基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量【技術(shù)領(lǐng)域】，為提供一種提高可調(diào)諧激光吸收光譜檢測精度的方法和裝置，可以在不增加系統(tǒng)硬件開銷的情況下，完整的采集、記錄譜線的全部信息，從而提高TDLAS系統(tǒng)的測量精度，并適合于氣體濃度、壓力、溫度及流速在線（及原位）或離線檢測或監(jiān)測應用。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，步驟是：檢測氣體對激光的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內(nèi)的氣體的參數(shù)進行測量，其中，在激光激發(fā)階段施加某種變換，在檢測氣體對激光的吸收譜線階段施加相應的逆變換。本發(fā)明主要應用于氣體檢測。
【專利說明】基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及可調(diào)諧二極管激光吸收光譜分析的方法和裝置，特別是用于痕量氣體檢測的可調(diào)諧二極管激光器的調(diào)制方法和裝置，本發(fā)明可以用于氣體濃度、溫度、壓力或流速的高精度測量，具體講，涉及基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧二極管激光吸收光譜分析(Tunable diode laser absorptionspectroscopy, TDLAS)是一種高靈敏度、高分辨率和快速響應的氣體檢測技術(shù)，廣泛用于工業(yè)流程中的氣體監(jiān)控、環(huán)境大氣檢測以及科學研究等領(lǐng)域。它利用二極管激光器的波長調(diào)諧特性，即通過改變二極管激光器的溫度或注入電流，改變激光器的輸出波長。在波長調(diào)諧范圍內(nèi)，檢測待測氣體的特征吸收光譜，在氣體吸收光譜的線形(spectral line profile)中包含有與氣體濃度、壓力、溫度、流速等相關(guān)的信息，通過對吸收光譜的線形分析，可以在線測量氣體的濃度、溫度、壓力或流速。
[0003]對于高濃度或吸收系數(shù)較大的氣體，通常采用直接吸收光譜檢測方法。直接吸收光譜是檢測通過被測氣體后光強度隨波長的變化，通過對吸收信號的強度分析，由朗伯-比爾(Beer-Lambert)定律計算被測氣體的濃度。這種測量方法受光源的光強波動、檢測器和放大器噪聲、外界干擾等影響，其測量誤差較大、靈敏度和精度較低。
[0004]為了提高檢測靈敏度，通常采用波長調(diào)制光譜(Wavelength modulationspectroscopy, WMS)技術(shù)。WMS技術(shù)對激光做波長掃描和高頻調(diào)制，經(jīng)氣體吸收后的激光由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，利用相敏檢測(通常使用鎖相放大器)技術(shù)檢測氣體吸收光譜的高頻調(diào)制諧波信號。WMS可以抑制激光強度起伏、系統(tǒng)Ι/f噪聲、漂移等各種噪聲的影響，極大地提高了信號的信噪比，檢測靈敏度比直接吸收光譜分析技術(shù)高兩個數(shù)量級以上。
[0005]通常，在激光吸收光譜分析中技術(shù)中采用鋸齒波對激光波長做線性掃描，這種線性掃描過程中將吸收光譜線形直接傳遞到檢測器，在不同的溫度和壓力條件下，氣體吸收光譜的線形呈現(xiàn)為高斯線形(Gaussian profile)、洛侖茲線形(Lorentzian profile)或福伊特線形(Voigt profile)，要采集完整的線形信息，一方面需要足夠多的采樣點數(shù)，即AD轉(zhuǎn)換器采樣率和數(shù)據(jù)存儲器要足夠大，這與處理器的速度、運算能力及成本有較大關(guān)系，另一方面也需要抑制信號傳遞通道的寄生幅度干擾、非線性、相位噪聲等對譜線線形的干擾。目前采用鋸齒波的線性波長掃描技術(shù)中，由于受AD采樣率以及數(shù)據(jù)處理速度的限制，對氣體吸收譜線大多是欠采樣。這影響了光譜信息的準確采集和處理，尤其是存在噪聲和干擾時，對測量精度的影響很大。
