[發明專利]一種氣體濃度測量方法及測量裝置

在審

• 申請號: 201911412196.4
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN110907398A
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 賈富強;陳玥;鄧磊
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 天津盈佳知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 12224
• 代理人: 孫寶蕓

本發明公開一種氣體濃度測量方法及測量裝置，該方法通過利用已知濃度氣體進行標定后，先利用固定偏置的正弦波使得激光器產生一定波數的激光，通過待測氣體后，對采集信號然后進行FFT變換，得到對應變換后的第二項，即二次諧波的幅值，然后通過改變偏置的大小，進而得到不同偏置下的二次諧波的幅值，繪制偏置與二次諧波幅值的關系曲線，然后根據曲線的幅值反演得到待測氣體濃度的大小，其中使用數據采集卡采集信號，然后可以通過LabVIEW對采集到的信號進行處理并得到待測氣體的濃度，在保證實驗結果的同時，減少實驗器材成本，減小實驗裝置體積。

技術領域

本發明涉及安全測試技術領域，涉及氣體測量方法及設備，具體涉及一種氣體濃度測量方法和測量裝置。

背景技術

近年來，隨著光譜學與激光器技術的迅速發展，可調諧半導體激光器吸收光譜技術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)等激光光譜技術應用于各種氣體濃度檢測領域，采用TDLAS檢測具有很多優勢，如高穩定性，選擇性好，使用壽命長等。采用波長調制的技術應用于TDLAS，可以用于檢測低濃度的氣體，通過提取二次諧波的幅值與濃度之間成正比的關系得到未知氣體的濃度，且由于探測精度高而被廣泛應用。基于可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)屬于光譜測量的一種，采用可調諧半導體激光器作為探測光源，利用比爾-朗伯定律和波長調制技術，通過檢測二次諧波的幅值變化得到精度高的濃度檢測限，通過固定偏置的方法找到激光器輸出波長逼近氣體吸收峰對應波長。其信號源的數量減少，去除了加法器的使用，降低光路中由于加法器導致的噪聲，適用于各種在線氣體檢測的場合，實現污染物排放濃度的高精度在線測量，以及工作環境的安全問題，有害氣體濃度范圍報警裝置，可有效解決現有測量方法及儀器無法實現在線測量的問題。但是，現有的基于TDLAS的波長調制測量微量氣體濃度裝置中多采用鎖相放大器來實現二次諧波的幅值，導致存在如下問題，首先，鎖相放大器的價格比較高，其次，鎖相放大器的體積較大，不符合便攜式測量工具的實際要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氣體濃度測量方法和測量裝置，解決現有技術中所存在的價格高、體積大，不符合便攜式測量工具的實際要求的問題。

為實現上述目的，本發明一方面提供一種氣體濃度測量方法，包括以下步驟，

第一步，利用已知濃度的待測氣體進行標定，得到固定偏置下，FFT后的二次諧波幅值-氣體濃度之間的關系曲線，作為求取未知濃度的參考基線；

第二步，控制激光器，使所述激光器產生預設波數范圍的激光；

第三步，將激光器的出射光通過含有待測氣體的氣體吸收池，然后通過激光探測器進行探測；

第四步，采集激光器的所述出射光通過含有待測氣體的氣體吸收池時所述激光探測器的輸出信號，并通過式(1)計算得到所述待測氣體的濃度，

I_out＝I_in(v)exp[-α(v)cL] (1)

式(1)中，I_in(ν)為原始光強，即未經過氣體介質吸收時激光的光強，I_out為出射光強，即介質處理后激光的光強，c為待測氣體的濃度，L為激光經過待測氣體的有效長度，α(ν)為待測氣體的吸收線型，α(ν)的表達式如式(2)：

式(2)中，α₀為氣體吸收系數，γ為氣體吸收線型的半線寬；當激光器輸出激光的中心頻率等于氣體吸收線型的中心頻率時，氣體吸收線型如式(3)：