CN112666124A - 用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法 - Google Patents

Abstract

用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法，属气体传感技术领域。包括光源、信号发生器等。温控、驱动电路连光源，光源连光调制器，信号发生器连光调制器，光调制器连1*2光耦合器，1*2光耦合器的a输出端连气室，气室连光电探测电路i，1*2光耦合器的b输出端连光电探测电路ii，光电探测电路i和ii分别连锁相放大器i和ii，锁相放大器i和ii参考端连信号发生器，两输出端连减法电路，减法电路后连数据采集卡和计算机,本发明采用高频强度调制和锁相放大器以降低1/f噪声，提高了信噪比，用光谱半高全宽积分法反演浓度能消除复杂检测环境下压强和背景气体改变、基线拟合和吸收线型拟合误差的影响，相比峰值法提高了检测精度。

Description

用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法

技术领域

本发明涉及一种应用于复杂气体检测环境下的检测技术及检测方法，具体讲的是一种基于波长扫描和强度调制的半高全宽(HMFW)积分法的气体检测方法及系统。属于气体传感技术领域。

背景技术

可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)以其灵敏度高、响应快、适用性好等优点，是测量气体浓度最具代表性的方法之一，其中包括直接吸收法和二次谐波法两种检测手段。二次谐波检测是在选定的频率下进行交流检测，用锁相放大器(LIA)进行敏感信号的检测，可以降低信号带宽以外的噪声，提高信噪比，但在复杂检测环境下容易受到背景气体和压强变化的影响而降低检测准确度。直接吸收法可以描绘全谱吸收线型，提供绝对气体浓度，实现方便，但其检测信噪比不如谐波检测高，且易受基线拟合和吸收线型拟合时的误差影响也会影响检测准确度。

中科院安徽光机所许丽，张志荣等人在2019年10月发表在激光与光电子学进展杂志第56卷，第19期的一篇文章，《激光吸收光谱中谱线重叠干扰的解析方法》中说明了在进行气体检测时的气体压强变化时的影响情况，提到了在基线拟合和吸收线型拟合过程中会存在一定误差，因此其吸收形状的拟合值偏离真值，影响检测灵敏度，在测量过程中产生的噪声需要妥善地处理。

因而，设计一种兼顾两种检测方法的优点同时又避免其缺点的用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法及系统具有重要的应用价值。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法，由以下检测系统进行检测，该系统包括温控电路，驱动电路、光源、信号发生器、光调制器、1*2光耦合器、气室、光电探测电路i和ii、锁相放大器i和ii、减法电路、数据采集卡和计算机,温控电路、驱动电路连接到光源，光源连接到光调制器输入端，信号发生器连接光调制器的调制端，光调制器输出端连接到1*2光耦合器的输入端，1*2光耦合器的a输出端连接到气室，气室后连接光电探测电路i，1*2光耦合器的b输出端连接光电探测电路ii，光电探测电路i和ii分别连接锁相放大器i和ii，锁相放大器i和ii参考端连接信号发生器，锁相放大器i，ii输出端连接到减法电路，减法电路和数据采集卡相连接，数据采集卡连接到计算机,该检测方法步骤如下：

1)将上述检测系统连接并调试好，在气室中充入待测气体，驱动电路驱动光源发出96HZ的锯齿波扫描信号，调节温控电路使光源输出波长稳定在待测气体吸收峰中心波长处，信号发生器发出频率为4K赫兹的正弦波信号,该信号通过光调制器对光源的输出信号进行调制，另外正弦波信号又被送入锁相放大器i和锁相放大器ii的参考端；

2)当光信号进入1*2光耦合器时被分成两路输出，其a输出端口的光信号经过气室内的待测气体被部分吸收后输出到光电探测电路i；b输出端口的光信号作为参考光路直接进入到光电探测电路ii；经光电探测电路i、光电探测电路ii将被转换后的两路电流信号转为电压信号分别进入锁相放大器i和锁相放大器ii，两路电压信号分别经过两锁相放大器降噪放大处理后进入减法电路做差分处理，经差分处理后的数据信号由数据采集卡采集而后送入计算机，计算机得到吸收光谱数据信息；

3)用光谱半高全宽积分法来反演气体浓度；先将在计算机上已得到的吸收光谱数据为依据，根据具体检测环境的温度和压强选择符合Gauss，Lorentz和Voigt三种吸收线型适用环境的其中一个进行线型拟合，然后只取谱线半高全宽部分的积分面积，根据所选线型函数的半高全宽积分面积与全谱积分面积的关系，用半高全宽下的积分吸光度来取代全谱积分吸光度，进而得到气体浓度。

所述的光源为DFB可调谐激光器。

所述的光调制器为电光或声光调制器。

半高全宽积分法的优势是相比于峰值法具有全谱积分法的优点，同时又用拟合误差较小的半高全宽内的数据来替代全谱线拟合的数据，可以降低或消除全谱积分法因谱线展宽处带来的较大的拟合误差的影响。

本发明方法及系统降低了1/f噪声，提高了检测信噪比，同时能消除应用在煤矿油田等复杂检测环境下压强和背景气体变化、基线拟合和吸收线型拟合误差带来的影响，相比峰值标定法提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明检测系统的结构示意图。

