CN112858206A - 一种基于可调谐fpi的中红外气体测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法，包括如下步骤：(1)同步控制光源的调制频率和探测器端的解调设置；其中，光源发射光束，通过控制可调谐FPI的驱动电压改变FPI腔长，实现可调谐的干涉滤光效果；再利用探测器接收滤波后的调制光束，得到光谱扫描；(2)获取探测器的暗光谱，测得光源的灯谱数据和待测气体的光谱数据；(3)使用DOAS技术，得到去除干扰气体影响的实际待测气体浓度。本发明还提供了一种基于可调谐FPI的中红外气体测量装置。本发明的以较低成本和较小的仪器尺寸实现相应的检测功能，也避免了NDIR技术的复杂校准步骤，在保证测量精度的同时，还有效提升了气体浓度测量系统的易用性。
Description
技术领域
本发明涉及宽带光谱检测技术领域，尤其涉及一种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法及装置。
背景技术
随着对环境监测和工厂监控等要求的不断提高，人们对功能强大、坚固耐用，且价格低廉的传感器需求不断增长。
许多行业在其生产过程中都在生产和使用特殊气体，痕量浓度的气体检测和浓度测量系统对于这些工厂的运行至关重要。其中，基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术和量子级联激光器技术的中红外气体浓度测量方法具有较高检测性能，但价格较昂贵。对于工厂监控、环境监测等应用领域而言，有时并不需要如此高的检测性能，并且昂贵的仪器无法实现大范围部署，同时仪器安装操作要求较高，据此，基于滤光片的非分散红外(NDIR)测量技术成为一种低成本替代方法。
用于气体测量的NDIR技术将红外光谱中的波长吸收作为目标，以识别特定气体。NDIR技术适合检测空气污染物，如从排放源排放的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、一氧化二氮(N2O)、氨(NH3)、氯化氢(HCl)、氟化氢(HF)和甲烷(CH4)等。
然而，NDIR技术在测量时会受到较强的其他气体的影响，并且气体在中红外测量时需要考虑非线性吸收问题，这些都需要增加相应的仪器设计和复杂的校准步骤来校正这些影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于可调谐法布里珀罗干涉仪(FPI)的中红外气体测量方法及装置，其在保证检测精度的同时，还能简化气体浓度检测系统的难度。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法，包括如下步骤：
(1)同步控制光源的调制频率和探测器端的解调设置；其中，光源具有黑体辐射特性，发射宽带光束，通过控制可调谐FPI的驱动电压来不断改变FPI的腔长，实现可调谐的干涉滤光效果；再利用探测器接收滤波后的调制光束，得到整个仪器波段范围的光谱扫描；
(2)获取所述探测器的暗光谱，测得所述光源的灯谱数据和待测气体的光谱数据；
(3)使用可调谐FPI的仪器函数与待测气体的标准吸收截面卷积，得到带有仪器特征的待测气体吸收截面；使用DOAS技术将测量的光谱数据和待测气体的吸收截面拟合，同时拟合干扰气体的吸收截面，得到去除干扰气体影响的实际待测气体浓度；反演时，使用对应算法校正气体的非线性吸收效应。
作为本发明的优选方式之一，所述可调谐FPI对入射的红外光束干涉形成干涉谱，并通过驱动电压的改变来改变FPI的腔长，不同腔长对应不同的干涉谱；接着，由所述探测器内的滤光片选择单一干涉级次，得到一个FPI干涉峰；所述FPI干涉峰的全宽半高FWHM为50-80nm，相当于一个带通滤光片，在干涉峰中心波长附近的光可以通过，其余波长的光被滤去，即干涉滤光片。
一种基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，包括：
