CN112763454B - 一种多气体传感系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用可调谐激光光谱远距离检测多组分痕量气体的传感系统及测量方法，利用信号发生模块产生的调制信号调谐半导体激光器，激光器出射光由波分复用器合束，用于多组分测量的多个激光器调制频率不相等且不成倍数关系，可在频域内分开，通过光纤线缆实现远距离传输，在开放式气体传感探头中被待测气体吸收后经光电探测器将光电流转化为电压信号。数据采集模块采集电压信号，借助一次谐波信号完成对二次谐波信号的归一化处理，同时借助二次谐波峰值寻获归一化光谱信号的幅值，最终由信号显示终端给出待测气体的浓度信息。本发明相比传统的光学气体传感系统可极大提升传感系统的可靠性，抗干扰能力强、复用性好。

Description

一种多气体传感系统及检测方法

技术领域

本发明属于光学气体传感技术领域，特别涉及一种利用可调谐激光光谱远距离检测多组分痕量气体的传感系统及测量方法。

背景技术

痕量气体检测在环境及排放物监测中具有极其重要的意义，化工、矿业生产过程中产生的易燃、易爆及有毒气体，如甲烷、乙炔等，不仅会造成作业的重大安全隐患，而且会产生温室效应。随着我国石油、化工等行业朝着智能化、数字化的方向发展，对工业、矿业生产过程中易燃、易爆及有毒气体的实时、精准监测的需求愈加迫切。

基于光谱原理的气体监测主要包括吸收光谱型、光声光谱型和气相色谱型。光声光谱具有检测灵敏度高、检测范围广、响应速度快等特点，但工业环境中的大量噪声会干扰声波的检测，影响系统的准确度和稳定性；气相色谱法虽然可以对多组分气体进行高灵敏度探测，但响应速度慢，维护成本高；相较而言，吸收光谱型传感系统无需声波检测不会受到噪声干扰，且具有检测灵敏度较高、响应速度快等优势，更适用于工业生产中对易燃、易爆及有毒气体的实时监测。

基于可调谐激光二极管激光吸收光谱(TDLAS)的气体传感属于吸收光谱型传感，通过波长调制技术将高频调制信号上叠加低频扫描信号实现对激光光谱信号的调制，并利用锁相放大器提取二次谐波信号，能够有效抑制噪声，提高系统信噪比，适用于痕量气体的检测。

解调得到的二次谐波经传感标定后可直接用来解析待测气体的信息，同时二次谐波的幅值与耦合到光电探测器上的光功率成正比例关系。在实际环境中利用TDLAS技术对易燃、易爆及有毒气体远距离监测时，光功率易受到诸如光纤损耗、光源波动以及不稳定的光纤接头等因素的干扰，从而影响测量结果的准确性，极易造成待测气体信息的测量错误。工作人员在无法准确获得气体信息的情况下，容易误判目标区域内的危险气体的状况，对安全生产带来隐患。

发明内容

本发明设计了一种多气体传感系统及检测方法，可以解决实际生产中对多组分气体远距离可靠测量的应用需求，为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种多气体传感系统检测方法，包括：

S1：数据采集模块控制信号发生模块发出m路功能相同的组合信号，使光源模块中每一路激光器发射的光信号分别载有频率为f₁，f₂,…f_m的高频调制信号，其中，m为大于等于2的整数；

S2：调制后的m台激光器发出的激光经波分复用器合并后耦合为一束激光由光纤传输进入开放式气体传感头中，被混合有m种待测气体吸收后的光束经光纤传输至光电探测器；

S3：数据采集模块采集经光电探测器转化为光信号的电压信号，并对电压信号分别在f₁，f₂，…f_m和2f₁，2f₂，…2f_m处进行解调，同时在频率为f₁，f₂，…f_m处得到一次谐波信号f′₁，f′₂，...f′_m，在频率为2f₁，2f₂，…2f_m处得到二次谐波信号2f′₁，2f′₂，...2f′_m；

S4：通过借助一次谐波信号完成对二次谐波信号的归一化处理，在相应的待测气体吸收峰所在位置处找到对应m种待测气体的归一化光谱信号的幅值2f′_m/f′_m后，对m种气体浓度C_m和其对应的归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m进行拟合，得到气体浓度C_m和归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m的线性拟合关系，完成系统标定；

S5：将测量得到的归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m代入系统标定后的关系式(1)中，反演气体浓度，并输出到信号显示终端。

