[發明專利]可擴展寬溫度范圍內檢測量程的激光吸收光譜檢測系統的檢測方法

有效

• 申請號: 202010601115.1
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111595818B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 龐濤;孫鵬帥;張志榮;夏滑;吳邊;湯玉泉;楊爽
• 申請（專利權）人: 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: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 張祥騫

本發明涉及一種可擴展寬溫度范圍內檢測量程的激光吸收光譜檢測系統的檢測方法。激光吸收光譜檢測系統包括激光器、吸收池、光電探測器、信號處理單元和控制器。吸收池中設有溫度傳感器。本發明能夠解決吸收光譜檢測系統在高靈敏度的解調算法中不能夠實現較大檢測量程的問題，并結合兩種解調算法的特點實現檢測系統的自標定，解決特殊氣體或環境中無法實現自標定的問題，同時解決了溫度變化幅度較大時傳感器測量準確度的問題，實現了濃度傳感器在工業現場實際應用的需求，對提高激光吸收光譜技術在氣體檢測領域的廣泛應用具有重要意義。

技術領域

本發明涉及氣體檢測技術領域，具體涉及一種可擴展寬溫度范圍內檢測量程的激光吸收光譜檢測系統的檢測方法。

背景技術

激光吸收光譜技術利用氣體分子對光的特定波段具有吸收作用，可實現對氣體的種類、組分濃度等參數進行檢測。其中，采用可調諧二極管激光器作為光源，通過改變激光器輸出電流或溫度來調諧激光器輸出一定波長范圍的激光，使其掃描氣體分子單根或多根完整的吸收線，獲得高分辨率的氣體吸收光譜，對光譜進行分析獲得氣體參數信息。激光吸收光譜技術具有高靈敏度、快速、準確、可實現無源檢測等特點，在環境監測，工業過程檢測，石油化工監測與預警等領域已有較多應用，國內外研究機構和科技類公司也研制出較多商業化的儀器。

目前，激光吸收光譜技術在應用中所用的反演算法包括直接吸收和波長調制兩種算法。直接吸收算法可以固定激光器掃描范圍，通過吸收光譜直接檢測到路徑中氣體吸光度，該方法簡單，直接，無需標定，可檢測量程大，但檢測靈敏度低。波長調制算法，采用微弱信號檢測中的調制技術，能夠很好地抑制低頻噪聲對檢測結果的干擾，提高系統檢測靈敏度，但該技術的線性區域較小，可檢測量程小，且需要用已知濃度氣體對檢測信號進行標定。如圖3所示為兩種檢測技術對吸光度檢測的線型度，波長調制算法在低濃度時有很好的線性度，當吸光度達到一定值A0附近，開始出現非線性效應，已無法對濃度的準確反演，此時，直接吸收方法表現出較好的線性度，可將檢測量程極大地提高。因此，現有的基于激光吸收光譜技術的檢測系統，存在檢測量程和靈敏度相互制約的問題。當量程足夠大時，對于低濃度小吸光度時的信號由于信噪比低，無法準確檢測，不能滿足高靈敏度的檢測。當靈敏度高時，對于濃度大、吸光度大的信號容易達到飽和，限制了高濃度氣體的檢測。此外，傳感器在不同溫度下對濃度測量結果影響較大，由于系統光機部分存在與溫度的弱非線性變化，它是半導體激光器、光學鏡片、光電探測器及電子電路共同影響的結果，無法確定具體來源。同時，現有的基于激光吸收光譜技術的檢測系統，均需要已知濃度的標準氣體進行標定和校準，對于一些氣體和檢測環境是很難通過該方法完成標定的。比如：水蒸氣就沒有標準濃度的標氣；開放式遙測檢測時路徑不能夠完全滿足檢測氣體均勻地分布于光路徑上，也不容易準確標定。

發明內容

為了解決現有技術中激光吸收光譜檢測系統存在的高靈敏度的解調算法中無法實現較大檢測量程、特殊氣體或環境中無法實現自標定以及溫度變化引進測量不準確的問題，本發明提供了一種可擴展寬溫度范圍內檢測量程的激光吸收光譜檢測系統的檢測方法。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

可擴展寬溫度范圍內檢測量程的激光吸收光譜檢測系統的檢測方法，所述激光吸收光譜檢測系統包括激光器、吸收池、光電探測器、信號處理單元和控制器。所述吸收池中設有溫度傳感器，該方法包括以下步驟：

(1)在穩定的溫度驅動下，采用周期為T的掃描調制信號對激光器進行電流驅動，一個周期T包括前半周期T₁和后半周期T₂；在前半周期T₁中，在激光器驅動電流上疊加低頻鋸齒信號，對激光器頻率進行掃描輸出；在后半周期T₂中，在激光器驅動電流上同時疊加低頻鋸齒信號和高頻正弦信號，對激光器頻率進行掃描和調制輸出。

(2)激光器輸出的激光通過吸收池中的待測氣體后，采用光電探測器將該激光信號轉換為電信號，電信號再經信號處理單元進行前置放大處理、A/D轉換成數字信號后輸入至控制器，在控制器中對數字信號進行解調和分析。