气体浓度测量模块，所述气体浓度测量模块包括光源和FPI传感器；所述光源发出调制的宽带光束，经过待测气体后被吸收，入射在FPI传感器上，光束干涉后的滤波形成不同中心波长的单一级次干涉峰，过滤掉FWHM外的光，由热释电探测器探测光强，得到吸收光谱；
控制模块，所述控制模块包括控制电路板；所述控制电路板用于控制所述光源的调制频率和所述FPI传感器的解调设置，同时，对测得的数据进行放大后模数转换并传输到气体浓度计算模块，进行数据处理；
气室模块，所述气室模块包括气体吸收池；所述光源发射的光束在所述气体吸收池内传播并经过待测气体，被待测气体吸收后光束聚焦入射到所述FPI传感器上；
气体浓度计算模块，所述气体浓度计算模块基于DOAS技术计算待测气体浓度。
作为本发明的优选方式之一，所述气体浓度测量模块的光源具有黑体辐射的特性，可覆盖2-20μm波段；宽带光束通过气体吸收池时被待测气体在特定波段吸收，该波段光强减弱，FPI传感器工作时通过改变腔长来干涉滤光并记录各个波段的光强，得到测量光谱。
作为本发明的优选方式之一，所述光源通过电线与控制电路板相连；所述FPI传感器与探测器电路板连接，并且，探测器电路板的另一端通过数据线与控制电路板相连；同时，所述控制电路板的另一端通过USB数据线与气体浓度计算模块相连，负责传输测量的数据。
作为本发明的优选方式之一，所述控制模块的控制电路板上还连接有稳压直流源，所述稳压直流源为控制电路板供电。
作为本发明的优选方式之一，所述气室模块还包括气体泵、转子流量计、高效过滤器和凸透镜；所述气体泵将待测气体泵入所述转子流量计，由所述转子流量计控制气体流速，再经过所述高效过滤器过滤待测气体中的气溶胶，并通过所述气体吸收池的进气口通入气体吸收池中；所述凸透镜设置有两个，分别布置在所述气体吸收池的前后两端，所述凸透镜的正焦距和负焦距并不相同，负焦距较小；所述光源光束通过一端的凸透镜准直光束后穿过气体吸收池由另一端凸透镜聚焦到FPI传感器上。
作为本发明的优选方式之一，所述气体吸收池的内直径为15mm，过渡法兰处设置有12mm的通光孔径，作为孔径光阑。
作为本发明的优选方式之一，所述气体吸收池的两端分别固定所述光源、FPI传感器，并且，气体气体吸收池上设有进气口、出气口；所述气体吸收池的进气口处沿待测气体的流入路径依次设置有所述转子流量计、高效过滤器，所述气体吸收池的出气口处设置有所述气体泵。
作为本发明的优选方式之一，所述气体浓度计算模块包括具有DOAS反演计算功能的电脑：所述电脑接收控制电路板的测量数据后，对测量光谱和灯谱扣除暗光谱影响，测量光谱除以灯谱来归一化灯谱影响，再取对数得到光学密度，拟合光学密度到待测气体的吸收截面上得到待测气体浓度；通过将干扰气体的吸收截面和待测气体的吸收截面迭代拟合，去除干扰气体的影响。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明的可调谐法布里珀罗干涉仪传感器的使用，增大了光谱测量范围，这在数据反演时可以降低测量误差，提高测量准确度；相比传统NDIR技术，对干扰气体的校正可能需要两个光源和/或两个探测器，形成参考通道和测量通道，面临不同元件的较复杂的归一化等问题，因此校正步骤较复杂，而本发明可调谐FPI传感器的使用，无需复杂的校正；同时，基于MEMS技术的光源和FPI传感器，减小了仪器的物理尺寸和成本。
此外，本发明还针对可调谐FPI技术气体浓度测量方法提供了相应的实现装置，进一步使所述方法更具有实用性，所述装置具有相应的优点。
附图说明
图1是实施例1中种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法的步骤流程图；
图2是实施例1中可调谐FPI传感器的工作原理图；
图3是实施例1中可调谐FPI传感器在不同驱动电压下对应的不同腔长和不同波段的滤光后的干涉谱图；
图4是实施例2中基于可调谐FPI的中红外气体测量装置的结构图。
图中：1为光源，2为FPI传感器，21为探测器电路板，3为控制电路板，4为稳压直流源，5为气体吸收池，51为进气口，52为出气口，531为第一凸透镜，532为第二凸透镜，6为气体泵，7为转子流量计，8为高效过滤器，9为电脑。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法，包括如下步骤：