优选地，步骤S5中，线性拟合关系的关系为：

其中，i_m0与i_m2分别为对m种待测气体测量的半导体激光器进行调制时，光强响应的线性项和非线性项，

ψ_m1与ψ_m2分别为频率响应相对光强响应存在相位偏移的线性项和非线性项，

H_m为m种待测气体透过系数的傅里叶展开系数，由下式计算得到：

X_m[cm^-3]为待测气体摩尔分数，与气体浓度C_m的关系由下式计算：

其中：P[atm]为气体的总压强；

S_m(T)[cm^-2atm^-1]是气体吸收谱线强度，只与温度T有关；

φ_m(ν)[cm]为被测气体的归一化线性函数；

为激光中心频率；

a_m为调制幅度；

u_m＝cos(ω_mt)，ω_m为激光调制的角频率；

L[cm]为激光在气体中吸收的光程；

K＝1.38×10^-23[J/K]，为玻尔兹曼常数；

k＝1，2，3，4。

优选地，组合信号还包括用于使m台激光器输出的波长能够覆盖m种待测气体的吸收谱线的低频信号f；低频扫描信号f为正弦波、锯齿波、三角波中的一种。

优选地，二次谐波信号峰值所在位置为每种待测气体吸收峰的位置，利用一次谐波与二次谐波的同步性以及二次谐波峰值位置，精准确定每种待测气体的归一化光谱信号的幅值，使气体检测过程具有高可靠性。

优选地，利用最小二乘法对m种气体的浓度C_m和其对应的归一化光谱信号幅值2f′_m/f′m进行拟合，得到m个两者对应的拟合关系式(1)。

优选地，调制频率f₁，f₂，…f_m互不相等且相互不成整数倍数。

一种多气体传感系统，包括：信号发生模块、光源模块、数据采集模块、光电探测器；

数据采集模块控制信号发生模块发出低频扫描信号和高频调制信号，同时将采集到的经光电探测器转化为电压信号的光信号分别在f_m，2f_m处进行解调；

信号发生模块使光源模块发出的光信号具有频率为f₁，f₂,…f_m的高频调制信号；

光电探测器用来探测透射的激光的光功率信号，将光信号转换为电压信号。

优选地，还包括分复用器、光纤、开放式气体传感头、信号显示终端；波分复用器用来将载有高频调制信号的光信号合并；光纤用于合并后的载有高频调制信号的光信号的远距离传输；开放式气体传感头用于完成待测气体对激光的吸收；信号显示终端用来在线检测待测气体及其浓度信息。

优选地，光源模块包含m组并联的激光器及其驱动模块。

本发明能够取得以下技术效果：

1、利用一次谐波来归一化二次谐波得到光谱信号，可有效消除光功率变化引起的系统测量误差，提高了传感系统的稳定性和抗干扰能力。

2、利用一次谐波与二次谐波的同步性以及二次谐波峰值位置，精准确定归一化光谱信号的幅值，使气体检测过程具有高可靠性。

3、结合波分复用和频分复用技术，可将多个光源以不同频率正弦信号进行调制并耦合至光电探测器中，通过对不同波长吸收信号的同步解调实现多组分同步检测，使检测系统具有很好的扩展性，即利用该技术通过增加半导体激光器可进一步实现≥2种气体的传感测量，且不降低系统的传感性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种多气体传感系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的甲烷气体归一化光谱信号幅值与气体浓度的标定曲线；

图3是本发明一个实施例的乙炔气体归一化光谱信号幅值与气体浓度的标定曲线；

图4是本发明一个实施例的模拟传输过程中光功率波动情况下甲烷气体的二次谐波与归一化光谱信号幅值的对比；

图5是本发明一个实施例的模拟传输过程中光功率波动情况下乙炔气体的二次谐波与归一化光谱信号幅值的对比；

图6是本发明一个实施例的两种气体浓度的检测流程图。

附图标记：

信号发生模块1、

光源模块2、第一激光器驱动模块21、第一激光器211、第二激光器驱动模块22、第二激光器221、

数据采集模块3、波分复用器4、光纤5、开放式气体传感探头6、光电探测器7、信号显示终端8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种高可靠性的远距离多气体传感系统，相比传统的光学气体传感系统可极大提升传感系统的可靠性，抗干扰能力强、复用性好。

下面以甲烷和乙炔两种气体的浓度检测为例，结合图1所示的系统结构以及图6所示的检测流程图，对本发明提供的一种多气体传感系统及检测方法进行详细说明。

如图1所示的光源模块2中，第一激光器211选取中心波长为1653.74nm的DFB半导体激光器可以作为甲烷气体的探测光源；第二激光器221选取中心波长为1530.89nm的DFB半导体激光器可以作为乙炔气体的探测光源。

