CN115615930B - 双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置，具体涉及气体检测领域，用于解决现有检测得到的光声信号值极易受外界因素的干扰，导致现场应用效果不甚理想的问题，包括检测前获取检测指标信息，判断检测指标对光声信号的综合影响程度；确保检测指标符合基本检测要求后，对气体进行分析检测；检测时实时获取气体检测过程中的环境信息，确定各环境影响因素实时浮动值；是通过在进行气体检测前对各种影响因素进行综合分析，评估其对光声信号的影响程度，并在检测时实时监测环境影响因素，当有扰动产生时，及时根据扰动情况进行调整，以保证检测过程中光声信号的稳定，确保气体检测的准确性。

Description

双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，更具体地说，本发明涉及双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置。

背景技术

气体光声光谱检测技术灵敏度高，不消耗被测气体，能很好地应用于变压器油中溶解微弱气体的在线监测。

现如今，气体光声光谱检测技术在灵敏度、检测范围等指标上已能基本满足现场需要；但是在进一步的测试中却发现，检测得到的光声信号值极易受外界因素的干扰，导致现场应用效果不甚理想。因此，需要对气体光声光谱检测的各种影响因素进行实时监测以保证光声信号值的稳定准确。

针对上述问题，现提出一种技术方案。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置，通过在进行气体检测前对各种影响因素进行综合分析，评估其对光声信号的影响程度，并在检测时实时监测环境影响因素，当有扰动产生时，及时根据扰动情况进行调整，以保证检测过程中光声信号的稳定，确保气体检测的准确性，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，包括如下步骤：

步骤S1，检测前获取检测指标信息，判断检测指标对光声信号的综合影响程度；

步骤S2，确保检测指标符合基本检测要求，对气体进行分析检测；

步骤S3，实时获取气体检测过程中的环境信息，确定各环境影响因素实时浮动值，并根据实时浮动值确定调控方案，保证光声信号值处于稳定状态。

在一个优选的实施方式中，在步骤S1中，检测指标信息包括检测环境信息与检测设备信息；

检测环境信息包括环境大气压强值、环境温度值以及环境湿度值；将其分别标定为P、T、Rh；

检测设备信息包括激光器的工作电压与光声池内背景气体浓度，并分别标定为U与C。

在一个优选的实施方式中，在步骤S1中，采集检测环境信息与检测设备信息后通过公式获取综合影响系数X，具体计算表达式如下：

式中，

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分别为环境大气压强值、激光器的工作电压、光声池内背景气体浓度、环境温度值以及环境湿度值的预设比例系数；

将综合影响系数X与影响阈值进行比较，若综合影响系数X大于等于影响阈值，则判定检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较大，此时不满足气体检测的检测指标需求；若综合影响系数X小于影响阈值，则说明检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较小，符合气体检测前的指标需求，进行步骤S2。

在一个优选的实施方式中，在步骤S3中，实时获取检测环境内检测环境信息中各个影响参数与检测开始前获取值的浮动偏差值，并将其与浮动偏差阈值进行比较，当各影响参数的浮动偏差值大于浮动偏差阈值时，则对该影响参数进行预警标记，将浮动偏差值标定为p，则根据浮动偏差值制定调控方案，具体过程如下：

设浮动偏差阈值为p0，浮动偏差极限值为pmax；

若浮动偏差值小于等于浮动偏差阈值，即p≤p0，此时无需进行调节；

若浮动偏差值大于浮动偏差阈值小于浮动偏差极限值，即p0<p<pmax，此时对该影响参数进行调节；

若浮动偏差值大于浮动偏差极限值，即p≥pmax，此时在调节相应影响参数时，还提高激光器输出功率。

在一个优选的实施方式中，在步骤S3中还将环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值分别标定为pp、pt、prh；当环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值均小于对应的浮动偏差阈值p0时，根据公式获取综合浮动系数F，具体表达式如下：

式中，

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分别为境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值的预设比例系数；

将综合浮动系数F与综合浮动阈值进行比较；

若综合浮动系数小于综合浮动阈值，此时无需进行调节；

若综合浮动系数大于等于综合浮动阈值，此时对所涉及的影响因素进行调节。

在一个优选的实施方式中，在步骤S3中，若环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值均小于对应的浮动偏差阈值p0，且需要对影响因素进行调节时，需要根据各影响参数的浮动状态确定各自的调节权重，具体方法如下：

