[發明專利]基于波長調制的氣體吸收譜線線寬和線型系數的測量方法

有效

• 申請號: 201310253120.8
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103323115A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 彭志敏;丁艷軍;藍麗娟
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J3/433
• 分類號: G01J3/433;G01N21/39
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及基于波長調制的氣體吸收譜線線寬和線型系數的測量方法，該方法首次提出并實現了波長調制法在線測量氣體吸收譜線線寬和線型系數。

背景技術

可調諧激光二極管吸收光譜(Tunable?diode?laser?absorption?spectroscopy,TDLAS)技術利用窄帶的激光掃描氣體的吸收譜線，通過分析被氣體吸收后的激光強度得到待測氣體的溫度和濃度。與傳統的采樣式氣體檢測技術相比，TDLAS技術具有非接觸式在線測量、選擇性強、靈敏度高、在線響應速度快的優點，可測量某個區域氣體濃度的平均水平，已經成為當前氣體濃度在線檢測技術的重要發展方向和技術主流。

激光穿過被測氣體后，激光透過率τ(ν)可以用Beer-Lambert定律描述：

式中，I_t為有氣體吸收時的吸收信號光強，I₀為無吸收氣體時的背景信號光強，K=PS(T)XL，P為氣體總壓，L為激光吸收光程，X為待測氣體濃度，S(T)為譜線的線強度，為氣體吸收線型函數，其表達式如式(2)，α(υ)為光譜吸收率。

式中，δ_V為譜線線寬，是譜線半高寬的一半；f_L(ξ)和f_G(ξ)分別為福伊特線型中洛倫茲線型和高斯線型的權重系數，定義ξ為線型系數，ξ=(δ_L-δ_G)/(δ_L+δ_G)，δ_L和δ_G分別是洛倫茲線寬和高斯線寬，當ξ=-1時是高斯線型，ξ=1時是洛倫茲線型；由式(2)可知，氣體吸收線型函數是由線寬δ_V及線型系數ξ決定的；權重系數的表達式如式(3)所示：

fL(ξ)=0.68188+0.61293ξ-0.18384ξ2-0.11568ξ3fG(ξ)=0.32460-0.61825ξ+0.17681ξ2+0.12109ξ3---(3)]]>

在TDLAS技術測量氣體參數中，氣體吸收線型函數是重要的參數，例如美國Stanford大學R.K.Hanson課題組基于剩余幅度調制提出的2f/1f免標法是在已知線型函數的基礎上得到的。線型函數主要用于描述吸收譜線的形狀，精確確定該函數是實現在線精確測量的前提。但是實際上線寬和線型系數決定于氣體的溫度、壓力以及組分濃度等參數，而這些參數在實際測量中往往是未知的、變化的或待測量的。同時由于HITRAN等光譜數據中光譜常數的不確定性，要在理論上精確計算氣體吸收線型函數存在著非常大的困難。在實際工業現場中，尤其是在一些惡劣環境下，如氣體溫度、壓力以及組分濃度波動大或無法測量時，分子吸收線型函數不確定性所帶來的測量誤差會很大。

目前TDLAS技術的測量方法主要有直接吸收法和波長調制法。