度I_参及参考激光自校正模块检测的光强度I_参测量，发射5ms，间隔 5ms，共发射100次，记录测量结果并计算出平均值；

(2)发射1663nm测量激光，在6米处设立反射面，测量其反射光的光强度I_测及参考激光自校正模块检测的光强度I_测测量，发射5ms，间隔 5ms，共发射100次，记录测量结果并计算出平均值；

(3)将反射面分别移至24、96米处，重复步骤(1)、(2)，记录测量结果并计算平均值；

(4)统计测量结果，如图3所示，计算两种激光在不同距离的反射率比值，如果数据一致说明设备合格，标定该比例系数α做为该设备的内部参数，并将I_参测量和I_测测量作为I_参标准和I_测标准。

在温度25℃的环境下，标定甲烷吸收系数K的具体步骤为：

(1)在0.5m宽的标定气箱中充入100ppm的标准浓度甲烷气体，放入25℃恒温箱中放置2小时，使气袋内的气体温度达到25℃；

(2)将标定气箱取出后放置在10米远处；

(3)将标准激光器发出波长为1550nm的激光，测量反射光强I₁，间隔5ms测量100次，记录测量结果；

(4)单独发出测量波长为1653nm的激光，测量反射光强I′₁，间隔 5ms测量100次，记录测量结果；

(5)将标准浓度甲烷气体改为1000ppm、10000ppm、20000ppm、 30000ppm、40000ppm、50000ppm，重复步骤(1)～(4)，记录测量结果；

(6)计算吸收系数K，K与温度有关，在-20到+50度之间，重复上述步骤，每5度标定出一个K，中间值通过插值法计算获得，结果如图4 所示。

在未知环境下的甲烷浓度的实测步骤为：

(1)首先发射波长为1550nm的激光5ms，测量反射光强I₂及I_参测量；

(2)发射波长为1653.7nm的激光5ms，测量反射光强I′₂及I_测测量；

(3)根据环境温度选择对应的K，应用下列公式计算甲烷在出光程上的积分密度

本发明应用范围广，通过更换不同的测量激光器和参考激光器，可以检测各种微量气体的浓度，并且每次测量都会去除环境噪声，环境适应能力强，电路简单，没有复杂的运算，检测精度可以达到5％，检测速度可以达到20ms，检测下限可以达到0.1ppm·m，通过本发明的实施，激光检测可以实现远距离、非接触测量，测量结果快速、准确。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (10)

1.一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，设有PCB控制电路、激光发射器、光电探测器，激光发射器、光电探测器分别与PCB控制电路连接；

所述PCB控制电路包括MCU模块、放大滤波模块1、相移及相敏检测模块1、ADC采样模块1，所述放大滤波模块1与所述相移及相敏检测模块1电连接，所述相移及相敏检测模块1与所述ADC采样模块1电连接，所述ADC采样模块1与所述MCU模块电连接；

所述激光发射器与被测气体之间设有准直透镜，所述光电探测器与被测气体之间设有非球面镜，所述非球面镜将反射后的激光聚到所述光电探测器，所述光电探测器用于测量反射光功率。

2.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述激光发射器包括参考激光器和测量激光器，所述参考激光器可以发射出不能被测量环境与被测气体吸收的参考激光，所述测量激光器可以发射出能够被被测气体吸收的测量激光，所述激光发射器与所述准直透镜之间设有合束器；

所述PCB控制电路还包括自校准模块，所述自校准模块输出端与所述MCU模块电连接，所述自校准模块输入端与所述激光发射器电连接，所述自校准模块用于校正参考激光与测量激光发射光强度的比例系数。

3.根据权利要求2所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述自校准模块包括放大滤波模块2、相移及相敏检测模块2、ADC采样模块2，所述放大滤波模块2输入端与所述激光发射器电连接，所述放大滤波模块2输出端与所述相移及相敏检测模块2的输入端电连接，所述相敏检测模块2的输出端与所述ADC采样模块2的输入端电连接，所述ADC采样模块2的输出端与所述MCU模块电连接。

