[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

技術領域

本發明涉及一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，還涉及一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，屬于激光吸收光譜技術領域。

背景技術

可調諧激光吸收光譜技術利用被測氣體中組分的激光吸收特性，可以實現組分濃度、溫度、壓強、速度等參數的在線測量。作為一種光學測量技術，可調諧激光吸收光譜技術具有非接觸式、高靈敏度、高時間分辨率等特點，在大氣環境檢測和燃燒診斷等領域具有廣闊的應用前景。可調諧激光吸收光譜技術主要分為直接吸收光譜技術和波長調制光譜技術兩種方法。

壓強和組分濃度是流場中十分重要的參數，在被測氣體區域，壓強對譜線的福伊特線型展寬存在影響，因此實時準確地測量壓強對氣體濃度的測量十分必要。與點測量的傳統壓強傳感器不同，可調諧激光吸收光譜技術測量結果反映的是整個流場內部的壓強。直接吸收光譜技術通過處理透射光強和入射光強的比值得到氣體吸收系數，從而得到氣體參數信息。該方法技術操作簡單，無需標定，通過福伊特線型擬合得到碰撞展寬，從而得到壓強，但該方法對于基線擬合誤差敏感，容易受低頻噪聲的影響。波長調制光譜技術通過對激光信號進行高頻率調制，經過鎖相濾波后，檢測諧波信號計算得到氣體參數，有效避開了低頻噪聲，能夠顯著提高信噪比，實現更高精度的測量。目前波長調制光譜技術普遍采用四次諧波峰值與二次諧波峰值之比測量壓強，但四次諧波對探測器帶寬需求高，同時鎖相濾波計算量大，不易于硬件實現。且隨著諧波次數的增大，諧波信號的強度逐漸衰減，因此工業場合中四次諧波信號的信噪比較低，無法精確地提取信號峰值，從而降低壓強測量的準確度。壓強不確定度進一步影響二次諧波檢測測量氣體濃度的準確度。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種利用波長調制光譜同時測量氣體壓強和組分濃度的裝置和方法，該測量方法不需要對測量裝置進行壓強和濃度的標定；通過扣除背景處理，消除了干涉條紋和剩余幅度調制的影響；通過峰值比和歸一化處理，消除了顆粒散射、窗口污染等非吸收光強損失的影響，大大提高了測量精度。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的裝置，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。

一種利用波長調制光譜測量氣體壓強和組分濃度的方法，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；