CN113281299A - 一种利用高次谐波的气体检测方法 - Google Patents

一种利用高次谐波的气体检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于气体检测技术领域，尤其是涉及一种利用高次谐波的气体检测方法，包括以下步骤：S1，主控单元控制光源驱动单元，使得光源单元发射出调制光；S2，分光单元将所述调制光分为两束，其中一束指向目标反射物，被第一光接收单元接收，另一束分至参考光路，被第二光接收单元接收；S3，第一光接收单元和第二光接收单元的信号分别由第一相位检测单元和第二相位检测单元进行检测；S4,通过主控单元对相位φ1与相位φref进行信号比较处理，解析气体浓度信息。本发明通过检测接收信号的谐波分量，将高次谐波分量的相位与包含目标气体的参考光路进行比较，排除了光路干涉造成的气体浓度误报，防止光路噪声被误识别为谐波分量，影响气体浓度检测的问题出现。

Description

一种利用高次谐波的气体检测方法
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，尤其是涉及一种利用高次谐波的气体检测方法。
背景技术
一种众所周知的检测气体的方法是借助于可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)，激光二极管的输出波长取决于所施加的驱动电流，因此通过有选择地改变驱动电流，可以使输出波长在要检测或测量的目标气体的光吸收线上进行扫描，如果此类激光二极管的输出通过气体样本传输并聚焦到合适的光学检测器上，则检测器接收到的信号对应于激光输出波形与被照亮的气体样本透射光谱的乘积，然后，可以通过测量当激光“照射”时的接收强度的变化来确定通过样品的传输路径中目标气体的量，激光器波长对应于目标气体的光吸收线的波长，可以使用比尔定律确定给定数量的气体产生的吸收量。
波长调制光谱利用激光调制信号进行谐波检测，将探测频率转移到更高频率处从而大大减少了直接吸收所包含的噪声，在痕量气体检测中应用广泛，波长调制方法是在激光器扫描信号上叠加一个高频调制信号，同直接吸收一样，低频信号确保激光器输出波长在气体吸收峰附近来回扫描，高频调制则与谐波检测相结合，谐波检测通常提取二次谐波，其所包含的零基线信号免去了精确测定基线的需要。
但是在气体遥测系统的光路中容易产生干涉噪声，干涉噪声与待测信号混在一起无法区别，在常规的气体检测装置中，由于干涉条纹引起的光路噪声可以被叠加在光源单元和光接收单元之间的光路上的调制光上，在传统的气体检测装置中，光路噪声可能被误识别为谐波分量，影响气体浓度检测。
现有的气体检测装置在对待测气体中存在以下问题：待测气体采集完成后需要手动对采集瓶进行封口，这过程中，可能会对实验数据造成一定的影响；而且，普通的气体采集装置在不使用时，出气口暴露在外空气中，空气中的污染物易进入出气口中，从而对下次的气体采集造成影响。
为此，我们提出一种利用高次谐波的气体检测方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述光路噪声可能被误识别为谐波分量，影响气体浓度检测的问题，提供一种能够准确地区分由被检测气体中的吸收引起的谐波成分和光路噪声的利用高次谐波的气体检测方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种利用高次谐波的气体检测方法，包括以下步骤：
S1，主控单元控制光源驱动单元，使得光源单元发射出调制光；
S2，分光单元将所述调制光分为两束，其中一束指向目标反射物，经过待测气团，到达目标反射面后反射，被第一光接收单元接收，另一束分至参考光路，通过密封有已知浓度目标气体的参考气池，被第二光接收单元接收；
S3，第一光接收单元和第二光接收单元的信号分别由第一相位检测单元和第二相位检测单元进行检测，获得信号的谐波分量的相位φ1和参考信号的谐波分量相位φref；
S4,通过主控单元对相位φ1与相位φref进行信号比较处理，解析出气体浓度信息。
