CN114813575A - 一种光声光谱气体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光声光谱气体检测方法，所述检测方法利用的光声光谱气体检测系统包括用于提供光源的激光器以及用于提供气体测量空间的光声池；其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：S1)检测系统发出触发信号，触发激光器发射一个光脉冲信号，光脉冲信号发射到光声池而触发光声响应；S2)检测激光器发射的光脉冲信号的强度和光声池内的声光响应信号强度；S3)同步采集检测到的光脉冲信号的强度和声光响应信号强度，在一个光脉冲信号周期内，对光脉冲信号和声光响应信号进行N次采样，N≥1；S4)对步骤S3)采样得到的光脉冲信号和声光响应信号进行积分处理和计算，通过下述公式计算得到待探测气体浓度：
Figure DDA0003558872300000011

Description

一种光声光谱气体检测方法
技术领域
本发明涉及气体检测领域，尤其是一种光声光谱气体检测方法。
背景技术
光声光谱是基于光声效应的一种光谱分析技术。自1880年A.G.贝尔发现固体光声效应以来，至今已有一百多年的历史。利用气体分子对特定波长光谱吸收特性，用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动﹐这种压力波动可用灵敏的微音器或压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。若入射单色光波长可变﹐则可测到随波长而变的光声信号图谱，这就是光声光谱。光声光谱气体检测技术具有检测灵敏度高，响应时间快，可连续实时测量，体积小，可实现多组分气体检测等优点，目前已广泛应用于石化分析、环境监测、煤矿瓦斯浓度监测、变压器油中溶解气体分析、医学呼出气体诊断等领域。
传统的光声光谱检测技术采用宽谱光源，通过滤波盘实现多个波长光谱切换，并采用斩波器实现脉冲光调制，这种实现技术存在多个运动机械部件，不利于实现现场环境复杂的在线监测。近年来，随着半导体激光器、可调谐激光器等激光器技术的发展，传统的机械光谱切换和机械脉冲光调制手段已逐步被取代。待检测气体成分及浓度定量测量与入射光谱波长和入射脉冲光强度相关，半导体激光器、可调谐激光器等光源的波长与温度相关(随着温度变化激光器的中心波长发生漂移)，而调制光脉冲强度与光源寿命和调制驱动电路相关(随着激光器寿命老化，脉冲光强度会逐步下降，而脉冲光的强度受调制电源电流大小影响)，一般的设计忽略这些影响因素，假定波长和脉冲光强度是不变的，但这对气体浓度高精度测量和多组分气体分析是不利的(气体吸收光谱交叉)，特别是在线监测应用，在现场不具备良好的仪器标定条件下，很难满足在线监测设备长期稳定、可靠运行的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种光声光谱气体检测方法，能够提升检测精度。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种光声光谱气体检测方法，所述检测方法利用的光声光谱气体检测系统包括用于提供光源的激光器以及用于提供气体测量空间的光声池；其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
S1)检测系统发出触发信号，触发激光器发射一个光脉冲信号，光脉冲信号发射到光声池而触发光声响应；
S2)检测激光器发射的光脉冲信号的强度和光声池内的声光响应信号强度；
S3)同步采集检测到的光脉冲信号的强度和声光响应信号强度，在一个光脉冲信号周期内，对光脉冲信号和声光响应信号进行N次采样，N≥2；
S4)对步骤S3)采样得到的光脉冲信号和声光响应信号进行积分处理和计算，通过下述公式计算得到待探测气体浓度：
Figure BDA0003558872280000021
其中，C为待测气体浓度，i＝1～N，α为待测气体对特定波长激发光的吸收系数，Pi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的强度，R为光声池的声电转换装置的灵敏度，F为光声池常数，Mi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的声光响应信号强度。
