CN114280003A - 一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法，属于光纤气体传感技术领域。包括可调谐半导体激光器、光源控制模块、信号发生模块、信号探测模块、移相器、锁相放大器、气室等。该方法基于波长调制光谱技术，利用对锁相放大器输出一次谐波的X轴分量信号进行积分处理，建立了一次谐波的X轴分量信号积分值与待测气体的分子数密度之间的关系，通过本方法可以直接反演出待测气体的分子数密度，消除了基线拟合误差以及线型函数拟合误差等对气体检测的干扰，提高了检测精度，具有十分重要的应用价值。

Description

一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法，属于光纤气体传感技术领域。

背景技术

种类繁多的气体不仅在工农业生产中扮演着重要角色，而且出于保证工业生产安全高效进行的需要，对气体的定量分析技术已成为现代分析检测技术的一个重要分支。光学检测因其选择性强、灵敏度高、可实现无损、无接触在线实时检测而受到国内外研究人员的广泛关注。光学非接触式的气体检测技术发展十分迅速，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)在近年发展中尤为突出，其中波长调制法是气体传感领域中一种常用的技术手段。

波长调制法主要是通过在激光器的驱动电流上加载高频调制信号，从而实现对激光输出频率的调制。申请号为CN111781153A、申请人为天津工业大学的发明《一种波长调制主动激光外差光谱气体遥测方法》提出了一种使用二次谐波进行气体检测的方法，但是该方法仍无法消除基线拟合误差以及线型函数拟合误差等对气体检测的干扰。

因而，提出一种准确度高、可消除基线拟合误差以及线型函数拟合误差的基于一次谐波积分处理的气体检测方法是十分有必要的，有着十分重要的应用价值。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提出了一种准确度高、可消除基线拟合误差以及线型函数拟合误差的基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法。该方法主要是对一次谐波的X轴分量进行积分处理，进而反演出待测气体的分子数密度。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法，由以下检测系统来实现，该系统包括可调谐半导体激光器、光源控制模块、信号发生模块、移相器、锁相放大器、气室、光电探测模块、数据采集及处理模块，其中信号发生模块与光源控制模块分别连接到可调谐半导体激光器，以驱动可调谐半导体激光器工作，并实现对可调谐半导体激光器进行扫描和调制；信号发生模块的另一输出端连接移相器的输入端；可调谐半导体激光器通过光纤与气室输入端相连，气室的输出端经光纤连接到光电探测模块的输入端，光电探测模块的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的另一输入端连接移相器的输出端，以便获取同源参考信号，并同时补偿参考信号的相位差，保证参考信号与经光电探测模块输出的信号相位一致；锁相放大器的输出端接到数据采集及处理模块的输入端，锁相放大器输出一次谐波的X轴分量信号由数据采集及处理模块对该信号进行后续的处理，该方法的具体步骤如下：

连接好上述检测系统，打开可调谐半导体激光器、光源控制模块，以及各模块电源，向气室中通入待测气体，通过光源控制模块调节可调谐半导体激光器的电流和温度，使其输出频率稳定在中心频率v₀附近；

将信号发生模块产生的低频梯形波和高频正弦波经过叠加后输入到可调谐半导体激光器，其发出的激光的瞬时频率v(t)和光强I₀(t)用公式(1)表示：

其中

代表激光器一次扫描周期的平均光强，i₀为强度调制幅度，a代表频率调制幅度，

代表频率调制与电流调制之间的相位差，ψ为频率调制与强度调制之间的相位差；

可调谐半导体激光器发出的光经过气室吸收后，输出的光信号由光电探测模块转换成电信号，并输入到锁相放大器，经数据采集及处理模块处理后，得到一次谐波的X轴分量；

根据比尔朗伯定律，可调谐半导体激光器发出的光经过充满待测气体的气室后，当吸光度α(v(t))很低时，如α(v(t))≤0.05，可以近似认为exp(-α(v(t)))≈1-α(v(t))，则光的透过率为：

其中，I_t(t)代表t时刻可调谐半导体激光器经过气室后的瞬时光强，T、P分别代表待测气体的温度和压强，S_j(T)代表所选谱线的线强函数，

表示线型函数，L为待测气体的有效光程，X_B表示待测气体的浓度；

信号发生模块经移相器为锁相放大器提供参考信号R_X＝cos(kωt+β).其中β代表参考信号的相位，利用数据采集及处理模块对提取到的一次谐波的X分量信号进行处理，由于α(v(t))在ωt处是周期性的偶函数，可以展开为如下形式：

H_k(k＝0，1，2，3，...)表示谱线的k阶傅里叶系数，H_k可以表示为如下形式：

对α(v₀+acosθ)在v₀处作泰勒级数展开，其中θ＝2πft，f代表高频调制信号的调制频率，将展开的结果代入到H_k后，并对锁相放大器提取到的一次谐波的X轴分量进行频率v积分，由于关于中心频率对称且足够展至两翼，

