CN114609082A - 一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统 - Google Patents

一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统，包括：对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及相应的吸收峰光谱强度；根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度。在VCSEL激光器的波长扫描周期中，通过若干个吸收峰光谱同时测量乙炔气体的浓度，提高测量精度和准确性。

Description

一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统。
背景技术
气体吸收光谱理论是现代新兴的气体探测技术的基础，可以运用于气体分子的运动状态分析气体种类和测量气体浓度。TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)气体检测理论主要是基于气体吸收光谱理论，通过气体的吸收光谱强度的变化测量被测气体的浓度。同时，利用可调谐半导体激光器的波长调制技术，结合在接收端使用的锁相放大二次谐波提取技术，可以进一步实现高精度检测气体浓度。
但是，利用锁相放大二次谐波提取技术涉及较复杂的电子信号处理过程，需要一定地响应时间。同时，基于TDLAS气体检测理论的气体传感器其特征气体吸收峰具有单一特性，如果只利用单一吸收峰来测量气体浓度，其测量精度完全取决于对该单一吸收峰中心位置的确定和对吸收峰强度测量的精度。
随着激光器技术的不断发展，激光气体传感器，如DFB激光器或VCSEL激光器得到了较大的发展，尤其在煤矿等高危特殊行业对气体传感器的精度要求越来越严格，例如在煤矿采空区发火特征气体检测等领域，可以检测微量浓度的高精度气体传感器对准确判断是否发火和发火预警有重要的意义。因此，如何提高激光气体传感器的可靠性和精度对满足激光气体传感器市场的需求越来越重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法及系统。通过利用参考气体的吸收峰确定待测气体的吸收峰光谱中心点位置，再对各个吸收峰中心位置所对应的吸收光谱强度测量；同时利用实际浓度和吸收光谱强度的转换系数序列，反演不同吸收峰光谱下的气体浓度测量值，在VCSEL激光器的波长扫描周期中，通过若干个吸收峰光谱同时测量乙炔气体的浓度，然后通过平均得到高精度的浓度测量值，极大地提高测量精度和准确性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，包括：
对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建一组气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及测量相应的吸收峰光谱强度；
根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列和测量的相应吸收峰光谱强度，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度值，通过对测量浓度值求平均得到待测乙炔气体的实际浓度。
作为可选择的实施方式，采用VCSEL激光器对参考乙炔气体进行扫描，通过4mA-16mA的锯齿波电流驱动VCSEL激光器输出光信号，以便在波长扫描范围内对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测。
作为可选择的实施方式，所述波长扫描范围为1526.5-1531nm的范围。
作为可选择的实施方式，通过设置充满乙炔气体的参考气室，在VCSEL波长扫描过程中，跟踪测量参考气室中多个乙炔吸收峰光谱的中心点位置。
作为可选择的实施方式，构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列的过程为：通过吸收峰浓度和吸收峰光谱强度的二次拟合，得到该吸收峰光谱强度和气体浓度的转换系数；将多个吸收峰光谱下的转换系数，构成一组转换系数序列。
作为可选择的实施方式，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度的过程为对不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度求平均得到实际浓度。
第二方面，本发明提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，包括：
电流驱动模块，用于产生驱动电流以驱动VCSEL激光器发射光信号；
控制模块，用于控制电流驱动模块的驱动，以在VCSEL激光器的波长扫描范围内对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，根据检测结果，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
所述控制模块，根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及相应的吸收峰光谱强度；根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度。