优选的，为便于检测光脉冲信号强度和声光响应信号强度，所述激光器通过光分路器与光声池连接，所述光分路器的输出端上还连接有光电探测器，在步骤S2)中，通过所述光电探测器测量激光器出的光脉冲信号的强度，通过设置在光声池内的声压探测器测量光声池内的声光响应信号强度。
优选的，为便于放大信号以便采集和计算，所述光学光谱气体检测系统还包括第一锁相放大器和第二锁相放大器，在步骤S3)中，所述光电探测器检测到的信号通过第一锁相放大器而得到放大，所述声压探测器检测到的信号通过第二锁相放大器而得到放大。
为便于对采集到的信号进行计算，提供控制逻辑，所述光学光谱气体检测系统还包括信号采集及数据处理计算单元，两个锁相放大器的输出端均连接到信号采集及数据处理计算单元，在步骤S3)和S4)中，通过所述信号采集及数据处理计算单元采集两个锁相放大器的信号，从而对气体浓度进行计算。
为确保激光器中心波长的稳定，在气体检测过程中，持续检测激光器的工作温度，并将激光器的工作温度控制在目标值。
优选的，为便于控制激光器的工作温度，所述光声光谱气体检测系统还包括温度传感器、温度调节单元和温度控制单元，所述温度传感器用于检测激光器的工作温度并将检测到的温度输入到温度控制单元，所述温度控制单元根据温度传感器检测到的温度来通过温度调节单元而控制激光器的工作温度。
为便于驱动激光器，所述光声光谱气体检测系统还包括激光器调制驱动单元和脉冲调制单元，在步骤S1)中，通过所述激光器调制驱动单元实现激光器的调谐和驱动控制，通过所述脉冲调制单元为激光器提供脉冲调制信号。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过对一个触发光脉冲信号进行多次采样，然后对一个触发光脉冲信号周期内的N个采样信号进行积分计算，从而实现光信号强度的补偿，对光源自身的影响作提前修正，修正光功率不稳定的偏差，消除脉冲激光光源驱动引入的光功率不稳定问题，由此提升气体检测精度；通过激光器的工作温度测量和调节，使激光器工作在恒定工作点，减少激光器中心波长漂移，减少因入射光波长变化引起的响应度不一致及气体组分之间的交叉影响，提升气体定量分析的精度。
附图说明
图1为本发明实施例的检测方法所采用的检测系统的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图1，一种光学光谱气体检测系统，包括光源模块1、光声池2、温度控制单元3和处理单元4。
其中，光源模块1包括激光器11、光分路器12、光电探测器13、温度传感器14和温度调节单元15，激光器11可以为可调谐激光器或多个单波长半导体激光器的组合，当采用多个激光器组合时，各激光器之间通过光开关连接，从而激光器11为检测系统提供指定波长的单色光源。
激光器11的输出连接到光分路器12，光分路器12为激光器11发出的光源提供前馈通道。光电探测器13用于测量激光器11发出的光源的脉冲光强度，优选的，光电探测器13可以为PD(Photo-Diode，光电二极管探测器)。光分路器12具有三个端口(一个输入，两个输出)，通过光纤分别连接到激光器11、光声池2和光电探测器13，激光器11连接到光分路器12的输入端口，光声池2和光电探测器13连接在光分路器12的两个输出端口上，光声池2和光电探测器13对应的两个输出端口的分光比在9：1到999：1之间。通过测量光电探测器13端口上的光脉冲信号的强度，实现光声池2输入光脉冲强度的计算。
温度传感器14用于检测激光器11的工作温度，优选的可以为PT100或TU50。温度调节单元15用于实现激光器11的工作温度控制，优选的，其可以为TEC(Thermo ElectricCooler，半导体制冷器)。激光器11设置在包括上述温度传感器14和温度调节单元15的基底上。
上述光源模块1为带有前馈控制的模块，具体的前馈控制方式详见下文。
光声池2用于提供气体测量的空间，该空间为密闭空间，实现待测气体的定量测量。光声池2的内部安装有声压探测器21，如优选的可以为麦克风，从而可以检测光声池2内部气体受光源调制压强的变化。