代表激光器的扫描频率范围，将线型函数归一化后可得：

由上述一次谐波的X轴分量X_1f的积分表达式，反演得到待测气体的分子数密度N：

其中t₁，t₂代表激光器的一次扫描时间，G代表光电增益系数，N_A代表阿伏伽德罗常数，其数值为6.02*10²³mol^-1，R为气体常量，R＝8.314J/(K*mol)；

ξ分别代表调谐系数和偏置，

为激光器一次扫描周期的平均光强，κ代表波长积分与时间积分的转换系数。

本发明方法表达式(6)通过对一次谐波的X轴分量进行积分，实现了对待测气体的分子数密度测量。由于上述表达式仅和待测气体本身的固有参数有关，根据比尔朗伯定律，压强等因素对目标气体的干扰主要体现在线型函数中，通过对一次谐波X轴分量进行积分处理，线型函数被归一化，排除了线型函数的拟合误差。且本方法无需拟合基线，可以消除基线拟合误差的影响，提高了信噪比。

附图说明

图1是本发明进行气体检测所使用的系统示意框图：

其中：1可调谐半导体激光器，2信号发生模块，3激光控制块，4移相器，5气室，6光电探测模块，7锁相放大器，8数据采集及处理系统。

图2是根据本发明对一次谐波的X轴分量进行积分处理，从而反演出乙炔气体的分子数密度。图中方块代表的是利用本方法计算一次谐波X轴分量的积分值时所代表的分子数密度，从图中可以看出两者之间呈正相关，将其进行线性拟合后得到图中黑色曲线。根据图2的结果，拟合度R²＝0.99867，可见一次谐波的X轴分量的积分值与待测气体的分子数密度之间的拟合度极高，说明本发明方法有极高的准确度，可以利用一次谐波X轴分量的积分值来反演出待测气体的分子数密度。

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：

一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法，由以下检测系统来实现，如图1所示，该系统包括可调谐半导体激光器、光源控制模块、信号发生模块、移相器、锁相放大器、气室、光电探测模块、数据采集及处理模块，其中信号发生模块与光源控制模块分别连接到可调谐半导体激光器，以驱动可调谐半导体激光器工作，并实现对可调谐半导体激光器进行扫描和调制；信号发生模块的另一输出端连接移相器的输入端；可调谐半导体激光器通过光纤与气室输入端相连，气室的输出端经光纤连接到光电探测模块的输入端，光电探测模块的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的另一输入端连接移相器的输出端，以便获取同源参考信号，并同时补偿参考信号的相位差，保证参考信号与经光电探测模块输出的信号相位一致；锁相放大器的输出端接到数据采集及处理模块的输入端，锁相放大器输出一次谐波的X轴分量信号由数据采集及处理模块对该信号进行后续的处理，该方法的具体步骤如下：

连接好上述检测系统，打开可调谐半导体激光器、光源控制模块，以及各模块电源，向气室中通入待测气体，通过光源控制模块调节可调谐半导体激光器的电流和温度，使其输出频率稳定在中心频率v₀附近；

将信号发生模块产生的低频梯形波和高频正弦波经过叠加后输入到可调谐半导体激光器，其发出的激光的瞬时频率v(t)和光强I₀(t)用公式(1)表示：

其中

代表激光器一次扫描周期的平均光强，i₀为强度调制幅度，a代表频率调制幅度，

代表频率调制与电流调制之间的相位差，ψ为频率调制与强度调制之间的相位差；

可调谐半导体激光器发出的光经过气室吸收后，输出的光信号由光电探测模块转换成电信号，并输入到锁相放大器，经数据采集及处理模块处理后，得到一次谐波的X轴分量；

根据比尔朗伯定律，可调谐半导体激光器发出的光经过充满待测气体的气室后，当吸光度α(v(t))很低时，如α(v(t))≤0.05，可以近似认为exp(-α(v(t)))≈1-α(v(t))，则光的透过率为：

其中，I_t(t)代表t时刻可调谐半导体激光器经过气室后的瞬时光强，T、P分别代表待测气体的温度和压强，S_j(T)代表所选谱线的线强函数，

表示线型函数，L为待测气体的有效光程，X_B表示待测气体的浓度；

信号发生模块经移相器为锁相放大器提供参考信号R_X＝cos(kωt+β)，其中β代表参考信号的相位，利用数据采集及处理模块对提取到的一次谐波的X分量信号进行处理，由于α(v(t))在ωt处是周期性的偶函数，可以展开为如下形式：

H_k(k＝0，1，2，3，...)表示谱线的k阶傅里叶系数，H_k可以表示为如下形式：

对α(v₀+acosθ)在v₀处作泰勒级数展开，其中θ＝2πft，f代表高频调制信号的调制频率，将展开的结果代入到H_k后，并对锁相放大器提取到的一次谐波的X轴分量进行频率v积分，由于关于中心频率对称且足够展至两翼，