首先建立直角坐标系，横轴为时间，纵轴为浮动偏差值，并将各个影响参数的实时浮动偏差值代入直角坐标系内；

计算各参数浮动偏差值的累计值，以及累计时间，并分别将大气压强浮动累计值、环境温度浮动累计值以及环境湿度浮动累计值标定为Lp、Lt、Lrh；将大气压强浮动累计时间、环境温度浮动累计时间以及环境湿度浮动累计时间分别标定为tp、tt、trh；则根据浮动偏差值的累计值以及累计时间计算各参数的调节权重，具体计算表达式如下：

式中，c为大气压强浮动累计值、环境温度浮动累计值以及环境湿度浮动累计值的预设比例系数；d为大气压强浮动累计时间、环境温度浮动累计时间以及环境湿度浮动累计时间的预设比例系数；

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分别为大气压强值、环境温度值以及环境湿度值的调节权重；

将大气压强值、环境温度值以及环境湿度值按照各自的调节权重大小进行排序，根据调节权重大小顺序依次对影响参数进行调节。

双级吸收增强型光声光谱气体检测装置，用于实现上述双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，包括处理器以及与处理器信号连接的数据采集模块、激光控制器、光声池、调制斩波器以及光声光谱探测器。

本发明双级吸收增强型光声光谱气体检测方法及装置的技术效果和优点：

本发明在对气体进行检测前，通过检测场所的环境信息与设备信息，综合分析检测前各指标对光声信号的影响程度，判断在此条件下能否有效获取足够强度的光声信号，避免了光声强度过弱，无法高效对其进行分析；

本发明在对气体进行检测时，实时获取各个环境影响参数关于检测前确定值的浮动变化，从而能够基于该浮动变化有效地对各影响参数进行调控，保证了光声信号值的稳定准确。

附图说明

图1为本发明双级吸收增强型光声光谱气体检测方法流程图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，通过在进行气体检测前对各种影响因素进行综合分析，评估其对光声信号的影响程度，并在检测时实时监测环境影响因素，当有扰动产生时，及时根据扰动情况进行调整，以保证检测过程中光声信号的稳定，确保气体检测的准确性，避免由于外界因素的干扰导致的光声信号变动较大这一情况。

图1给出了双级吸收增强型光声光谱气体检测方法的流程图，其包括如下步骤：

步骤S1，检测前获取检测指标信息，判断检测指标对光声信号的综合影响程度。

步骤S2，确保检测指标符合基本检测要求，对气体进行分析检测。

步骤S3，实时获取气体检测过程中的环境信息，确定各环境影响因素实时浮动值，并根据实时浮动值确定调控方案，保证光声信号值处于稳定状态。

具体的，本发明各步骤详细过程如下：

步骤S1：

本发明在检测前先对检测指标进行确认，检测指标信息包括检测环境信息与检测设备信息。

检测环境信息包括环境大气压强值、环境温度值以及环境湿度值；将其分别标定为P、T、Rh，其中，一定范围内，环境大气压强值越大时，气体分子吸收系数越大，即光声信号幅值越大；环境温度值上升时由于会导致气体的粘滞系数与热传导随之增大，从而使得其品质下降，光声信号幅值下降；环境湿度值过大时，容易使得光声腔窗口片表面结露导致激光透过率降低，从而使得光声信号幅值降低。

检测设备信息包括激光器的工作电压与光声池内背景气体浓度；并分别标定为U与C。激光器的工作电压越高其工作功率越高，此时光声信号幅值随之升高；光声池内背景气体浓度越高可获得较高的池常数和品质因数，光声信号幅值也随之升高。

在步骤S1中，采集检测环境信息与检测设备信息后通过公式获取综合影响系数X，具体计算表达式如下：

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分别为环境大气压强值、激光器的工作电压、光声池内背景气体浓度、环境温度值以及环境湿度值的预设比例系数，且/>

至/>

均大于0。综合影响系数X是将检测指标信息涉及的参数进行归一化处理得到一个用于评判气体检测前影响的数值。有公式可知，综合影响系数X越大，说明检测指标信息综合对光声信号的衰减越大，综合影响系数X越小，说明检测指标信息综合对光声信号的增幅越大，此时更容易对光声信号进行分析。

将综合影响系数X与影响阈值进行比较，若综合影响系数X大于等于影响阈值，则判定检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较大，此时不满足气体检测的检测指标需求；若综合影响系数X小于影响阈值，则说明检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较小，符合气体检测前的指标需求。