上述温度传感器14检测到的温度输入到温度控制单元3，温度控制单元3为一个PID控制器或具有恒温控制算法的控制器，可以是ASIC、MCU或专用温度控制IC。温度控制单元3根据温度传感器14检测到的温度来通过温度调节单元15来控制激光器11的工作温度在目标值附近，从而确保激光器11中心波长的稳定。温度调节单元15直接作用在激光器11上，实现激光器11的直接温度控制，控温精度可以达到0.05℃，激光器11的工作目标温度一般设置在常温，如21.5℃。
光学光谱气体检测系统还包括激光器调制驱动单元5、脉冲调制单元6、第一锁相放大器7、第二锁相放大器8。其中，激光器调制驱动单元5用于实现激光器11的调谐和驱动控制。脉冲调制单元6用于为激光器11提供脉冲调制信号，由此激光器调制驱动单元5和脉冲调制单元6使得激光器发出具有特定波长、特定脉宽的光脉冲信号。脉冲调制单元6还为第一锁相放大器7和第二锁相放大器8提供锁相控制信号。激光器11出射的光通过光分路器12和光电探测器13传输到第一锁相放大器7，由此实现光源出射光的信号放大。第二锁相放大器8为声压探测器21提供信号放大。
光学光谱气体检测系统还包括信号采集及数据处理计算单元9，提供激光器脉冲光调制、波长选择，两个锁相放大器的输出端均连接到信号采集及数据处理计算单元9，由此通过第一锁相放大器7和第二锁相放大器8采集的激光器11发射的光脉冲信号的强度和光声池2内的声光响应信号强度，实现待检测气体组份分析和浓度测量计算。
处理单元4提供整个监测系统所需的逻辑控制实现，通过信号采集及数据处理计算单元9实现气体检测控制，通过温度控制单元3实现激光器温度控制。
通过上述系统，实现了两个前馈控制，一是光脉冲信号强度，二是激光器11的工作温度。其中光脉冲信号强度的前馈控制通过光分路器12和光电探测器13实现，而激光器11的工作温度前馈控制通过温度传感器14、温度调节单元15和温度控制单元3实现。
本发明的光声光谱气体检测方法，包括如下步骤：
S1)系统发出触发信号，触发信号是一个矩形波电脉冲，电脉冲信号触发激光器调制驱动单元5，由此触发激光器11发射一个光脉冲信号，光脉冲信号发射到光声池2，触发光声响应，该光脉冲信号具有特定波长、特定脉宽；
S2)光电探测器13和声压探测器21同步检测发射的光脉冲信号强度和声光响应信号强度；
S3)信号采集及数据处理计算单元9通过第一锁相放大器7和第二锁相放大器8同步采集声光电探测器13和声压探测器21的信号，采集的预触发时间t可以根据系统设计调整，几十ns到几百us之间；在一个光脉冲信号周期内，对光脉冲信号和声光响应信号进行高速多次采样，采样点数量为N，N≥2，具体的可以根据设计需求而定，高速是指几十MHz～百MHz的采样频率；
S4)对步骤S3)采样得到的光脉冲信号强度和声光响应信号强度进行积分处理和计算，通过下述公式计算得到待探测组份气体的浓度值：
Figure BDA0003558872280000051
其中，C为待测气体浓度，i＝1～N，α为待测气体对特定波长激发光的吸收系数，Pi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的强度(由光电探测器13采集)，R为光声池2声电转换装置的灵敏度，F为光声池常数，Mi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的声光响应信号强度(由声压探测器21采集)。
在上述检测过程中，温度传感器14持续检测激光器11的工作温度并发送到温度控制单元3，温度控制单元3根据温度传感器14检测到的温度来通过温度调节单元15来控制激光器11的工作温度在目标值附近，从而确保激光器11中心波长的稳定。
在传统的光声光谱气体检测过程中，把α、P、R、F当做常量处理，认为每一次测量的触发光脉冲信号是完全一致的。在采样时只对一个光脉冲信号的峰值进行采样，信号的响应由检测器件决定，不能保证采样到最大峰值。
而在本发明的检测方法中，从每一个触发光脉冲信号微观角度分析，由于每一次触发光脉冲信号的脉宽和峰值并不能保持完全一致，因此对同一个触发光脉冲信号进行多次采样(即微分采样)，获得触发光脉冲信号和光声响应信号的包络，然后对一个触发光脉冲信号周期内的N个采样信号进行积分计算，从而实现光信号强度的补偿，由此无论光脉冲信号的峰值和脉宽如何变化，整个系统总是可以自动适应，对光源自身的影响作提前修正(前馈控制)，修正光功率不稳定的偏差，由此提升气体检测精度，达到ppb级。而且，采样信号包含基线信号，因此可以自动解决基线漂移问题，基线可以理解为各探测器的基底信号，如暗电流等。

