[發(fā)明專利]一種高溫水汽激光光譜在線檢測系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410485951.2
• 申請(qǐng)日: 2014-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN104280362B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳東;賈兆麗;楊友文;王尹秀;劉麗麗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/39
• 分類號(hào): G01N21/39
• 代理公司: 安徽合肥華信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于一種激光氣體在線檢測方法與儀器，具體是一種針對(duì)工業(yè)過程高溫微量水汽的紅外半導(dǎo)體激光光譜測量方法與儀器。

背景技術(shù)

水汽是工業(yè)過程一種常見的與燃燒過程相聯(lián)系的氣體，水汽濃度也是工業(yè)過程優(yōu)化、工藝流程控制，以及產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要參數(shù)，針對(duì)工業(yè)過程高溫水汽的精確測量在工業(yè)領(lǐng)域有著重要意義和廣泛應(yīng)用需求。傳統(tǒng)水汽測量方法主要有電解法、阻容法、冷鏡法等三種類型，基于這些方法的水汽測量儀器在常規(guī)環(huán)境中得到很好應(yīng)用，但工業(yè)過程具有高溫、高粉塵、腐蝕性等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)水汽測量儀器在測量精度、使用壽命和環(huán)境適應(yīng)性方面與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用需求尚存在一定差距，難以滿足工業(yè)過程復(fù)雜環(huán)境下微量水汽在線連續(xù)監(jiān)測的要求。近些年來，隨著紅外和激光技術(shù)的快速發(fā)展，基于氣體紅外吸收的光譜檢測技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)境及工業(yè)過程痕量氣體有效檢測手段，特別是使用光通訊半導(dǎo)體激光器作為光源的紅外半導(dǎo)體激光光譜檢測技術(shù)，其具有的非接觸、高靈敏、高分辨特點(diǎn)，使其在工業(yè)過程氣體在線檢測領(lǐng)域具有極大的吸引力。由于水汽分子在近紅外光譜區(qū)有著典型的強(qiáng)吸收特征，可以實(shí)現(xiàn)水汽濃度的高靈敏、高分辨在線檢測。因此，基于紅外半導(dǎo)體激光光譜法的水汽檢測方法與儀器在工業(yè)過程高溫水汽檢測領(lǐng)域有著顯著應(yīng)用前景。

紅外半導(dǎo)體激光光譜檢測技術(shù)是基于氣體分子對(duì)紅外光譜的指紋吸收特性，利用目標(biāo)氣體分子的特征光譜吸收實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的定性和定量檢測。在對(duì)痕量氣體檢測中，紅外半導(dǎo)體激光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低于ppm級(jí)的氣體測量靈敏度。但紅外激光光譜氣體檢測技術(shù)還會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響，針對(duì)工業(yè)過程復(fù)雜環(huán)境的水汽紅外半導(dǎo)體激光光譜檢測方法在消除環(huán)境干擾方面有待進(jìn)一步提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種針對(duì)工業(yè)過程高溫水汽的紅外半導(dǎo)體激光光譜在線檢測方法和系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)過程中高溫水汽的溫度和濃度的自動(dòng)同時(shí)監(jiān)測測量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高溫水汽激光光譜在線檢測系統(tǒng)，包括中心波長1397nm的近紅外DFB半導(dǎo)體激光器，激光器控制模塊、信號(hào)發(fā)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(shù)據(jù)采集和處理模塊、液晶顯示屏以及參考吸收池、發(fā)射端和反射端，所述發(fā)射端和反射端之間為檢測區(qū)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(dǎo)體激光器輸出波長λ₀激光，并調(diào)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(qū)域構(gòu)成參考光路和檢測光路，所述信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的100Hz鋸齒波信號(hào)疊加在該近紅外DFB半導(dǎo)體激光器上并通過調(diào)整該鋸齒波信號(hào)幅值上使波長λ₀的激光在參考光路和檢測光路上連續(xù)掃描水汽的1397.750nm和1397.673nm吸收光譜，掃描光譜信號(hào)被紅外光電探測器接收并傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理模塊，所述數(shù)據(jù)采集和處理模塊采用基于雙光路的光譜數(shù)字對(duì)齊方法、背景信號(hào)擬合與光譜歸一化處理以及光譜線強(qiáng)的實(shí)時(shí)溫度修正方法處理掃描光譜信號(hào)最終實(shí)現(xiàn)水汽的溫度和濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測并在液晶顯示屏上顯示。

所述的數(shù)據(jù)采集和處理模塊采集和處理掃描光譜信號(hào)的過程如下：

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

(2)、進(jìn)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(duì)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(duì)參考吸收光譜序列D_R(n)和檢測吸收光譜序列D_o(n)進(jìn)行同步檢測，并對(duì)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(fā)生的偏移數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)△n，將對(duì)應(yīng)的檢測吸收光譜序列D_o(n)向相反方向進(jìn)行頻移消除檢測吸收光譜D_o(n)漂移，然后再進(jìn)行累加平均處理；數(shù)據(jù)處理過程可以表示為：