步骤S2：

当确定检测指标对光声信号的在综合影响程度后，对各项检测指标信息进行调节，直至综合影响系数X小于影响阈值。

例如，当综合影响系数X过大时，可对其内部参数进行分析，确定偏差过大的参数对其进行相应条件。

步骤S3：

在对气体进行检测过程中，还实时对检测环境信息进行监控，观察其变化。

需要说明的是，由于光声池内背景气体通常在检测过程中浓度不变，因此，只需对气体检测时的检测环境信息进行监控便能判断光声信号是否会发生较大偏差。

实时获取检测环境内检测环境信息中各个影响参数与检测开始前获取值的浮动偏差值，并将其与浮动偏差阈值进行比较，当各影响参数的浮动偏差值大于浮动偏差阈值时，则对该影响参数进行预警标记，将浮动偏差值标定为p。则根据浮动偏差值制定调控方案，具体过程如下：

设浮动偏差阈值为p0，浮动偏差极限值为pmax。

若浮动偏差值小于等于浮动偏差阈值，即p≤p0，此时说明该影响参数浮动变化小，对光声信号影响不大，无需进行调节。

若浮动偏差值大于浮动偏差阈值小于浮动偏差极限值，即p0<p<pmax，此时说明该影响参数浮动较大，对光声信号产生了一定影响需要对该参数进行调节。例如环境温差变化过大时，需要通过空调或其他手段调节环境温度使其恢复至检测前的确定值附近。

若浮动偏差值大于浮动偏差极限值，即p≥pmax，此时说明该影响参数浮动极大，此时单纯地进行该参数的调节无法快速将影响参数控制在浮动偏差阈值以内，因此需要在调节相应影响参数时，还需要提高激光器输出功率以减小影响参数带来的影响。

进一步的，由于影响气体检测的环境因素众多，当多个影响参数均有浮动偏差，即便其均未超过浮动偏差阈值p0，仍有可能造成整体的影响偏差过大，将环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值分别标定为pp、pt、prh；当环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值均小于对应的浮动偏差阈值p0时，根据公式获取综合浮动系数F，具体表达式如下：

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分别为境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值的预设比例系数，且/>

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均大于0。

将综合浮动系数F与综合浮动阈值进行比较；

若综合浮动系数小于综合浮动阈值，则说明此时气体检测整体环境，对光声信号影响不大，无需进行调节。

若综合浮动系数大于等于综合浮动阈值，则说明此时气体检测整体环境仍对光声信号影响较大，此时需要对所涉及的影响因素进行调节，以保证气体检测过程中光声信号的稳定。

进一步的，当综合浮动系数大于等于综合浮动阈值时，由于影响参数较多，且均未超出浮动偏差阈值，因此对影响参数进行调节时，需要根据各影响参数的浮动状态确定各自的调节权重，以便将偏差更大的影响参数进行优先调节。具体方法如下：

首先建立直角坐标系，横轴为时间，纵轴为浮动偏差值，并将各个影响参数的实时浮动偏差值代入直角坐标系内。

计算各参数浮动偏差值的累计值，以及累计时间，并分别将大气压强浮动累计值、环境温度浮动累计值以及环境湿度浮动累计值标定为Lp、Lt、Lrh；将大气压强浮动累计时间、环境温度浮动累计时间以及环境湿度浮动累计时间分别标定为tp、tt、trh；则根据浮动偏差值的累计值以及累计时间计算各参数的调节权重，具体计算表达式如下：

式中，c为大气压强浮动累计值、环境温度浮动累计值以及环境湿度浮动累计值的预设比例系数，且c大于0；d为大气压强浮动累计时间、环境温度浮动累计时间以及环境湿度浮动累计时间的预设比例系数，且d大于0。

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分别为大气压强值、环境温度值以及环境湿度值的调节权重。

由上述公式可知，当浮动累计值越高、累计时间越长，则该影响参数持续的影响越大，此时该参数应该被重点调节，即此时该影响参数的调节权重越高；反之则说明该影响参数浮动较小，且累计时间较短，影响不大，此时其调节权重较小。

因此，将大气压强值、环境温度值以及环境湿度值按照各自的调节权重大小进行排序，根据调节权重大小顺序依次对影响参数进行调节，以确保光声信号的稳定。

本发明通过在检测前确保气体检测环境的可实施性，并在检测时，以检测前各影响参数指标状态作为基准，实时分析各影响参数的浮动变化，并根据不同的浮动情况对影响参数进行管控调节，确保气体检测环境在检测时的稳定，避免光声信号受外界因素干扰而带来一定误差。

实施例2

本发明实施例2与实施例1的区别在于，本实施了介绍了本发明双级吸收增强型光声光谱气体检测装置，其包括处理器以及与处理器信号连接的数据采集模块、激光控制器、光声池、调制斩波器以及光声光谱探测器。

