CN115144334A - 一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法 - Google Patents

一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法，属于气体检测技术领域，具体包括池体，所述池体的一端固定连接有凹面反射镜，所述池体的另一端固定连接有可变形镜，所述可变形镜内设置有驱动单元；包括以下步骤：获取待测气体的种类；依次测量不同浓度气体样本对激光的初始吸光度，以及达到有效吸光度时的最佳驱动参数；对初始吸光度与对应最佳驱动参数进行深度学习训练；测量待测气体的初始吸光度，系统自动获得该初始吸光度对应的最佳驱动参数，在该状态下，测量待测气体浓度；本发明有效增大了气体多通池的浓度测量范围，提高了吸收光谱信噪比，实现基于单一气体池的宽量程、高灵敏的气体检测。

Description

一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法。
背景技术
在用激光吸收光谱技术检测气体浓度时，多通池是气体传感系统的关键部件。通过测量光谱的吸收强度就可测量气体的浓度，激光通过一段待测气体介质时，由于气体吸收，光强会发生衰减，通过测量通过多通池前后的光强，反演计算得到气体的浓度。
对待测气体浓度进行测量时，如果多通池的有效吸收程长过长，会使得经过气体吸收后的光强过低，探测器难以测到；如果多通池的有效吸收程长较短，透射光强并未发生明显衰减，会使得系统的检测灵敏度偏低。
常规多通池的吸收程长一经加工成型，两端球面镜的间距也就固定了，可以改变的参数只有入射角度，由于改变入射角只能改变光斑分布位置而不能改变反射次数，所以其吸收程长是固定的，要想测量高浓度气体的浓度和低浓度气体的浓度，需要同时购买或加工不同类型的多通池；因此，我们目前需要一种吸收程长可变的气体多通池，使得其可测气体浓度范围变大，避免饱和问题或灵敏度不够的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可变形镜的气体多通池及控制方法，解决以下技术问题：
(1)常规多通池的吸收程长一经加工成型，两端球面镜的间距也就固定了，可以改变的参数只有入射角度，由于改变入射角只能改变光斑分布位置而不能改变反射次数，所以其吸收程长是固定的，要想测量高浓度气体的浓度和低浓度气体的浓度，需要同时购买或加工不同类型的多通池，因此，我们需要一种吸收程长可变的气体多通池，使得其可测气体浓度范围变大，避免饱和问题或灵敏度不够的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于可变形镜的气体多通池，包括池体，所述池体的一端固定连接有凹面反射镜，所述池体的另一端固定连接有可变形镜，所述可变形镜内设置有驱动单元，所述驱动单元用于调节所述可变形镜的曲率半径。
作为本发明进一步的方案，所述凹面反射镜内开设有入射孔，所述入射孔远离所述可变形镜的一端设置有平面透镜，所述池体一侧开设有气口。
作为本发明进一步的方案，所述气口用于将气体通入所述池体，所述平面透镜用于将激光通入所述池体内，调节所述可变形镜的曲率半径能够改变激光在所述凹面反射镜和所述可变形镜之间的反射次数。
作为本发明进一步的方案，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动子单元阵列布置，所述可变形镜为柔性材质且分为若干个子区域，所述驱动子单元与所述子区域一一对应，每个所述驱动子单元分别用于控制对应的所述子区域靠近或远离所述凹面反射镜，所述驱动子单元通过互相配合调节所述可变形镜的曲率半径。
一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，应用于上述任一种基于可变形镜的气体多通池，包括以下步骤：
获取需要测量浓度的待测气体的种类，并制作若干组与待测气体种类相同的气体样本，所述气体样本的气体浓度由低到高等差排列；
将气体样本分别经气口通入池体中，并经平面透镜通入激光，分别测量不同浓度气体样本对激光的初始吸光度，若存在气体样本的初始吸光度与有效吸光度不同，有效吸光度为预设阈值，控制驱动单元调节可变形镜曲率半径，通过改变激光反射次数调整气体样本的吸收程长，使气体样本吸光度等于有效吸光度；若气体样本的初始吸光度等于有效吸光度，则驱动单元保持当前驱动参数；
建立数据库，所述数据库用于记录不同浓度气体样本的初始吸光度；记录气体样本达到有效吸光度时的驱动参数并定义为最佳驱动参数；对初始吸光度与最佳驱动参数进行深度学习训练，建立所述初始吸光度与所述最佳驱动参数之间的对应模型；
将待测气体经气口通入池体中，测量待测气体对激光的初始吸光度，根据所述对应模型提取该初始吸光度对应的最佳驱动参数，控制驱动单元调节可变形镜曲率半径，获得最佳吸收程长，测量待测气体吸光度并计算浓度。