其中：1.驱动电路，2.光源，3.温控电路，4.光调制器，5.信号发生器，6.1*2光耦合器，7.气室，8.光电探测电路i，9.光电探测电路ii，10.锁相放大器i，11.锁相放大器ii，12.减法电路，13.数据采集卡，14.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法，由以下检测系统进行检测，如图1所示，该系统包括驱动电路1、光源2、温控电路3、光调制器4、信号发生器5、1*2光耦合器6、气室7、光电探测电路i 8、光电探测电路ii 9、锁相放大器i 10、锁相放大器ii11、减法电路12、数据采集卡13和计算机14。温控电路3、驱动电路1连接到光源2，光源2连接到光调制器4输入端，信号发生器5连接光调制器4的调制端，光调制器4输出端连接到1*2光耦合器6的输入端，1*2光耦合器6的a输出端连接到气室7，气室7后连接光电探测电路i 8；1*2光耦合器6的b输出端连接光电探测电路ii 9，光电探测电路i 8和光电探测电路ii 9分别连接锁相放大器i 10和锁相放大器ii 11，锁相放大器i 10和锁相放大器ii 11参考端连接信号发生器5，锁相放大器i 10和ii 11输出端连接到减法电路12，减法电路12和数据采集卡13相连接，数据采集卡13连接到计算机14,该检测方法步骤如下：

1)将上述检测系统连接并调试好，在气室中充入待测气体，驱动电路驱动光源发出96HZ的锯齿波扫描信号，调节温控电路使光源输出波长稳定在待测气体吸收峰中心波长处，信号发生器发出频率为4K赫兹的正弦波信号,该信号通过光调制器对光源的输出信号进行调制，另外正弦波信号又被送入锁相放大器i和锁相放大器ii的参考端；

2)当光信号进入1*2光耦合器时被分成两路输出，其a输出端口的光信号经过气室内的待测气体被部分吸收后输出到光电探测电路i；b输出端口的光信号作为参考光路直接进入到光电探测电路ii；经光电探测电路i、光电探测电路ii将被转换后的两路电流信号转为电压信号分别进入锁相放大器i和锁相放大器ii，两路电压信号分别经过两锁相放大器降噪放大处理后进入减法电路做差分处理，经差分处理后的数据信号由数据采集卡采集而后送入计算机，计算机得到吸收光谱数据信息；

3)用光谱半高全宽积分法来反演气体浓度；先将在计算机上已得到的吸收光谱数据为依据，根据具体检测环境的温度和压强选择符合Gauss，Lorentz和Voigt三种吸收线型适用环境的其中一个进行线型拟合，然后只取谱线半高全宽部分的积分面积，根据所选线型函数的半高全宽积分面积与全谱积分面积的关系，用半高全宽下的积分吸光度来取代全谱积分吸光度，进而得到气体浓度。

所述的光源2为DFB激光器，其型号为SWLD-165310S22-02,其中心波长为1653.7nm，对应的待测气体是甲烷，气体吸收峰为1653.7nm。

所述的光调制器4为电光调制器，一种马赫-曾德尔型LiNbO3EOM，其型号为KG-AM1310PSFA，CONQUE。

所述的锁相放大器i 10和ii 11为Zurich Instruments AG，其型号为HF2LI LIA。

实施例2：

和实施例1相同，只是所述的激光器型号为TL-DFB--A8-W,中心波长为1530nm，对应的待测气体乙炔的气体吸收峰，气室7中充入的待测气体为乙炔。

Claims (1)

1.一种用于复杂环境的吸收光谱半高全宽积分气体检测方法，由以下检测系统进行检测，该系统包括温控电路，驱动电路、光源、信号发生器、光调制器、1*2光耦合器、气室、光电探测电路i和ii、锁相放大器i和ii、减法电路、数据采集卡和计算机,温控电路、驱动电路连接到光源，光源连接到光调制器输入端，信号发生器连接光调制器的调制端，光调制器输出端连接到1*2光耦合器的输入端，1*2光耦合器的a输出端连接到气室，气室后连接光电探测电路i，1*2光耦合器的b输出端连接光电探测电路ii，光电探测电路i和ii分别连接锁相放大器i和ii，锁相放大器i和ii参考端连接信号发生器，锁相放大器i，ii输出端连接到减法电路，减法电路和数据采集卡相连接，数据采集卡连接到计算机,该检测方法步骤如下：

1)将上述检测系统连接并调试好，在气室中充入待测气体，驱动电路驱动光源发出96HZ的锯齿波扫描信号，调节温控电路使光源输出波长稳定在待测气体吸收峰中心波长处，信号发生器发出频率为4K赫兹的正弦波信号,该信号通过光调制器对光源的输出信号进行调制，另外正弦波信号又被送入锁相放大器i和锁相放大器ii的参考端；

2)当光信号进入1*2光耦合器时被分成两路输出，其a输出端口的光信号经过气室内的待测气体被部分吸收后输出到光电探测电路i；b输出端口的光信号作为参考光路直接进入到光电探测电路ii；经光电探测电路i、光电探测电路ii将被转换后的两路电流信号转为电压信号分别进入锁相放大器i和锁相放大器ii，两路电压信号分别经过两锁相放大器降噪放大处理后进入减法电路做差分处理，经差分处理后的数据信号由数据采集卡采集而后送入计算机，计算机得到吸收光谱数据信息；

3)用光谱半高全宽积分法来反演气体浓度；先将在计算机上已得到的吸收光谱数据为依据，根据具体检测环境的温度和压强选择符合Gauss，Lorentz和Voigt三种吸收线型适用环境的其中一个进行线型拟合，然后只取谱线半高全宽部分的积分面积，根据所选线型函数的半高全宽积分面积与全谱积分面积的关系，用半高全宽下的积分吸光度来取代全谱积分吸光度，进而得到气体浓度。

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