(1)同步控制光源的调制频率和探测器端的解调设置；其中，光源具有黑体辐射特性，发射宽带光束，通过控制可调谐FPI的驱动电压来不断改变FPI的腔长，实现可调谐的干涉滤光效果；再利用探测器接收滤波后的调制光束，得到整个仪器波段范围的光谱扫描；
(2)关闭光源，多次测量暗光谱，求平均值；通入氮气，排空气室内空气，多次测量光源的灯谱数据；多次测量待测气体的光谱数据；
(3)使用可调谐FPI的仪器函数与待测气体的标准吸收截面卷积，得到带有仪器特征的待测气体吸收截面；使用DOAS技术将测量的光谱数据和待测气体的吸收截面拟合，同时拟合干扰气体的吸收截面，得到去除干扰气体影响的实际待测气体浓度；反演时，使用相关算法校正气体的非线性吸收效应。
本实施例中，可调谐FPI对入射的红外光束干涉形成干涉谱，并通过驱动电压的改变来改变FPI的腔长，不同腔长对应不同的干涉谱；接着，由探测器内的滤光片选择单一干涉级次，得到一个FPI干涉峰；FPI干涉峰的全宽半高FWHM为50-80nm，相当于一个带通滤光片，在干涉峰中心波长附近的光可以通过，其余波长的光被滤去。
为了方便理解，下面将结合图2和图3进行说明：
图2为可调谐FPI传感器的工作原理图，宽带红外光入射在FPI上，干涉形成不同级次的干涉峰，再经由滤光片选光得到单一级次的干涉峰。波长在干涉峰的FWHM(半高宽)内的光可以通过，其余光束被过滤掉，实际作用是干涉滤光片。
图3为其中一种型号的可调谐FPI传感器在不同驱动电压下对应的不同腔长和不同波段的干涉谱，通过改变驱动电压调谐FPI的腔长，再设置滤光片，得到对应中心波长的单一级次的干涉峰，FWHM为50-80nm。此处，需要说明的是，本实施例可调谐FPI传感器可以是任意波段的，对此不做任何限定，图3的波段只是为了说明可调谐FPI的实际工作原理。
据此，本实施例通过控制光源和FPI传感器，使传感器扫描光源在各个波长范围内的光强，接着，通过测量关闭光源后在黑暗情况下的暗光谱数据，扣除暗光谱来减小传感器随机噪声的影响；通过通入氮气等惰性气体测量灯谱数据，再测量待测气体的测量光谱，用测量光谱除以灯谱，归一化灯谱影响。
关于数据处理部分，本实施例使用DOAS技术作为气体浓度反演方法。但需要注意的是，尽管在本实施例中我们建议使用DOAS技术作为气体浓度反演方法，但并不对此进行限制，其他拟合算法结合光谱学理论知识处理待测气体浓度数据都是可行的。数据处理上，使用DOAS技术基于色散光学，而使用类似积分面积则是基于非色散光学。
实施例2
本实施例的一种基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，与实施例1中描述的气体测量方法可相互对应参照。如图4所示，所述气体测量装置包括气体浓度测量模块、控制模块、气室模块和气体浓度计算模块。
气体浓度测量模块包括光源1和FPI传感器2。光源1具有黑体辐射的特性，可覆盖2-20μm波段；光源1发出调制的宽带光束，并在经过待测气体时被待测气体在特定波段吸收，该波段光强减弱，入射在FPI传感器2上，光束干涉后的滤波形成不同中心波长的单一级次干涉峰，过滤掉FWHM外的光，由热释电探测器(设置在FPI传感器2内，图未示)探测光强，得到吸收光谱。
控制模块包括控制电路板3、稳压直流源4。控制电路板3用于控制光源1的调制频率和FPI传感器2的解调设置，同时，对测得的数据进行放大后模数转换并传输到气体浓度计算模块，进行数据处理；稳压直流源4与控制电路板3相连，为控制电路板3供电。
气室模块包括气体吸收池5、气体泵6、转子流量计7、高效过滤器8和两个具有相同参数的凸透镜。气体泵6将待测气体泵入转子流量计7，由转子流量计7控制气体流速，再经过高效过滤器8过滤待测气体中的气溶胶微粒，并通过气体吸收池5的进气口51通入气体吸收池5中；凸透镜分别布置在气体吸收池5的前后两端，分别负责准直光源1光束、聚焦光束到传感器有源区；使用时，光源1光束通过一端的凸透镜准直光束后穿过气体吸收池5，再由另一端凸透镜聚焦到FPI传感器2上。此过程，光源1光束在气体吸收池5内传播，经过待测气体，特定波段的光被待测气体吸收，从而测量各个波段的光强，得到光谱数据。