作为本发明进一步的方案，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动参数为所有驱动子单元的电压信号的集合。
作为本发明进一步的方案，调节气体样本的吸光度的具体过程为：
当所述气体样本的初始吸光度大于有效吸光度时，调节可变形镜的曲率半径，降低激光在凹面反射镜与可变形镜之间的反射次数，缩短激光在池体内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度下降至有效吸光度；
当所述气体样本的初始吸光度小于有效吸光度时，调节可变形镜的曲率半径，增加激光在凹面反射镜与可变形镜之间的反射次数，延长激光在池体内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度上升至有效吸光度。
作为本发明进一步的方案，仅将激光经平面透镜通入池体中，控制驱动单元将可变形镜的曲率半径由最小设定值逐渐增加，直至可变形镜变为平面，实时获取激光在池体内的吸收程长，生成曲率半径与吸收程长的变化曲线，并对变化曲线进行拟合处理。
作为本发明进一步的方案，所述可变形镜的初始曲率半径为R，R为预设值，每次将气体通入池体时均将所述可变形镜的曲率半径恢复为R。
作为本发明进一步的方案，多通池的入射激光频率调谐范围覆盖待测气体一个完整的吸收峰，且入射激激光宽不影响吸收谱线线宽测量。
本发明的有益效果：
本发明通过深度学习训练，获取气体样本的初始吸光度与最佳驱动参数的对应模型，从而为待测气体初始吸光度自动匹配最佳驱动参数，获得最佳曲率半径，进而得到最佳吸收程长，从而为待测气体匹配有效吸光度，使待测气体的浓度测量结果准确；这样一个多通池由于内部吸收程长可变，可以用于多种浓度量级的气体，大大提高了多通池的量程，避免饱和问题或灵敏度不够的问题，一个多通池能够代替以往多个多通池，降低了成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种基于可变形镜的气体多通池的结构示意图；
图2是本发明一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法的流程示意图；
图3是本发明的深度学习训练流程示意图。
图中：1、池体；2、凹面反射镜；3、平面透镜；4、气口；5、可变形镜；6、入射孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，本发明为一种基于可变形镜的气体多通池，包括池体1，所述池体1的一端固定连接有凹面反射镜2，所述池体1的另一端固定连接有可变形镜5，所述可变形镜5内设置有驱动单元，所述驱动单元用于调节所述可变形镜5的曲率半径；
常规多通池的吸收程长一经加工成型，两端球面镜的间距也就固定了，可以改变的参数只有入射角度，由于改变入射角只能改变光斑分布位置而不能改变反射次数，所以其吸收程长是固定的，要想测量高浓度气体的浓度和低浓度气体的浓度，需要同时购买或加工不同类型的多通池；因此，我们目前需要一种吸收程长可变的气体多通池，使得其可测气体浓度范围变大，避免饱和问题或灵敏度不够的问题；
根据朗伯－比尔定律(Lambert-Beer Law)，激光通过一段待测气体介质时，由于气体吸收，光强会发生衰减，透射光强为I(v)＝I0(v)exp(-a(v)CL)，其中，I0(v)为入射光强，I(v)为透射光强，v为入射光的频率，L为有效吸收程长，a(v)为光谱吸收系数，C为气体的浓度，吸收系数a(v)与气体分子特性有关，而吸收程长L的调控则是通过多通池实现的，于是通过调节可变形镜5的曲率半径改变激光在凹面反射镜2和所述可变形镜5之间的反射次数，从而改变激光的吸收程长，实现了控制入射光强与透射光强的比例，避免了饱和问题或灵敏度不够的问题。
在本发明的一种优选的实施例中，所述凹面反射镜2内开设有入射孔6，所述入射孔6远离所述可变形镜5的一端设置有平面透镜3，所述池体1一侧开设有气口4；
在实施例的一种优选的情况中，所述气口4用于将气体通入所述池体1，所述平面透镜3用于将激光通入所述池体1内，调节所述可变形镜5的曲率半径能够改变激光在所述凹面反射镜2和所述可变形镜5之间的反射次数；
将待测气体由气口4注入池体1内，并将激光由平面透镜3通入池体1内，通过驱动单元调整可变形镜5的曲率半径，改变激光在可变形镜5与凹面反射镜2之间的反射次数，从而改变激光的吸收程长。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动子单元阵列布置，所述可变形镜5为柔性材质且分为若干个子区域，所述驱动子单元与所述子区域一一对应，每个所述驱动子单元分别用于控制对应的所述子区域靠近或远离所述凹面反射镜2，所述驱动子单元通过互相配合调节所述可变形镜5的曲率半径；
