[發明專利]一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置和方法

有效

• 申請號: 201710211548.4
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN107063553B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 周賓;汪步斌;程禾堯
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01N21/31
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李倩

1.一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，其特征在于：依次包括函數發生器、溫度電流控制器、分布反饋式激光器和激光分束器；函數發生器編譯的波形函數經溫度電流控制器調控后，再用分布反饋式激光器對出光進行波長調制，調制后的激光通過激光分束器，一路經準直透鏡準直后通過測量區域得到吸收信號通過光電探測器傳入信號采集系統中；一路先采用準直透鏡準直，再經對應波長標準具來確定出光頻率和時間的關系，透射光強穿過光電探測器接入信號采集系統進行儲存與算法處理；測量區域通過球形閥分別連接真空泵和壓強表，真空泵用來調節測量區域的氣體壓強，壓強表用來測量測量區域的氣體壓強。

2.一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

步驟1，通過現場測量得到零吸收背景信號I₀和透射光強信號I_t，使用鎖相放大和數字低通濾波器處理I₀、I_t信號，得到測量信號的各次諧波信號；設置n的初始值為0，同時給出待測氣體壓力和濃度的初始值分別為P₀、X₀，并設定收斂閾值ε；

步驟2，計算I_t對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為R^M；計算I_t對應的一次諧波歸一化二次諧波信號，記為提取的中心峰值，記為K^M；

步驟3，結合組分濃度X_n、I₀和Beer-Lambert定律，仿真不同壓力P下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的扣除背景的二次諧波信號，記為提取的的三個峰值，計算出兩側峰值之和與中心峰值的比值，記為R^P，得到壓力P與R^P的關系曲線P-R^P曲線；

步驟4，將R^M帶入步驟3中的P-R^P曲線，使用插值的方法計算得到P_n+1；

步驟5，結合壓力P_n+1、I₀和Beer-Lambert定律，仿真不同濃度X下的透射光強對進行參數相同的鎖相放大和數字濾波處理，計算對應的一次諧波歸一化的二次諧波信號，記為提取的的中心峰值，記為K^X，得到濃度X與K^X的關系曲線X-K^X曲線；

步驟6，將K^M帶入步驟5中的X-K^X曲線，使用插值的方法計算得到X_n+1；

步驟7，判斷是否滿足：

|X_n+1-X_n|/X_n＜ε；

若滿足，則迭代終止，將P_n+1、X_n+1作為待測氣體的壓強和組分濃度輸出；若不滿足，則令n＝n+1，返回步驟3，重復步驟3～步驟7，直至滿足終止準則。

3.根據權利要求2所述的利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，其特征在于：步驟1中，透射光強信號I_t表示為：

I_t＝I₀(exp(-PXLS(T)φ(v(t)，T)))；

其中，I₀為入射光強度，I_t為透射光強度，P為壓力，X為氣體吸收組分的摩爾分數，L為光束穿過探測區域的光程，S(T)為譜線強度，是溫度T的函數，φ為線型函數，v為激光頻率。