作为可选择的实施方式，所述乙炔气体浓度检测系统还包括分路器；所述分路器的各个支路均连接光电探测器；所述控制模块控制电流驱动模块产生锯齿波电流，以驱动VCSEL激光器输出光信号，所述光信号传输至分路器的各个支路，经光电探测器后，将探测到的信号传输至控制模块。
作为可选择的实施方式，所述分路器包括三个支路，其中，第一支路连接第一光电探测器，第二支路通过参考气室连接第二光电探测器，第三支路通过检测气室连接第三光电探测器。
作为可选择的实施方式，所述乙炔气体浓度检测系统还包括采集模块，所述采集模块用于获取不同的驱动电流对应不同的波长下，VCSEL激光器发出的光信号强度、参考气室光信号强度和检测气室光信号强度，并发送控制模块，以使控制模块根据检测结果进行浓度检测。
作为可选择的实施方式，所述电流驱动模块产生4mA-16mA的锯齿波驱动电流，以驱动VCSEL激光器发射光信号，在波长扫描范围中，实现1526.5-1531nm范围的波长调制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，具体涉及一种协调垂直腔面发射激光器的波长来对乙炔气体进行精确检测的方法和系统。利用VCSEL激光器的波长可调谐性和扫描波长宽的特性，对其波长扫描范围内的多个乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，每个吸收峰光谱都可以通过标定建立实际浓度和吸收峰光谱强度的转换系数；相当于在VCSEL激光器的波长扫描周期中，有若干个吸收峰光谱可以同时用来测量乙炔气体的浓度，这样可以通过平均多个浓度测量值来确定乙炔实际浓度，极大地提高测量精度。
本发明提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，通过参考乙炔气体，可以实时跟踪确定乙炔吸收峰光谱的中心点位置，并根据参考乙炔气体的吸收峰光谱中心点位置信息，确定待测乙炔气体的吸收峰光谱中心点位置，同时测量该位置所对应的吸收光谱强度；同时利用实际浓度和吸收光谱强度的转换系数序列，反演出不同吸收峰光谱下的浓度测量值，然后将多个测量值进行平均得出实际浓度值。由于同时利用多个吸收峰光谱测量乙炔气体的浓度，利用多个吸收峰光谱测量浓度的平均值可以极大地提高测量精度和准确性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的乙炔气体在1527nm～1531nm吸收谱线；
图2为本发明实施例1提供的乙炔气体在不同浓度下的吸收线光谱；
图3为本发明实施例1提供的乙炔气体其中一个吸收线的定标模型；
图4为本发明实施例2提供的基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统图；
图5(a)-5(d)为本发明实施例2提供的激光器驱动电流信号、光源输出信号、经参考气室后测量的光信号和归一化后的信号。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，包括：
对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及相应的吸收峰光谱强度；
根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度。
在本实施例中，采用调谐VCSEL激光器波长对气体吸收峰光谱进行扫描，利用VCSEL激光器的波长可调谐性和扫描波长范围宽的特性，对波长扫描范围内参考气室的乙炔气体的多个吸收峰光谱进行扫描检测，以确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并通过标定构建一组气体实际浓度和不同吸收峰光谱强度的转换系数序列。
在本实施例中，采用VCSEL激光器作为波长可调谐光源，其波长和电流的比值系数为0.4nm/mA，阈值电流小于3mA，通过注入4mA-16mA的锯齿波电流驱动VCSEL激光器，在一个波长扫描周期中，实现1526.5-1531nm范围的波长调制。
在本实施例中，如图1所示，乙炔气体的特征吸收线的吸收峰光谱在1526.5-1531nm内有8个吸收峰光谱，具体为：1526.874nm、1527.441nm、1528.014nm、1528.594nm、1529.180nm、1529.772nm、1530.371nm和1530.976nm；
其中，每个吸收峰光谱都可以采用TDLAS技术标定实际浓度和吸收峰光谱强度的转换系数，多个吸收峰光谱的转换系数构成转换系数序列，如图2所示；如图3即为乙炔气体其中一个吸收线的定标模型。
在本实施例中，构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列的过程为：通过吸收峰浓度和吸收峰光谱强度的二次拟合，得到该吸收峰光谱强度和气体浓度的转换系数；其余8个吸收峰光谱以同样的方法确定吸收峰光谱强度和气体浓度的转换系数，构成一组转换系数序列。
在本实施例中，利用参考乙炔气体，实时检测每个吸收峰光谱的中心点位置，以此确定待测乙炔气体中对应的吸收峰光谱的中心点位置，并测量对应的吸收峰光谱强度；
通过标定确定乙炔气体浓度和各个吸收峰光谱强度的转换系数序列后，在测量乙炔气体浓度时，在同一个波长扫描周期中同时测量8个乙炔吸收峰光谱强度，利用转换系数序列，分别反演出8个吸收峰光谱对应的8个乙炔气体浓度测量值，对8个乙炔气体浓度测量值求平均得到高精度的实际浓度值。由于同时利用多个吸收峰光谱测量乙炔气体浓度，可以极大地提高测量精度和准确性。
实施例2