利用高次谐波的气体检测方法的双光路气体检测装置，包括光源单元、光源驱动单元、第一光接收单元、第一相位检测单元、分光单元、参考气池、待测气池、第二光接收单元、第二相位检测单元、主控单元和显示单元，其中：
光源驱动单元，与主控单元连接，用于驱动光源单元产生调制光；
第一光接收单元和第二光接收单元，用于接收光源单元发出的调制光；
参考气池，位于光源单元和第二光接收单元之间，用于密封装盛目标气体；
主控单元，用于接收光接收单元与相位检测单元的检测结果，通过比较处理，解析出气体浓度信息；
显示单元，与主控单元连接，用于显示主控单元的计算分析结果。
所述第一光接收单元和第二光接收单元均包括光学接收系统和光电探测器。
所述光源单元为分布反馈式半导体激光器。
所述第一相位检测单元和第二相位检测单元均为硬件检测或包含于主控单元的软件检测。
所述待测气池包括框体和安装于框体内的两根集气筒，两根所述集气筒内均密封滑动有活塞，所述活塞内嵌设有永磁块，所述框体内设有驱动机构，两根所述集气筒的上下两端均贯穿固定连接有密封壳体，所述密封壳体通过导气管与集气筒连通，所述密封壳体内设有密封防护机构，所述框体内嵌设有螺旋线圈，所述螺旋线圈的绕置方向与集气筒的轴线方向垂直。
所述驱动机构包括固定安装于框体上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴延伸至框体内并同轴固定有螺杆，所述框体的内壁上滑动连接有调节板，所述调节板内贯穿固定有套筒，所述螺杆与套筒螺纹配合，所述调节板由磁性材料制成并与永磁块异性相吸。
所述密封防护机构包括设置于密封壳体内的固定板和活动板，所述固定板与密封壳体靠近集气筒一侧的内侧壁固定连接，所述固定板内设有与导气管连通的第一通孔，所述活动板与密封壳体的内侧壁密封滑动连接，所述活动板内设有与第一通孔交错的第二通孔，所述活动板通过电磁弹簧与密封壳体远离固定板一侧的内侧壁固定连接，所述电磁弹簧与螺旋线圈电性连接。
与现有的技术相比，本利用高次谐波的气体检测方法的优点在于：
1、本发明通过检测接收信号的谐波分量，将高次谐波分量的相位与包含目标气体的参考光路进行比较，排除了光路干涉造成的气体浓度误报，防止光路噪声被误识别为谐波分量，影响气体浓度检测的问题出现。
2、本发明通过设置集气筒和驱动机构，可便于集气筒反复抽吸和排出待测气体，操作方便快速，有利于提高多次取样时的工作效率。
3、本发明通过设置密封防护机构，在需要进行抽吸和排放待测气体时，调节板在框体内滑动，螺旋线圈产生感应电流为电磁弹簧供电，电磁弹簧收缩，带动活动板远离固定板，继而使抽吸和排放待测气体正常进行，在抽吸和排放完成后，调节板停止移动，螺旋线圈内感应电流消失，电磁弹簧在弹力作用下恢复原长，推动活动板与固定板相抵接触，继而快速将导气管密封，防止污染物进入，使集气筒内的待测气体受到污染，有效避免对检测数据造成影响。
附图说明
图1是本发明提供的一种利用高次谐波的气体检测方法的步骤示意图；
图2是本发明提供的一种利用高次谐波的气体检测装置的结构示意图；
图3是本发明提供的一种利用高次谐波的气体检测方法的流程示意图；
图4是本发明提供的一种利用高次谐波的气体检测装置中待测气池的结构示意图；
图5是图4中A处放大图。
具体实施方式
以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种利用高次谐波的气体检测方法，包括以下步骤：
S1，主控单元控制光源驱动单元，使得光源单元发射出调制光；
S2，分光单元将所述调制光分为两束，其中一束指向目标反射物，经过待测气团，到达目标反射面后反射，被第一光接收单元接收，另一束分至参考光路，通过密封有已知浓度目标气体的参考气池，被第二光接收单元接收；
S3，第一光接收单元和第二光接收单元的信号分别由第一相位检测单元和第二相位检测单元进行检测，获得信号的谐波分量的相位φ1和参考信号的谐波分量相位φref；
S4,通过主控单元对相位φ1与相位φref进行信号比较处理，解析出气体浓度信息。
如图2-3所示，利用高次谐波的气体检测方法的双光路气体检测装置包括光源单元、光源驱动单元、第一光接收单元、第一相位检测单元、分光单元、参考气池、第二光接收单元、第二相位检测单元、主控单元和显示单元，其中：
