[發明專利]一種高溫水汽激光光譜在線檢測系統

有效

• 申請號: 201410485951.2
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104280362B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 陳東;賈兆麗;楊友文;王尹秀;劉麗麗
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

1.一種高溫水汽激光光譜在線檢測系統，包括中心波長1397nm的近紅外DFB半導體激光器，激光器控制模塊、信號發生器，還包括1×2光纖分束器、紅外光電探測器、低通濾波放大器、數據采集和處理模塊、液晶顯示屏以及參考吸收池、發射端和反射端，所述發射端和反射端之間為檢測區域，其特征在于：通過所述激光器控制模塊控制近紅外DFB半導體激光器輸出波長λ₀激光，并調諧波長λ₀到水汽的兩條相鄰吸收線1397.750nm和1397.673nm中間附近，采用1×2光纖分束器將該波長λ₀的激光分成光束一和光束二，分別作用于參考吸收池和檢測區域構成參考光路和檢測光路，所述信號發生器產生的100Hz鋸齒波信號疊加在該近紅外DFB半導體激光器上并通過調整該鋸齒波信號幅值上使波長λ₀的激光在參考光路和檢測光路上連續掃描水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收光譜，掃描光譜信號被紅外光電探測器接收并依次傳輸至低通濾波放大器以及數據采集和處理模塊，所述數據采集和處理模塊采用基于雙光路的光譜數字對齊方法、背景信號擬合與光譜歸一化處理以及光譜線強的實時溫度修正方法處理掃描光譜信號最終實現水汽的溫度和濃度的實時監測并在液晶顯示屏上顯示。

2.根據權利要求1所述的一種高溫水汽激光光譜在線檢測系統，其特征在于：所述的數據采集和處理模塊采集和處理掃描光譜信號的過程如下：

(1)、記參考光路的掃描光譜數據為參考吸收光譜序列D_R(n)，記檢測光路的掃描光譜數據為檢測吸收光譜序列D_o(n)；

(2)、進行參考吸收光譜序列D_R(n)和檢測吸收光譜序列D_o(n)的對齊處理：取檢測吸收光譜序列D_o(n)中譜線1397.750nm中心位置作為峰值參考位置n₀；對參考吸收光譜序列D_R(n)和檢測吸收光譜序列D_o(n)進行同步檢測，并對參考吸收光譜序列D_R(n)中譜線1397.750nm峰值尋峰并比較中心位置與參考位置n₀的偏移△n，獲得檢測吸收光譜序列中峰值參考位置n₀發生的偏移數據點數△n，將對應的檢測吸收光譜序列D_o(n)向相反方向進行頻移消除檢測吸收光譜D_o(n)漂移，然后再進行累加平均處理；數據處理過程可以表示為：

DR(n)→ΔnDR(n+Δn)⇒D0(n)→ΔnD0(n-Δn)]]>

(3)、對齊處理過且累加平均后的檢測光譜D_o(n)進行強度歸一化處理：

檢測光譜為疊加在斜坡背景的吸收信號，吸收強度與光強成正比，利用沒有吸收的背景光譜區域數據序列可以擬合光強信息，進行光譜的歸一化處理，背景光譜區域的光強擬合函數B(n)為：

B(n)＝b₀+b₁n+b₂n²

檢測光譜的歸一化通過與背景函數的比值處理實現，歸一化后的檢測光譜數據序列表示為：

D(n)=D0(n)B(n)]]>

為了檢測光譜數據處理的方便，將歸一化處理后的檢測光譜轉化為吸收系數的吸收光譜數據序列如下：

ΔD(n)=1-D0(n)B(n)]]>

轉換后的檢測光譜每一數據點的數值為水汽在該點對應波長處的吸收系數；

(4)、利用檢測光譜進行水汽溫度的反演；

(a)對檢測光譜△D(n)進行光譜譜線線型擬合，獲取吸收譜線線強S(T)：

針對水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收譜線，選定光譜線型函數分別進行兩條譜線線強S(T)的擬合，選定光譜線型為洛倫茲線型，擬合函數關系如下：

ΔD(n)=S(T)πγL[(n-n0)2+γL2]]]>

其中，γ_L為吸收線半寬，n₀是譜線的中心位置數據點；

(b)利用擬合得到水汽1397.750nm和1397.673nm吸收譜線的線強反演水汽溫度；

水汽譜線線強是溫度的函數，利用實驗測量得到的水汽1397.750nm和1397.673nm兩條吸收譜線線強的比值關系可以反演水汽溫度，任一溫度T下的水汽1397.750nm和1397.673nm吸收譜線的譜線強度S₁(T)和S₂(T)與水汽溫度的T的反演關系如下：

R(T)=S1(T)S2(T)=S1(T0)S2(T0)exp[-c2(E1′′-E2′′)(1T-1T0)]]]>

(5)、水汽檢測光譜的溫度修正：

水汽吸收光譜線強是溫度的函數，檢測溫度T下吸收光譜吸收線線強S(T)與參考溫度下的光譜吸收線線強S(T₀)關系為：

S(T)=S(T0)Q(T0)Q(T)exp(-c2E′′/T)exp(-c2E′′/T0)[1-exp(-c2v0/T)][1-exp(-c2v0/T0)]]]>

其中：Q(T)為分子在溫度T下的總內配分函數，T₀為參考溫度(取為300K)，E″為分子躍遷低態能級，ν₀為躍遷頻率，c₂＝hc/k，h是普朗克常量，c是光速，k是玻耳茲曼常量；配分函數Q(T)取為多項式形式：

Q(T)＝a+bT+cT²+dT³

利用水汽分子光譜參數，結合前步驟反演得到的水汽溫度可以將在檢測溫度T下的水汽光譜線強修正到參考溫度T₀下進行水汽濃度反演，消除檢測溫度的變化對水汽測量的影響；本發明采用檢測光譜中較強的1397.750nm線進水汽濃度反演，對其進行光譜溫度修正，用以實時反演水汽濃度；1397.750nm譜線線強的溫度修正關系為：

S1(T0)=S1(T)Q(T)Q(T0)exp(-c2E1′′/T0)exp(-c2E1′′/T)[1-exp(-c2v01/T0)][1-exp(-c2v01/T)]]]>

其中：S₁(T)和S₁(T₀)分別為1397.750nm譜線溫度修正前和修正后的譜線線強，E″₁和ν₀₁分別是1397.750nm譜線的躍遷低態能級和中心頻率；

(6)、利用溫度修正過的1397.750nm光譜線強S₁(T₀)反演檢測水汽的濃度C

水汽濃度的校準是利用儀器預存的校準光譜進行的，校準光譜的獲取是在參考溫度T₀下，通過在檢測光路中插入已知高濃度(C₀)密封水汽標準樣品池獲得，標準樣品池中光路長度為L₀，校準光譜中1397.750nm線的線強用S₀₁(T₀)表示，若檢測光譜的1397.750nm譜線的溫度修正后的線強用S₁(T₀)表示，檢測光路的光程長度為L₁，則檢測光路水汽濃度的C反演關系為：

C=S1(T0)L1S01(T0)L0C0]]>