如图4所示，本实施例提供一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，包括：微控制器、电流驱动模块、温度控制模块、VCSEL激光器、分路器、参考气室、检测气室、光电探测器以及采集电路；
具体地，所述微控制器与电流驱动模块和温度控制模块连接，电流驱动模块和温度控制模块分别与VCSEL激光器连接，VCSEL激光器与分路器连接，分路器的各个支路分别连接光电探测器，光电探测器与采集电路连接；
具体地，所述微控制器通过调制电流驱动模块产生锯齿波电流，以驱动VCSEL激光器，VCSEL激光器的输出光传输至分路器，分路器的各个支路经光电探测器后，将探测到的信号经采集电路处理后，再传输回微控制器；
所述分路器分为三路，其中，第一支路连接光电探测器1，第二支路通过参考气室连接光电探测器2，第三支路通过检测气室连接光电探测器3；
所述采集电路用于获取不同的驱动电流对应不同的波长下，VCSEL激光器发出的光信号强度、参考气室光信号强度和检测气室光信号强度；包括放大电路和ADC转换电路，三个光电探测器分别连接一个放大电路，将采集到的信号分别经过放大电路放大，并通过ADC转换后，传输至微控制器，以使其根据检测结果进行浓度检测。
在本实施例中，浓度检测的过程包括，由微控制器控制电流驱动模块的驱动，以在VCSEL激光器的波长扫描范围内对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，根据检测结果，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建一组气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
由微控制器根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及对相应的吸收峰光谱强度进行测量；根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列，得到一组待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度值，通过平均这组测量浓度值得到待测乙炔气体的实际浓度。
在本实施例中，采用VCSEL激光器作为波长可调谐光源，其波长和电流的比值系数为0.4nm/mA，阈值电流小于3mA，通过注入4mA-16mA的锯齿波电流驱动VCSEL激光器，在一个波长扫描周期中，实现1526.5-1531nm范围的波长调制。
在本实施例中，利用参考气室，在VCSEL波长扫描过程中，实时检测参考气室每个吸收峰光谱的中心点位置，以此确定待测乙炔气体中对应的吸收峰光谱的中心点位置，并测量对应的吸收峰光谱强度；
通过标定确定乙炔气体浓度和各个吸收峰光谱强度的转换系数序列后，在测量乙炔气体浓度时，在同一个波长扫描周期中同时测量8个乙炔吸收峰光谱强度，利用转换系数序列，分别反演出8个吸收峰光谱对应的8个乙炔气体浓度测量值，对8个乙炔气体浓度测量值求平均得到高精度的实际浓度值。由于同时利用多个吸收峰光谱测量乙炔气体浓度，可以极大地提高测量精度和准确性。
在本实施例中，如图5(a)-5(d)所示为不同阶段测量的实际信号；图5(a)是驱动VCSEL激光器的电流信号；图5(b)是第一支路连接光电探测器1，且在放大电路1输出端测量的光源输出信号；图5(c)是第二支路通过参考气室连接光电探测器2，且在放大电路2的输出端测量的光谱信号；图5(d)是第三支路通过检测气室连接光电探测器3，且在放大电路3的输出端测量光谱信号。
在本实施例中，上述基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统的工作方法包括：
(1)由微控制器调制驱动电流模块产生锯齿波电流，如图5(a)所示；调制电流，启动采集电路采集光源信号光强、参考气室信号光强和检测气室信号光强；其中，光源信号如图5(b)所示，参考气室信号如图5(c)所示；采集数据缓存到数组P光源[]、P参考气室[]、P检测气室[]。
(2)微控制器调制VCSEL驱动电流模块产生锯齿波电流，如图5(a)所示；驱动电流4mA对应于波长1526.5nm，驱动电流16mA对应于波长1531nm，其中，数组下标等同于电流点数，即0代表4mA，1代表4mA+0.02mA，依次类推。
(3)P光源[0]代表电流4mA时对应的光源光强，如图5(b)所示；P参考气室[0]代表电流4mA时对应的参考气室光强，如图5(c)所示；P检测气室[0]代表电流4mA时对应的检测气室光强。
(4)图5(d)所示，参考气室归一化处理，即R参考气室[]＝P光源[]/P参考气室[]；R参考气室[]中，包含乙炔8个吸收峰光谱信息，通过寻峰确定吸收峰光谱峰值对应的比值和对应的电流，吸收峰峰值比值R参考气室[P0]～R参考气室[P7]，吸收峰光谱中心点为P0～P7。
(5)检测气室归一化处理，即R检测气室[]＝P光源[]/P检测气室[]。根据得出的吸收峰光谱中心点P0～P7，得出R检测气室[P0]～R检测气室[P7]。
(6)不同的乙炔气体浓度通过定标系数模型M[n]＝Anx(R检测气室[Pn])2+Bn xR检测气室[Pn]+Cn进行标定；利用各个浓度和吸收峰光谱强度的定标系数模型，反演各个吸收峰光谱对应的气体测量值；具体地：
M[0]＝A0 x(R检测气室[P0])2+B0 x R检测气室[P0]+C0；
M[1]＝A1 x(R检测气室[P1])2+B1 x R检测气室[P1]+C1；
M[2]＝A2 x(R检测气室[P2])2+B2 x R检测气室[P2]+C2；
M[3]＝A3 x(R检测气室[P3])2+B3 x R检测气室[P3]+C3；