光源驱动单元，与主控单元连接，用于驱动光源单元产生调制光；
第一光接收单元和第二光接收单元，用于接收光源单元发出的调制光，第一光接收单元和第二光接收单元均包括光学接收系统和光电探测器，第一相位检测单元和第二相位检测单元均为硬件检测或包含于主控单元的软件检测；
参考气池，位于光源单元和第二光接收单元之间，用于密封装盛目标气体；
主控单元，用于接收光接收单元与相位检测单元的检测结果，通过比较处理，解析出气体浓度信息；
显示单元，与主控单元连接，用于显示主控单元的计算分析结果；
光源单元为分布反馈式半导体激光器。
本实施例的工作原理如下：主控单元8控制光源驱动单元2，使得光源单元1发射出调制光，光通过分光单元10分为两束，一束指向目标反射物，经过待测气团，到达目标反射面后反射，被第一光接收单元3接收，另一束分至参考光路，通过密封有已知浓度目标气体的参考气池5，被第二光接收单元6接收。光接收单元3和6的信号分别由相位检测单元4和7进行检测，获得信号的谐波分量的相位φ1和参考信号的谐波分量相位φref，比较相位φ1与相位φref，若差值较大，则信号被认为不是含有气体浓度信息的信号，若φ1＝φref或φ1≈φref，则信号被认为是含有气体浓度信息的信号，信号进一步由主控单元8进行信号处理，解析出气体浓度信息。
气体检测方法流程如图2所示，由光源驱动单元2驱动的调制光分别经过检测光路与参考光路，进入到第一相位检测单元4和第二相位检测单元7，根据条件判断φ1与φref的差别，进入后续流程，显示计算结果。
谐波分量可选多个，如接收信号的一次谐波、二次谐波、三次谐波等，实现谐波分量幅值与相位提取的方法优选的为傅里叶变换。
气体浓度计算方法采用众所周知的波长调制二次谐波法。
本实施例通过检测接收信号的谐波分量，将高次谐波分量的相位与包含目标气体的参考光路进行比较，排除了光路干涉造成的气体浓度误报，防止光路噪声被误识别为谐波分量，影响气体浓度检测的问题出现。
实施例2
如图4-5所示，一种利用高次谐波的气体检测装置，其中，待测气池包括框体11和安装于框体11内的两根集气筒12，两根集气筒12内均密封滑动有活塞13，活塞13内嵌设有永磁块14，框体11内设有驱动机构15，两根集气筒12的上下两端均贯穿固定连接有密封壳体16，密封壳体16的顶面侧壁由橡胶材料制成，便于采集待测气体的针管插入并注入待测气体，密封壳体16通过导气管17与集气筒12连通，密封壳体16内设有密封防护机构18，框体11内嵌设有螺旋线圈19，螺旋线圈19的绕置方向与集气筒12的轴线方向垂直。
进一步的，驱动机构15包括固定安装于框体11上的驱动电机20，驱动电机20的输出轴延伸至框体11内并同轴固定有螺杆21，框体11的内壁上滑动连接有调节板22，调节板22内贯穿固定有套筒23，螺杆21与套筒23螺纹配合，调节板22由磁性材料制成并与永磁块14异性相吸。
进一步的，密封防护机构18包括设置于密封壳体16内的固定板24和活动板25，固定板24与密封壳体16靠近集气筒12一侧的内侧壁固定连接，固定板24内设有与导气管17连通的第一通孔26，活动板25与密封壳体16的内侧壁密封滑动连接，活动板25内设有与第一通孔26交错的第二通孔27，活动板25通过电磁弹簧28与密封壳体16远离固定板24一侧的内侧壁固定连接，电磁弹簧28与螺旋线圈19电性连接，电磁弹簧28在自然状态时，活动板25和固定板24相抵接触，将导气管17密封。
本实施例的工作原理如下：集气筒12在进行集气时，驱动电机20正向转动带动螺杆21转动，继而带动调节板22移动，在磁吸力作用下，带动永磁块14和活塞13由集气筒12的一端移动至另一端，即实现将原先存于集气筒12内的气体排出，同时将新待测气体抽吸至集气筒12内，再次进行集气时，通过驱动电机20反向转动，即可带动活塞13由集气筒12的另一端，便于集气筒12反复抽吸和排出待测气体，操作方便快速，有利于提高多次取样时的工作效率。