本发明采用可变形镜5，可变形镜5及驱动单元为市售产品，可变形镜5的镜面为薄膜，基于由磁制动器运动的连续反射表面，可变形镜5的非反射面设置有驱动单元，驱动单元包括若干个驱动子单元，驱动子单元包括若干个磁铁，磁铁通过若干个连杆与可变形镜5，磁铁一侧设置有通电线圈，根据电磁感应，磁铁在通电线圈的不同的电压下作用下能够相对移动，通过连杆从而改变可变形镜5的形状，调节可变形镜5的曲率半径，使其变为具有不同焦距的球面镜，从而改变激光在可变形镜5与凹面反射镜2之间的反射次数，程长也就随之改变。
一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，应用于上述实施例提供的任一种基于可变形镜的气体多通池，包括以下步骤：
获取需要测量浓度的待测气体的种类，并制作若干组与待测气体种类相同的气体样本，所述气体样本的气体浓度由低到高等差排列；
将气体样本分别经气口4通入池体1中，并经平面透镜3通入激光，分别测量不同浓度气体样本对激光的初始吸光度，若存在气体样本的初始吸光度与有效吸光度不同，有效吸光度为预设阈值，则控制驱动单元调节可变形镜5曲率半径，通过改变激光反射次数调整气体样本的吸收程长，使气体样本吸光度等于有效吸光度；若气体样本的初始吸光度等于有效吸光度，则驱动单元保持当前驱动参数；
建立数据库，所述数据库用于记录不同浓度气体样本的初始吸光度；以及记录气体样本达到有效吸光度时的驱动参数并定义为最佳驱动参数；对初始吸光度与最佳驱动参数进行深度学习训练，建立所述初始吸光度与所述最佳驱动参数之间的对应模型；
将待测气体经气口4通入池体1中，测量待测气体对激光的初始吸光度，根据所述对应模型提取该初始吸光度对应的最佳驱动参数，控制驱动单元调节可变形镜5曲率半径，获得最佳吸收程长，测量待测气体吸光度并计算浓度。
本发明通过深度学习训练，记录不同浓度的气体样本的初始吸光度，以及不同气体样本吸光度达到有效吸光度时的最佳驱动参数，存入数据库，并通过深度学习训练，建立样本初始吸光度与最佳驱动参数之间的对应模型，驱动参数为多个独立电压信号的集合；于是在测量待测气体时，首先测量待测气体的初始吸光度，根据对应模型提取与初始吸光度对应的最佳驱动参数，获得最佳曲率半径，进而得到最佳吸收程长，从而为待测气体匹配有效吸光度，使待测气体的浓度测量结果准确；本发明由于内部吸收程长可变，可以用于多种浓度量级的气体，从而大大提高了多通池的量程，本发明能够代替以往多个现有多通池，降低了成本。
在本发明的一种优选的实施例中，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动参数为若干个驱动子单元的电压信号的集合；每个驱动子单元对应一个连杆，通过调节连杆伸出的长度，改变可变形镜的形状。
在本发明的一种优选的实施例中，调节气体样本的吸光度的具体过程为：
当所述气体样本的初始吸光度大于有效吸光度时，调节可变形镜5的曲率半径，降低激光在凹面反射镜2与可变形镜5之间的反射次数，缩短激光在池体1内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度下降至有效吸光度；
当所述气体样本的初始吸光度小于有效吸光度时，调节可变形镜5的曲率半径，增加激光在凹面反射镜2与可变形镜5之间的反射次数，延长激光在池体1内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度上升至有效吸光度；
吸光度是指光线通过溶液或物质前的入射光强度与光线通过溶液或某一物质后的透射光强度的比值(I0(v)/I(v))的以10为底的对数(即lg(I0(v)/I(v))；由于吸收程长越大，透射光强度越低，所以吸光度与吸收程长成正比，吸光度高时，缩短吸收程长，吸光度低时，增加吸收程长；本发明的有效吸光度根据实际情况而设定，有效吸光度的设定值在0.2-0.7之间，0.2对应的透射光强度与入射光强度的百分比为65％，0.7对应的透射光强度与入射光强度的百分比为20％。
在本发明的另一种优选的实施例中，仅将激光经平面透镜3通入池体1中，控制驱动单元将可变形镜5的曲率半径由最小设定值逐渐增加，直至可变形镜5变为平面，实时获取激光在池体1内的吸收程长，生成曲率半径与吸收程长的变化曲线，并对变化曲线进行拟合处理；
Figure BDA0003742019700000081
上表为曲率半径与吸收程长的部分数据，根据该表格可知曲率半径与吸收程长为非正比关系；通过获取曲率半径与吸收程长的拟合关系，曲率半径与吸收程长相对应，从而准确控制气体的吸收程长的增加或者缩短，以此为基础控制气体吸光度的增加或者降低。
在本发明的另一种优选的实施例中，所述可变形镜5的初始曲率半径为R，R为预设值，每次将气体通入池体1时均将所述可变形镜5的曲率半径恢复为R；
每次通入气体时，可变形镜5的曲率半径都相同，于是气体的吸收程长也相同，所以此时气体的吸光度仅和气体的浓度有关。