M[4]＝A4 x(R检测气室[P4])2+B4 x R检测气室[P4]+C4；
M[5]＝A5 x(R检测气室[P5])2+B5 x R检测气室[P5]+C5；
M[6]＝A6 x(R检测气室[P6])2+B6 x R检测气室[P6]+C6；
M[7]＝A7 x(R检测气室[P7])2+B7 x R检测气室[P7]+C7；
上述M[0]–M[7]可作为单独的乙炔气体传感器功能模块的输出，通过平均这些测量值，得出待测乙炔气体的实际浓度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，其特征在于，包括：
对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及测量相应的吸收峰光谱强度；
根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列和测量的相应吸收峰光谱强度，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度。
2.如权利要求1所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，其特征在于，采用VCSEL激光器对参考乙炔气体进行扫描，通过4mA-16mA的锯齿波电流驱动VCSEL激光器输出光信号，以在波长扫描范围内对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测；所述波长扫描范围为1526.5-1531nm的范围。
3.如权利要求1所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，其特征在于，通过设置充满乙炔气体的参考气室，在VCSEL波长扫描过程中，跟踪测量参考气室中多个乙炔吸收峰光谱的中心点位置。
4.如权利要求1所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，其特征在于，构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列的过程为：通过吸收峰浓度和吸收峰光谱强度的二次拟合，得到该吸收峰光谱强度和气体浓度的转换系数；将多个吸收峰光谱下的转换系数，构成一组转换系数序列。
5.如权利要求1所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测方法，其特征在于，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度的过程为对不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度求平均得到实际浓度。
6.一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，其特征在于，包括：
电流驱动模块，用于产生驱动电流以驱动VCSEL激光器发射光信号；
控制模块，用于控制电流驱动模块的驱动，以在VCSEL激光器的波长扫描范围内对参考乙炔气体的吸收峰光谱进行检测，根据检测结果，确定每个吸收峰光谱的中心点位置，并构建气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列；
所述控制模块，根据参考乙炔气体每个吸收峰光谱的中心点位置，确定待测乙炔气体对应吸收峰光谱的中心点位置及相应的吸收峰光谱强度；根据气体浓度和吸收峰光谱强度的转换系数序列，得到待测乙炔气体在不同吸收峰光谱强度下对应的测量浓度，根据测量浓度得到待测乙炔气体的实际浓度。
7.如权利要求6所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，其特征在于，所述乙炔气体浓度检测系统还包括分路器；所述分路器的各个支路均连接光电探测器；所述控制模块控制电流驱动模块产生锯齿波电流，以驱动VCSEL激光器输出光信号，所述光信号传输至分路器的各个支路，经光电探测器后，将探测到的信号传输至控制模块。
8.如权利要求7所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，其特征在于，所述分路器包括三个支路，其中，第一支路连接第一光电探测器，第二支路通过参考气室连接第二光电探测器，第三支路通过检测气室连接第三光电探测器。
9.如权利要求7所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，其特征在于，所述乙炔气体浓度检测系统还包括采集模块，所述采集模块用于获取不同的驱动电流对应不同的波长下，VCSEL激光器发出的光信号强度、参考气室光信号强度和检测气室光信号强度，并发送控制模块，以使控制模块根据检测结果进行浓度检测。
10.如权利要求6所述的一种基于多吸收峰光谱的乙炔气体浓度检测系统，其特征在于，所述电流驱动模块产生4mA-16mA的锯齿波驱动电流，以驱动VCSEL激光器发射光信号，在波长扫描范围中，实现1526.5-1531nm范围的波长调制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115791699A (zh) * 2023-02-08 2023-03-14 山东星冉信息科技有限公司 基于垂直腔面发射的甲烷遥测报警系统、方法及存储介质

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