在需要进行抽吸和排放待测气体时，调节板22在框体11内滑动，螺旋线圈19产生感应电流为电磁弹簧28供电，电磁弹簧28收缩，带动活动板25远离固定板24，此时第一通孔26、第二通孔27和导气管17连通，继而可将采集待测气体的针管插入密封壳体16内注入待测气体；在抽吸和排放完成后，调节板22停止移动，螺旋线圈19内感应电流消失，电磁弹簧28在弹力作用下恢复原长，推动活动板25与固定板24相抵接触，继而快速将导气管17密封，防止污染物进入，使集气筒内的待测气体受到污染，有效避免对检测数据造成影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用高次谐波的气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，主控单元控制光源驱动单元，使得光源单元发射出调制光；
S2，分光单元将所述调制光分为两束，其中一束指向目标反射物，经过待测气团，到达目标反射面后反射，被第一光接收单元接收，另一束分至参考光路，通过密封有已知浓度目标气体的参考气池，被第二光接收单元接收；
S3，第一光接收单元和第二光接收单元的信号分别由第一相位检测单元和第二相位检测单元进行检测，获得信号的谐波分量的相位φ1和参考信号的谐波分量相位φref；
S4,通过主控单元对相位φ1与相位φref进行信号比较处理，解析出气体浓度信息。
2.根据权利要求1所述的利用高次谐波的气体检测方法的双光路气体检测装置，其特征在于，包括光源单元、光源驱动单元、第一光接收单元、第一相位检测单元、分光单元、参考气池、待测气池、第二光接收单元、第二相位检测单元、主控单元和显示单元，其中：
光源驱动单元，与主控单元连接，用于驱动光源单元产生调制光；
第一光接收单元和第二光接收单元，用于接收光源单元发出的调制光；
参考气池，位于光源单元和第二光接收单元之间，用于密封装盛目标气体；
主控单元，用于接收光接收单元与相位检测单元的检测结果，通过比较处理，解析出气体浓度信息；
显示单元，与主控单元连接，用于显示主控单元的计算分析结果。
3.根据权利要求2所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述第一光接收单元和第二光接收单元均包括光学接收系统和光电探测器。
4.根据权利要求2所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述光源单元为分布反馈式半导体激光器。
5.根据权利要求2所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述第一相位检测单元和第二相位检测单元均为硬件检测或包含于主控单元的软件检测。
6.根据权利要求2所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述待测气池包括框体和安装于框体内的两根集气筒，两根所述集气筒内均密封滑动有活塞，所述活塞内嵌设有永磁块，所述框体内设有驱动机构，两根所述集气筒的上下两端均贯穿固定连接有密封壳体，所述密封壳体通过导气管与集气筒连通，所述密封壳体内设有密封防护机构，所述框体内嵌设有螺旋线圈，所述螺旋线圈的绕置方向与集气筒的轴线方向垂直。
7.根据权利要求6所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述驱动机构包括固定安装于框体上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴延伸至框体内并同轴固定有螺杆，所述框体的内壁上滑动连接有调节板，所述调节板内贯穿固定有套筒，所述螺杆与套筒螺纹配合，所述调节板由磁性材料制成并与永磁块异性相吸。
8.根据权利要求6所述的双光路气体检测装置，其特征在于，所述密封防护机构包括设置于密封壳体内的固定板和活动板，所述固定板与密封壳体靠近集气筒一侧的内侧壁固定连接，所述固定板内设有与导气管连通的第一通孔，所述活动板与密封壳体的内侧壁密封滑动连接，所述活动板内设有与第一通孔交错的第二通孔，所述活动板通过电磁弹簧与密封壳体远离固定板一侧的内侧壁固定连接，所述电磁弹簧与螺旋线圈电性连接。
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