Claims (7)

1.一种光声光谱气体检测方法，所述检测方法利用的光声光谱气体检测系统包括用于提供光源的激光器(11)以及用于提供气体测量空间的光声池(2)；其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
S1)检测系统发出触发信号，触发激光器(11)发射一个光脉冲信号，光脉冲信号发射到光声池(2)而触发光声响应；
S2)检测激光器(11)发射的光脉冲信号的强度和光声池(2)内的声光响应信号强度；
S3)同步采集检测到的光脉冲信号的强度和声光响应信号强度，在一个光脉冲信号周期内，对光脉冲信号和声光响应信号进行N次采样，N≥2；
S4)对步骤S3)采样得到的光脉冲信号和声光响应信号进行积分处理和计算，通过下述公式计算得到待探测气体浓度：
Figure FDA0003558872270000011
其中，C为待测气体浓度，i＝1～N，α为待测气体对特定波长激发光的吸收系数，Pi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的强度，R为光声池(2)的声电转换装置的灵敏度，F为光声池常数，Mi为一次触发光脉冲信号周期内第i次采样光脉冲信号的声光响应信号强度。
2.根据权利要求1所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：所述激光器(11)通过光分路器(12)与光声池(2)连接，所述光分路器(12)的输出端上还连接有光电探测器(13)，在步骤S2)中，通过所述光电探测器(13)测量激光器(11)发出的光脉冲信号的强度，通过设置在光声池(2)内的声压探测器(21)测量光声池(2)内的声光响应信号强度。
3.根据权利要求2所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：所述光学光谱气体检测系统还包括第一锁相放大器(7)和第二锁相放大器(8)，在步骤S3)中，所述光电探测器(13)检测到的信号通过第一锁相放大器(7)而得到放大，所述声压探测器(21)检测到的信号通过第二锁相放大器(8)而得到放大。
4.根据权利要求3所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：所述光学光谱气体检测系统还包括信号采集及数据处理计算单元(9)，两个锁相放大器的输出端均连接到信号采集及数据处理计算单元(9)，在步骤S3)和S4)中，通过所述信号采集及数据处理计算单元(9)采集两个锁相放大器的信号，从而对气体浓度进行计算。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：在气体检测过程中，持续检测激光器(11)的工作温度，并将激光器(11)的工作温度控制在目标值。
6.根据权利要求5所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：所述光声光谱气体检测系统还包括温度传感器(14)、温度调节单元(15)和温度控制单元(3)，所述温度传感器(14)用于检测激光器(11)的工作温度并将检测到的温度输入到温度控制单元(3)，所述温度控制单元(3)根据温度传感器(14)检测到的温度来通过温度调节单元(15)而控制激光器(11)的工作温度。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的光声光谱气体检测方法，其特征在于：所述光声光谱气体检测系统还包括激光器调制驱动单元(5)和脉冲调制单元(6)，在步骤S1)中，通过所述激光器调制驱动单元(5)实现激光器(11)的调谐和驱动控制，通过所述脉冲调制单元(6)用于为激光器(11)提供脉冲调制信号。
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