气体浓度计算模块包括具有DOAS反演计算功能的电脑9。电脑9接收控制电路板3的测量数据后，对测量光谱和灯谱扣除暗光谱影响，测量光谱除以灯谱来归一化灯谱影响，再取对数得到光学密度，拟合光学密度到待测气体的吸收截面上得到待测气体浓度；通过将干扰气体的吸收截面和待测气体的吸收截面迭代拟合，去除干扰气体的影响。
进一步地，在本实施例中，光源1通过电线与控制电路板3相连；FPI传感器2与探测器电路板21连接，并且，探测器电路板21的另一端通过数据线与控制电路板3相连；同时，控制电路板3的另一端通过USB数据线与电脑9相连，负责传输测量的数据。
进一步地，在本实施例中，稳压直流源4将220V交流电转换成稳定的+12V直流电，为控制电路板3供电；当稳压源无法提供稳定的12V直流电时，FPI传感器2无法正常工作；同时，稳压源需要提供不小于85mA的电流。
进一步地，在本实施例中，气体吸收池5的内直径为15mm，过渡法兰处设置有12mm的通光孔径，作为孔径光阑，保证光束在凸透镜的准直效果，也避免光束在气体吸收池5内壁来回反射，引入干扰。
进一步地，在本实施例中，气体吸收池5的两端分别固定光源1、FPI传感器2，并且，气体吸收池5上设有进气口51、出气口52；其中，气体吸收池5的进气口51处沿待测气体的流入路径依次设置有转子流量计7、高效过滤器8，气体吸收池5的出气口52处设置有气体泵6。
进一步地，在本实施例中，气体吸收池5前后两端的凸透镜分别为第一凸透镜531、第二凸透镜532，凸透镜的正焦距和负焦距(即工作距离)并不相同，负焦距较小。以第一凸透镜531为例，FPI传感器2端口到第一凸透镜531的距离为负焦距，光源1端口光源到第一凸透镜531的距离为正焦距。
进一步地，在本实施例中，气体浓度计算模块中DOAS技术的反演波长范围可以是覆盖整个波段，反演准确度较好；可以是单波长记录，仪器测量时间较短；也可以是选定波段反演。
此外，关于本实施例，还需说明的是，本实施例的气体吸收池5优选为透射式，但同时也可以使用多通道光谱吸收池的反射式设计如怀特池等；透射式设计气室较简单，光路容易调节，而反射式气室光路设计复杂，但有较低的检测限和较好的准确度。
同时，气体浓度计算模块中优选为采用DOAS技术进行气体浓度反演，但同时也可以使用其他方法如对吸收光谱进行积分，使用不同浓度对应不同的积分面积来拟合多项式，进行气体浓度反演。
本发明实施例所述气体浓度测量装置的各模块功能可根据上述实施例1中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述方法实施例的相关描述，此处不再赘述。
由上可知，本发明实施例以较低成本和较小的仪器尺寸实现相应的检测功能，也避免了NDIR技术的复杂校准步骤，在保证测量精度的同时，还有效提升了气体浓度测量系统的易用性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于可调谐FPI的中红外气体测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)同步控制光源的调制频率和探测器端的解调设置；其中，光源具有黑体辐射特性，发射宽带光束，通过控制可调谐FPI的驱动电压来不断改变FPI的腔长，实现可调谐的干涉滤光效果；再利用探测器接收滤波后的调制光束，得到整个仪器波段范围的光谱扫描；
(2)获取所述探测器的暗光谱，测得所述光源的灯谱数据和待测气体的光谱数据；
(3)使用可调谐FPI的仪器函数与待测气体的标准吸收截面卷积，得到带有仪器特征的待测气体吸收截面；使用DOAS技术将测量的光谱数据和待测气体的吸收截面拟合，同时拟合干扰气体的吸收截面，得到去除干扰气体影响的实际待测气体浓度；反演时，使用对应算法校正气体的非线性吸收效应。