4.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述光电探测器与所述PCB控制电路上的放大滤波模块1电连接，所述放大滤波模块1将有用的电信号进行倍数放大，使有用的电信号达到所述相移及相敏检测模块1的检测幅值。

5.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述PCB控制电路还包括温控模块、恒流模块、调制模块、通讯模块、液晶显示，所述温控模块、恒流模块、调制模块均与所述激光发射器电连接，所述温控模块用于控制所述激光发射器的温度，所述恒流模块用于控制所述激光发射器的电流，所述调制模块用于产生所述激光发射器所需频率的正弦波，所述通讯模块用于向后台传递检测信息，所述液晶模块用于显示检测结果。

6.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述PCB控制电路上设有放大倍数控制模块，所述放大倍数控制模块输入端与所述MCU模块电连接，所述放大倍数控制模块输出端与所述放大滤波模块1电连接，所述放大倍数控制模块用于调节放大滤波模块1。

7.根据权利要求1所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的系统，其特征在于，所述激光发射器自身设有背光探测器。

8.一种基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)MCU模块控制调制模块产生10KHZ的正弦波，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器和参考激光器进行信号调制，调制后的信号经过合束器后，再通过准直透镜向被测气体投射入射光I_入，入射光I_入通过被测气体反射后成为发射光I_出，再经过非球面镜和光电探测器后投射到放大滤波模块1上，发射光I_出通过放大滤波模块1将信号放大达到相移及相敏检测模块1的检测幅值，进行ADC采样后进入MCU模块，MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测、I_参；同时激光发射器的自校准模块，在10KHZ的正弦波调制信号下对测量激光器和参考激光器进行信号调制，调制后的信号经过激光发射器本身的背光探测器投射到放大滤波模块2上，通过放大滤波模块2将信号放大达到相移及相敏检测模块2检测幅值，通过ADC采样模块2采样后进入MCU模块，MCU模块接收到的信号的最大幅值为I_测测量、I_参测量，并将无被测气体环境下激光自校正模块检测到的I_测测量、I_参测量作为标准的I_测标准、I_参标准；

(2)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行标定：

(3)在无被测气体环境下使用时，需对τ进行校正，其推导流程如下：

假定参考激光发出的激光强度I_参＝I_参测量*a，a为参考激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；测量激光发出的激光强度I_测＝I_测测量*b，b为测量激光器的转换系数，仅与激光发射器有关；这样我们就可以实时修正参考光和测量光的校准系数μ：

(4)在无被测气体条件下对参考光和测量光进行校正后，其校正后比例系数为α：

(5)设未知测试环境下，在恒温、恒电流下发射的参考激光的光强度与测量激光的光强度之间存在着固定的比值关系：

(6)在未知测试环境下，设定在极短的测量时间内，环境温度相同，根据上列公式，可以得出：

在未知测试环境中被吸收的测量激光对应的入射光光强度为：

I_入＝I_测＝α*I_参

对应的出射光光强度为：

I_出＝I′_测＝β*I′_参

同一参考激光在经过无被测气体环境下其I_参＝I′_参，

I_出＝I′_测＝β*I′_参＝β*I_参。

9.根据权利要求8所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法，其特征在于，根据比尔朗伯吸收定律推算被测气团在光程上的积分密度的具体步骤为：

式中：

A(λ)—波长为λ的光吸收度；

K—入射光透过气体介质的吸收系数，与气体介质的温度有关，仪器出厂前，使用标准浓度的被测气体在不同温度下进行标定；

C—气体浓度；

L—光程长度；

CL—被测量气体在光程上的积分密度，单位为ppm·m。

10.根据权利要求8所述的基于光谱吸收原理检测开放光程上微量气体浓度的方法，其特征在于，测量激光器发射能被甲烷吸收的中心波长为1653.7nm激光的激光器，参考激光器发射中心波长1550nm的激光。

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