信号发生模块1发出一路频率f为1Hz的锯齿波和频率f₁为3kHz的正弦波，通过第一激光器驱动模块21对第一激光器211进行调制；另一路频率f为1Hz的锯齿波和频率f₂为4kHz的正弦波，通过第二激光器驱动模块22对第二激光器221进行调制；

两束带有调制信号的激光经过波分复用器4合并为一束，并由二合一的光纤5传输并入射到开放式气体传感探头6内，甲烷、乙炔等气体对激光的吸收过程在开放式气体传感探头6中完成。

在本发明的另一个实施例中，只有不带电的开放式气体传感器探头6位于监测区域内，其他部分利用光纤5实现光信号的远距离传输，可在安全带远程操控区域工作，以保证危险气体传感系统的本征安全；

开放式气体传感探头6为开放式赫里奥特(Herriott)长光程气体吸收池，激光在Herriott吸收池内反射34次，实现了大约3m量级的吸收距离，Herriot单元内压强约为1atm。

在完成气体对激光的吸收后，由光电探测器7探测透射的激光功率信号，将光信号转换为电信号后，交由数据采集模块3进行采集处理。

数据采集模块3通过数字锁相放大方法处理采集到的信号，对调制频率为f₁：3kHz、2f₁：6kHz处甲烷气体的调制光谱进行解调，获得甲烷的一次谐波信息f′₁与二次谐波信息2f′₁；

对调制频率为f₂：4kHz、2f₂：8kHz处乙炔气体的调制光谱进行解调，获得乙炔的一次谐波信息f′₂与二次谐波信息2f′₂；

利用最小二乘法分别对甲烷和乙炔两种气体体积浓度C_m(参见表1，常温常压下T＝296[K]，P＝101325[Pa])和归一化后的光谱信号幅值进行拟合，得到：

甲烷的拟合关系式为：2f′₁/f′₁＝5.79E^-5+2.30E^-4·C₁ (4)；

乙炔的拟合关系式为：2f′₂/f′₂＝-5.52E^-4+2.29E^-4·C₂ (5)，

从而完成系统标定。

在本发明的另一个实施例中，通过分别测得甲烷和乙炔的归一化光谱信号，带入标定的拟合关系式(4)、(5)中，即可反演得到甲烷的体积浓度C₁和乙炔的体积浓度C₂。

在本发明的一个优选实施例中，在二次谐波峰值所在的位置得到甲烷和乙炔的吸收峰的位置；通过借助甲烷的一次谐波信号f′₁完成对甲烷的二次谐波信号2f′₁的归一化处理，在甲烷的吸收峰所在位置处找到归一化光谱信号的幅值2f′₁/f′₁；通过借助乙炔的一次谐波信号f′₂完成对甲烷的二次谐波信号2f′₂的归一化处理，在甲烷的吸收峰所在位置处找到归一化光谱信号的幅值2f′₂/f′₂，消除光功率波动对传感信号的影响。

在本发明的另一个实施例中，设定6个不同甲烷浓度测试点，浓度范围在100-1000ppm，提取甲烷的归一化光谱信号幅值；设定7个不同乙炔浓度测试点，浓度范围在50-1000ppm，提取乙炔的归一化光谱信号幅值；测量结果下表1所示：

表1不同浓度下甲烷与乙炔的归一化光谱信号测量结果

对表1中的数据进行线性拟合，得到如图2、图3所示的甲烷、乙炔气体浓度与归一化光谱信号幅值的拟合线，其中，甲烷的拟合相关系数为0.9998，乙炔的拟合相关系数为0.9999。

改变入射光功率，分别记录测试环境为甲烷浓度100ppm与乙炔浓度100ppm混合气体的环境下激光器输出光功率波动情况下甲烷与乙炔气体实际测量的归一化光谱信号幅值与二次谐波信号的幅值对比，本发明提供的系统稳定性验证结果如图4、图5所示。

可以看出，改变入射光功率的大小，实际测量的归一化光谱信号幅值不受光功率波动影响，而二次谐波信号的幅值由于光传输过程中的功率波动而变化剧烈，说明本发明提出的检测方法有效，能够有效抑制光功率波动的影响，提高了传感系统的精度与稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多气体传感系统检测方法，其特征在于，包括：

S1：数据采集模块(3)控制信号发生模块(1)发出m路功能相同的组合信号，使光源模块(2)中每一路激光器发射的光信号分别载有频率为f₁，f₂，....f_m的高频调制信号，其中，m为大于等于2的整数；