代表激光器的扫描频率范围，将线型函数归一化后可得：

由上述一次谐波的X轴分量X_1f的积分表达式，反演得到待测气体的分子数密度N：

其中t₁，t₂代表激光器的一次扫描时间，G代表光电增益系数，N_A代表阿伏伽德罗常数，其数值为6.02*10²³mol^-1，R为气体常量，R＝8.314J/(K*mol)；

ξ分别代表调谐系数和偏置，

为激光器一次扫描周期的平均光强，κ代表波长积分与时间积分的转换系数。

所述的可调谐半导体激光器为分布式反馈半导体激光器(DFB)，型号为1532-I-S-1-SM，其中心波长为1532.83nm，对应乙炔的气体吸收峰；待测气体为乙炔气体。

所述的光源控制模块为激光二极管控制器，其型号为LDC501。

所述的锁相放大器为数字锁相放大器，其型号为HF2LI。

所述的气室为Herriott池，温度为296K，压强为1atm，有效吸收光程为300cm，信号发生器发出的2Hz的梯形波和4kHz的正弦波叠加到激光二极管控制器上，信号发生模块输入到锁相放大器的参考信号是4kHz的正弦信号。

Claims (1)

1.一种基于一次谐波积分处理的气体分子数密度检测方法，由以下检测系统来实现，该系统包括可调谐半导体激光器、光源控制模块、信号发生模块、移相器、锁相放大器、气室、光电探测模块、数据采集及处理模块，其中信号发生模块与光源控制模块分别连接到可调谐半导体激光器，以驱动可调谐半导体激光器工作，并实现对可调谐半导体激光器进行扫描和调制；信号发生模块的另一输出端连接移相器的输入端；可调谐半导体激光器通过光纤与气室输入端相连，气室的输出端经光纤连接到光电探测模块的输入端，光电探测模块的输出端连接到锁相放大器的输入端，锁相放大器的另一输入端连接移相器的输出端，以便获取同源参考信号，并同时补偿参考信号的相位差，保证参考信号与经光电探测模块输出的信号相位一致；锁相放大器的输出端接到数据采集及处理模块的输入端，锁相放大器输出一次谐波的X轴分量信号由数据采集及处理模块对该信号进行后续的处理，该方法的具体步骤如下：

连接好上述检测系统，打开可调谐半导体激光器、光源控制模块，以及各模块电源，向气室中通入待测气体,通过光源控制模块调节可调谐半导体激光器的电流和温度，使其输出频率稳定在中心频率ν₀附近；

将信号发生模块产生的低频梯形波和高频正弦波经过叠加后输入到可调谐半导体激光器,其发出的激光的瞬时频率ν(t)和光强I₀(t)用公式(1)表示：

其中

代表激光器一次扫描周期的平均光强，i₀为强度调制幅度，a代表频率调制幅度，

代表频率调制与电流调制之间的相位差，ψ为频率调制与强度调制之间的相位差；

可调谐半导体激光器发出的光经过气室吸收后，输出的光信号由光电探测模块转换成电信号，并输入到锁相放大器，经数据采集及处理模块处理后，得到一次谐波的X轴分量；

根据比尔朗伯定律，可调谐半导体激光器发出的光经过充满待测气体的气室后，当吸光度α(ν(t))很低时，可以近似认为exp(-α(ν(t)))≈1-α(ν(t))，则光的透过率为：

其中，I_t(t)代表t时刻可调谐半导体激光器经过气室后的瞬时光强，T、P分别代表待测气体的温度和压强，S_j(T)代表所选谱线的线强函数，

表示线型函数，L为待测气体的有效光程，X_B表示待测气体的浓度；

信号发生模块经移相器为锁相放大器提供参考信号R_X＝cos(kωt+β)，其中β代表参考信号的相位，利用数据采集及处理模块对提取到的一次谐波的X分量信号进行处理,由于α(ν(t))在ωt处是周期性的偶函数，可以展开为如下形式：

H_k(k＝0,1,2,3,...)表示谱线的k阶傅里叶系数，H_k可以表示为如下形式：

对α(ν₀+acosθ)在ν₀处作泰勒级数展开，其中θ＝2πft，f代表高频调制信号的调制频率，将展开的结果代入到H_k后，并对锁相放大器提取到的一次谐波的X轴分量进行频率ν积分，由于关于中心频率对称且足够展至两翼，

代表激光器的扫描频率范围，将线型函数归一化后可得：

由上述一次谐波的X轴分量X_1f的积分表达式，反演得到待测气体的分子数密度N：

其中t₁，t₂代表激光器的一次扫描时间，G代表光电增益系数，N_A代表阿伏伽德罗常数，其数值为6.02*10²³mol^-1，R为气体常量，R＝8.314J/(K*mol)；

ξ分别代表调谐系数和偏置，

为激光器一次扫描周期的平均光强，κ代表波长积分与时间积分的转换系数。

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