[發明專利]一種檢測煙道中氨氣濃度的激光原位檢測系統

有效

• 申請號: 201810742785.8
• 申請日: 2018-07-09
• 公開（公告）號: CN108982411B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 賈巍;何瑩;張玉鈞;劉建國;劉文清;葉英杰;黃雅琴;張潤梅;丁琨;雷經發;張濤
• 申請（專利權）人: 安徽建筑大學;中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 廣州市天河廬陽專利事務所(普通合伙) 44244
• 代理人: 胡濟元

1.一種檢測煙道中氨氣濃度的激光原位檢測系統，該檢測系統包括溫壓一體傳感器、可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置和相對安裝在煙道的左右兩側的發射光學探頭與接收光學探頭，其中所述的可調諧半導體激光吸收光譜檢測裝置包括半導體激光器、激光器控制器、掃描信號電路、分束器、標準吸收池、第二探測器、變形鏡控制單元、比較放大電路和數據采集處理器；其特征在于，

所述的接收光學探頭包括具有窗口鏡的圓柱形的保護筒，該保護筒內相對設有傾斜安裝的反射式變形鏡、支承該反射式變形鏡的支座和第一探測器；其中，所述窗口鏡的中心線經過所述反射式變形鏡的反射鏡面中心；所述的第一探測器由三維調整架支承在所述保護筒的側壁上，且其接收面的垂直中心線也經過所述反射式變形鏡的反射鏡面的中心；

所述掃描信號電路產生的掃描信號接入激光器控制器，控制半導體激光器輸出中心波長為氨氣紅外吸收波長的激光，該激光由分束器分成檢測光和參考光；其中，所述的檢測光射入發射光學探頭準直后經過煙道到達接收光學探頭內，再由接收光學探頭內的反射式變形鏡反射至第一探測器轉換成電信號送入比較放大電路的正向輸入端；所述的參考光經標準吸收池后由第二探測器轉換成電信號送入比較放大電路的反向輸入端；

所述的檢測光和參考光所轉換成電信號經比較放大電路比較放大后輸出光譜信號接入所述變形鏡控制單元，該變形鏡控制單元將所接收的光譜信號采用隨機并行梯度下降法進行計算，得到目標函數最優解和該最優解所對應的驅動電壓；其中，所述的最優解送入數據采集處理器進行濃度反演，計算出煙道中氨氣的濃度；所述的驅動電壓送至所述反射式變形鏡的壓電致動器，控制反射式變形鏡的鏡面形狀；其中所述的隨機并行梯度下降法包括以下步驟：

(1)啟動所述的激光原位檢測系統后，所述的變形鏡控制單元建立如下式(Ⅰ)所示的光譜信號強度的目標函數y_tx和如下式(Ⅱ)迭代運算表達式：

y_tx＝f(v)＝f[(v₁,v₂,v₃,......,v_m)] (Ⅰ)

vⁿ＝kⁿΔvⁿΔy_txⁿ (Ⅱ)

上式(Ⅰ)中，m為反射式變形鏡的壓電致動器的序號，v＝(v₁,v₂,v₃,.....,v_m)，v₁～v_m分別為反射式變形鏡的相應壓電致動器的驅動電壓；

上式(Ⅱ)中，n為迭代次數，vⁿ＝(v₁ⁿ,v₂ⁿ,v₃ⁿ,......,v_mⁿ)，Δvⁿ為所述壓電致動器驅動電壓的隨機擾動變量，Δy_txⁿ為比較放大電路所輸出的光譜信號強度的隨機擾動變量，kⁿ為放大倍數并由下式(Ⅲ)計算得到：

kⁿ＝qk^n-1 (Ⅲ)

上式(Ⅲ)中，q＝0.93；

(2)所述的變形鏡控制單元接收到比較放大電路輸出的光譜信號后，按以下步驟對上式(Ⅱ)進行迭代運算：

(2.1)當n＝1時，設置：kⁿ＝1.2，Δvⁿ＝0.5V，Δy_txⁿ＝1000mV，按公式(Ⅱ)計算vⁿ并輸出，得到本次迭代的光譜信號強度y_txⁿ，完成第一次迭代；

(2.2)當n≥2時，每一步都先對上一步比較放大電路輸出的光譜信號的強度變化趨勢進行如下判斷：

如果前一次迭代的光譜信號強度隨機擾動變量Δy_tx^n-1＜0，則令Δvⁿ＝-0.5V，并按公式(Ⅱ)計算vⁿ并輸出，得到本次迭代的光譜信號強度y_txⁿ，然后進入下一步迭代運算；

如果前一次迭代的光譜信號強度隨機擾動變量Δy_tx^n-1≥0，先按公式(Ⅲ)計算kⁿ值，再按公式(Ⅱ)計算出vⁿ并輸出，得到本次迭代的光譜信號強度y_txⁿ，然后進入下一步迭代運算；

(2.3)按步驟(2.2)逐步進行迭代運算至預設的迭代次數后，選擇目標函數y_tx的最大值作最優解送入數據采集處理器，同時將該最優解所對應的驅動電壓送至所述反射式變形鏡相應的壓電致動器，完成第一個迭代循環；

(3)循環執行步驟(2.2)和(2.3)，直至所述的激光原位檢測系統關閉。