处理器用于来自双级吸收增强型光声光谱气体检测装置的数据和/或信息，并对与其信号连接的各模块及装置进行数据传递与控制。

数据采集模块包括若干个传感器，用于实时获取检测指标信息。

本发明气体检测原理如下：

本发明是根据将一束强度经调制的单色光源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发。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。这种压力波动可用新型的灵敏度极高的光声光谱探测器检测，并通过放大得到光声信号。由于每种红外活性的化合物都有其特有的红外吸收光谱，改变单色光波长则可检测到随波长变化的光声信号,从而实现对被测样品进行定量分析。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数以及阈值选取由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以为通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集合的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，DVD）、或者半导体介质。半导体介质可以是固态硬盘。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (3)

1.双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1，检测前获取检测指标信息，判断检测指标对光声信号的综合影响程度；

步骤S2，确保检测指标符合基本检测要求，对气体进行分析检测；

步骤S3，实时获取气体检测过程中的环境信息，确定各环境影响因素实时浮动值，并根据实时浮动值确定调控方案，保证光声信号值处于稳定状态；

在步骤S1中，检测指标信息包括检测环境信息与检测设备信息；

检测环境信息包括环境大气压强值、环境温度值以及环境湿度值；将其分别标定为P、T、Rh；

检测设备信息包括激光器的工作电压与光声池内背景气体浓度，并分别标定为U与C；

在步骤S1中，采集检测环境信息与检测设备信息后通过公式获取综合影响系数X，具体计算表达式如下：

式中，

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分别为环境大气压强值、激光器的工作电压、光声池内背景气体浓度、环境温度值以及环境湿度值的预设比例系数；

将综合影响系数X与影响阈值进行比较，若综合影响系数X大于等于影响阈值，则判定检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较大，此时不满足气体检测的检测指标需求；若综合影响系数X小于影响阈值，则说明检测前各检测指标的对光声信号减弱影响较小，符合气体检测前的指标需求，进行步骤S2；

在步骤S3中，实时获取检测环境内检测环境信息中各个影响参数与检测开始前获取值的浮动偏差值，并将其与浮动偏差阈值进行比较，当各影响参数的浮动偏差值大于浮动偏差阈值时，则对该影响参数进行预警标记，将浮动偏差值标定为p，则根据浮动偏差值制定调控方案，具体过程如下：

设浮动偏差阈值为p0，浮动偏差极限值为pmax；

若浮动偏差值小于等于浮动偏差阈值，即p≤p0，此时无需进行调节；

若浮动偏差值大于浮动偏差阈值小于浮动偏差极限值，即p0<p<pmax，此时对该影响参数进行调节；

若浮动偏差值大于浮动偏差极限值，即p≥pmax，此时在调节相应影响参数时，还提高激光器输出功率；

在步骤S3中还将环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值分别标定为pp、pt、prh；当环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值均小于对应的浮动偏差阈值p0时，根据公式获取综合浮动系数F，具体表达式如下：

式中，

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分别为环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值的预设比例系数；

将综合浮动系数F与综合浮动阈值进行比较；

若综合浮动系数小于综合浮动阈值，此时无需进行调节；

若综合浮动系数大于等于综合浮动阈值，此时对所涉及的影响因素进行调节。

2.根据权利要求1所述的双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，其特征在于：在步骤S3中，若环境大气压强浮动值、环境温度浮动值以及环境湿度浮动值均小于对应的浮动偏差阈值p0，且需要对影响因素进行调节时，需要根据各影响参数的浮动状态确定各自的调节权重，具体方法如下：

首先建立直角坐标系，横轴为时间，纵轴为浮动偏差值，并将各个影响参数的实时浮动偏差值代入直角坐标系内；

计算各参数浮动偏差值的累计值，以及累计时间，则根据浮动偏差值的累计值以及累计时间计算各参数的调节权重，具体计算表达式如下：

式中，c为大气压强浮动累计值、环境温度浮动累计值以及环境湿度浮动累计值的预设比例系数；d为大气压强浮动累计时间、环境温度浮动累计时间以及环境湿度浮动累计时间的预设比例系数；

、/>

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分别为大气压强值、环境温度值以及环境湿度值的调节权重；

将大气压强值、环境温度值以及环境湿度值按照各自的调节权重大小进行排序，根据调节权重大小顺序依次对影响参数进行调节。

3.双级吸收增强型光声光谱气体检测装置，用于实现上述权利要求1-2任一项所述的双级吸收增强型光声光谱气体检测方法，其特征在于：包括处理器以及与处理器信号连接的数据采集模块、激光控制器、光声池、调制斩波器以及光声光谱探测器。

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