S2：调制后的m台激光器发出的激光经波分复用器(4)合并为一束激光后由光纤(5)远距离传输进入开放式气体传感探头(6)中，被混合有所述m种待测气体吸收后的光束经所述光纤(5)传输至光电探测器(7)；

S3：所述数据采集模块(3)采集经光电探测器(7)转化为所述光信号的电压信号，并对所述电压信号分别在f₁，f₂，....f_m和2f₁，2f₂，....2f_m处进行解调，同时在频率为f₁，f₂，....f_m处得到一次谐波信号f′₁，f′₂，…f′_m，在频率为2f₁，2f₂，....2f_m处得到二次谐波信号2f′₁，2f′₂，…2f′_m；

S4：通过借助所述一次谐波信号完成对所述二次谐波信号的归一化处理，在相应的所述待测气体吸收峰所在位置处找到对应m种待测气体的归一化光谱信号的幅值2f′_m/f′_m后，对m种气体浓度C_m和其对应的所述归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m进行拟合，得到所述气体浓度C_m和所述归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m的线性拟合关系，完成系统标定；

S5：将测量得到的归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m代入系统标定后的关系式(1)中，反演气体浓度，并输出到信号显示终端(8)；

所述线性拟合关系的关系为：

其中，i_m0与i_m2分别为对m种待测气体测量的半导体激光器进行调制时，光强响应的线性项和非线性项，

ψ_m1与ψ_m2分别为频率响应相对光强响应存在相位偏移的线性项和非线性项，

H_m0为m种待测气体透过系数的0级傅里叶展开系数，由下式计算得到：

H_mk为m种待测气体透过系数的k级傅里叶展开系数，由下式计算得到：

X_m[cm^-3]为待测气体摩尔分数，与气体浓度C_m的关系由下式计算：

其中：P[atm]为气体的总压强；

S_m(T)[cm^-2atm^-1]是气体吸收谱线强度，只与温度T有关；

φ_m(ν)[cm]为被测气体的归一化线性函数；

为激光中心频率；

a_m为调制幅度；

u_m＝cos(ω_mt)，ω_m为激光调制的角频率；

L[cm]为激光在气体中吸收的光程；

K＝1.38×10^-23[J/K]，为玻尔兹曼常数；

k＝1，2，3，4。

2.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，所述组合信号还包括用于使m台所述激光器输出的波长能够覆盖所述m种待气体的吸收谱线的低频信号f；所述低频扫描信号f为正弦波、锯齿波、三角波中的一种。

3.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，所述开放式气体传感探头(6)用来对探测区域的气体分子进行检测，所述开放式气体传感探头(6)为长光程多次反射吸收池。

4.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，所述开放式气体传感探头(6)由一对光纤准直器对穿构成的光路组成。

5.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，所述二次谐波信号峰值所在位置为每种所述待测气体吸收峰的位置，利用一次谐波与二次谐波的同步性以及二次谐波峰值位置，精准确定每种所述待测气体的归一化光谱信号的幅值，使气体检测过程具有高可靠性。

6.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，利用最小二乘法对m种气体的浓度C_m和其对应的所述归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m进行拟合，得到m个所述气体浓度C_m和所述归一化光谱信号幅值2f′_m/f′_m的拟合关系式(1)。

7.根据权利要求1所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，所述调制频率f₁，f₂，....f_m互不相等且相互不成整数倍数。

8.一种多气体传感系统，利用如权利要求1-7任一项所述的多气体传感系统检测方法，其特征在于，包括：信号发生模块(1)、光源模块(2)、数据采集模块(3)、光电探测器(7)；

所述数据采集模块(3)控制信号发生模块(1)发出低频扫描信号和高频调制信号，同时将采集到的经光电探测器(7)转化为电压信号的光信号分别在f_m，2f_m处进行解调；

所述信号发生模块(1)使所述光源模块(2)发出的所述光信号具有频率为f₁，f₂，....f_m的高频调制信号；

所述光电探测器(7)用来探测透射的所述激光的光功率信号，将光信号转换为电压信号。

9.根据权利要求8所述的多气体传感系统，其特征在于，还包括：波分复用器(4)、光纤(5)、开放式气体传感探头(6)、信号显示终端(8)；

所述波分复用器(4)用来将所述载有高频调制信号的光信号合并；

所述光纤(5)用于模拟合并后的所述载有高频调制信号的光信号的远距离传输；

所述开放式气体传感探头(6)用于完成待测气体对激光的吸收；

所述信号显示终端(8)用来在线检测待测气体及其浓度信息。

10.根据权利要求8所述的多气体传感系统，其特征在于，所述光源模块(2)包含m组并联的激光器及其驱动模块。

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