2.根据权利要求1所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量方法，其特征在于，所述可调谐FPI对入射的红外光束干涉形成干涉谱，并通过驱动电压的改变来改变FPI的腔长，不同腔长对应不同的干涉谱；接着，由所述探测器内的滤光片选择单一干涉级次，得到一个FPI干涉峰；所述FPI干涉峰的全宽半高FWHM为50-80nm。
3.一种基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，包括：
气体浓度测量模块，所述气体浓度测量模块包括光源和FPI传感器；所述光源发出调制的宽带光束，经过待测气体后被吸收，入射在FPI传感器上，光束干涉后的滤波形成不同中心波长的单一级次干涉峰，过滤掉FWHM外的光，由热释电探测器探测光强，得到吸收光谱；
控制模块，所述控制模块包括控制电路板；所述控制电路板用于控制所述光源的调制频率和所述FPI传感器的解调设置，同时，对测得的数据进行放大后模数转换并传输到气体浓度计算模块，进行数据处理；
气室模块，所述气室模块包括气体吸收池；所述光源发射的光束在所述气体吸收池内传播并经过待测气体，被待测气体吸收后光束聚焦入射到所述FPI传感器上；
气体浓度计算模块，所述气体浓度计算模块基于DOAS技术计算待测气体浓度。
4.根据权利要求3所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述气体浓度测量模块的光源具有黑体辐射的特性，可覆盖2-20μm波段；宽带光束通过气体吸收池时被待测气体在特定波段吸收，该波段光强减弱，FPI传感器工作时通过改变腔长来干涉滤光并记录各个波段的光强，得到测量光谱。
5.根据权利要求3所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述光源通过电线与控制电路板相连；所述FPI传感器与探测器电路板连接，并且，探测器电路板的另一端通过数据线与控制电路板相连；同时，所述控制电路板的另一端通过USB数据线与气体浓度计算模块相连，负责传输测量的数据。
6.根据权利要求3所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述控制模块的控制电路板上还连接有稳压直流源，所述稳压直流源为控制电路板供电。
7.根据权利要求3所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述气室模块还包括气体泵、转子流量计、高效过滤器和凸透镜；所述气体泵将待测气体泵入所述转子流量计，由所述转子流量计控制气体流速，再经过所述高效过滤器过滤待测气体中的气溶胶，并通过所述气体吸收池的进气口通入气体吸收池中；所述凸透镜设置有两个，分别布置在所述气体吸收池的前后两端；所述光源光束通过一端的凸透镜准直光束后穿过气体吸收池由另一端凸透镜聚焦到FPI传感器上。
8.根据权利要求7所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述气体吸收池的内直径为15mm，过渡法兰处设置有12mm的通光孔径，作为孔径光阑。
9.根据权利要求7所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述气体吸收池的两端分别固定所述光源、FPI传感器，并且，气体气体吸收池上设有进气口、出气口；所述气体吸收池的进气口处沿待测气体的流入路径依次设置有所述转子流量计、高效过滤器，所述气体吸收池的出气口处设置有所述气体泵。
10.根据权利要求3所述的基于可调谐FPI的中红外气体测量装置，其特征在于，所述气体浓度计算模块包括具有DOAS反演计算功能的电脑：所述电脑接收控制电路板的测量数据后，对测量光谱和灯谱扣除暗光谱影响，测量光谱除以灯谱来归一化灯谱影响，再取对数得到光学密度，拟合光学密度到待测气体的吸收截面上得到待测气体浓度；通过将干扰气体的吸收截面和待测气体的吸收截面迭代拟合，去除干扰气体的影响。
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