在本发明的另一种优选的实施例中，多通池的入射激光频率调谐范围覆盖待测气体一个完整的吸收峰，且入射激激光宽不影响吸收谱线线宽测量。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于可变形镜的气体多通池，其特征在于，包括池体(1)，所述池体(1)的一端固定连接有凹面反射镜(2)，所述池体(1)的另一端固定连接有可变形镜(5)，所述可变形镜(5)内设置有驱动单元，所述驱动单元用于调节所述可变形镜(5)的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变形镜的气体多通池，其特征在于，所述凹面反射镜(2)内开设有入射孔(6)，所述入射孔(6)远离所述可变形镜(5)的一端设置有平面透镜(3)，所述池体(1)一侧开设有气口(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于可变形镜的气体多通池，其特征在于，所述气口(4)用于将气体通入所述池体(1)，所述平面透镜(3)用于将激光通入所述池体(1)内，调节所述可变形镜(5)的曲率半径能够改变激光在所述凹面反射镜(2)和所述可变形镜(5)之间的反射次数。
4.根据权利要求1所述的一种基于可变形镜的气体多通池，其特征在于，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动子单元阵列布置，所述可变形镜(5)为柔性材质且分为若干个子区域，所述驱动子单元与所述子区域一一对应，每个所述驱动子单元分别用于控制对应的所述子区域靠近或远离所述凹面反射镜(2)，所述驱动子单元通过互相配合调节所述可变形镜(5)的曲率半径。
5.一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取需要测量浓度的待测气体的种类，并制作若干组与待测气体种类相同的气体样本，所述气体样本的气体浓度由低到高等差排列；
将气体样本分别经气口(4)通入池体(1)中，并经平面透镜(3)通入激光，分别测量不同浓度气体样本对激光的初始吸光度，若存在气体样本的初始吸光度与有效吸光度不同，有效吸光度为预设阈值，则控制驱动单元调节可变形镜(5)曲率半径，通过改变激光反射次数调整气体样本的吸收程长，使气体样本吸光度等于有效吸光度；若气体样本的初始吸光度等于有效吸光度，则驱动单元保持当前驱动参数；
建立数据库，所述数据库用于记录不同浓度气体样本的初始吸光度；以及记录气体样本达到有效吸光度时的驱动参数并定义为最佳驱动参数；对初始吸光度与最佳驱动参数进行深度学习训练，建立所述初始吸光度与所述最佳驱动参数之间的对应模型；
将待测气体经气口(4)通入池体(1)中，测量待测气体对激光的初始吸光度，根据所述对应模型提取该初始吸光度对应的最佳驱动参数，控制驱动单元调节可变形镜(5)的曲率半径，获得最佳吸收程长，测量待测气体吸光度并计算浓度。
6.根据权利要求5所述的一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，所述驱动单元包括若干个独立的驱动子单元，所述驱动参数为所有驱动子单元的电压信号的集合。
7.根据权利要求5所述的一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，调节气体样本的吸光度的具体过程为：
当所述气体样本的初始吸光度大于有效吸光度时，调节可变形镜(5)的曲率半径，降低激光在凹面反射镜(2)与可变形镜(5)之间的反射次数，缩短激光在池体(1)内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度下降至有效吸光度；
当所述气体样本的初始吸光度小于有效吸光度时，调节可变形镜(5)的曲率半径，增加激光在凹面反射镜(2)与可变形镜(5)之间的反射次数，延长激光在池体(1)内的吸收程长，使气体样本对激光的吸光度上升至有效吸光度。
8.根据权利要求5所述的一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，仅将激光经平面透镜(3)通入池体(1)中，控制驱动单元将可变形镜(5)的曲率半径由最小设定值逐渐增加，直至可变形镜(5)变为平面，实时获取激光池体(1)内的吸收程长，生成曲率半径与吸收程长的变化曲线，并对变化曲线进行拟合处理。
9.根据权利要求5所述的一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，所述可变形镜(5)的初始曲率半径为R，R为预设值，每次将气体通入池体(1)时均将所述可变形镜(5)的曲率半径恢复为R。
10.根据权利要求5所述的一种基于可变形镜的气体多通池的控制方法，其特征在于，多通池的入射激光频率调谐范围覆盖待测气体一个完整的吸收峰，且入射激激光宽不影响吸收谱线线宽测量。
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