[0006]德國慕尼黑工業(yè)大學的J.Chen等人提出一種非線性波長掃描方法，通過使在吸收光譜峰值附近的波長掃描速率為零，以增加對吸收譜峰值的采樣點數(shù)，并通過數(shù)據(jù)擬合提高光譜分析的靈敏度。這種方法理論上可以將測量簡化、優(yōu)化，但是，它需要準確獲取并保持吸收光譜的峰值相對位置，任何小的溫度或注入電流擾動(噪聲)都可能將產(chǎn)生較大的影響，這在實踐中實現(xiàn)的技術(shù)要求高，另外，這種檢測方法只記錄了氣體吸收譜線的線強信息，而丟棄了吸收光譜中的線形信息，只能用于氣體濃度的測量，并需要對溫度和壓力進行補償。不能用于氣體溫度、壓力及流速的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在解決克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高可調(diào)諧激光吸收光譜檢測精度的方法和裝置?；诒景l(fā)明的方法和裝置，可以在不增加系統(tǒng)硬件開銷的情況下，完整的采集、記錄譜線的全部信息，從而提高TDLAS系統(tǒng)的測量精度，并適合于氣體濃度、壓力、溫度及流速在線(及原位)或離線檢測或監(jiān)測應用。 [0008]為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，步驟是:檢測氣體對激光的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內(nèi)的氣體的參數(shù)進行測量，其中，在激光激發(fā)階段施加某種變換，在檢測氣體對激光的吸收譜線階段施加相應的逆變換。
[0009]施加某種變換采用的變換函數(shù)包括但不限于高斯函數(shù)、洛侖茲函數(shù)、正弦或余弦函數(shù)、鐘形函數(shù)中的一種，所施加變換函數(shù)的特征參數(shù)與氣體吸收譜線參數(shù)、激光器的調(diào)制特性以及激光驅(qū)動器的傳輸特性參數(shù)相關(guān)。
[0010]所述傳輸特性參數(shù)相關(guān)具體為:所施加變換函數(shù)的幅值a、中心位置b、和寬度c特征參數(shù)與氣體吸收譜線中心位置λ。、線寬Ym參數(shù)、鋸齒波周期Τ、幅度AVm參數(shù)以及包括激光驅(qū)動器的電壓-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)α、二極管激光器的電流調(diào)諧速率β的激光器的調(diào)制特性相關(guān)，具體如下:
[0011]波形幅值a與施加的調(diào)制鋸齒波斜率相關(guān)，取為:
AV
[0012]a<^-(I)
T
[0013]其中，T是鋸齒波周期，單位:ms，Λ Vni是鋸齒波的幅度，單位:V ；
[0014]中心位置b取值為:
[0015]b= λ c(t) =kT(2)
[0016]其中，Xc(t)為譜線的中心位置出現(xiàn)的時刻，k為常數(shù)系數(shù)且k〈l,k取0.5~0.8 ;
[0017]寬度c與待測氣體譜線寬度FWHM，Y m，單位:nm、激光波長調(diào)諧范圍Λ vm,單位:nm和鋸齒波的周期T有關(guān):
[0018]C = k^--T(3)
[0019]其中，Ic1為經(jīng)驗系數(shù)，取值范圍為1.1~3，激光波長調(diào)諧范圍Avm與鋸齒波幅度關(guān)系為
[0020]Δ V m= α.β.Vm(4)
[0021]α是激光驅(qū)動器的電壓-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位:mA/V ； β是二極管激光器的電流調(diào)諧速率，單位:nm/mA。
[0022]在激光激發(fā)階段施加的變換，是通過在激光器注入電流中疊加特定函數(shù)的調(diào)制信號實現(xiàn)的；在光譜數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，對采集的光譜數(shù)據(jù)序列做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數(shù)據(jù)序列。[0023]在激光激發(fā)階段施加的變換，是通過在激光器注入電流中疊加特定函數(shù)的調(diào)制信號實現(xiàn)的，變換函數(shù)記做G(t)，疊加到注入電流中的信號Q(t)為，[0024]Q(t)= / G(t)dt (5)[0025]在吸收譜線光譜數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，對采集的光譜數(shù)據(jù)序列Di (t)做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數(shù)據(jù)序列& ( λ )，具體為:[0026]Dj ( λ ) =Di (t)(6)[0027]λ」=λ 0+(i AVmf-G(t)) α β (7)[0028]i = 0，1，2，....，INT (S/f) -1[0029]式中，INTO為取整運算，S為數(shù)據(jù)的采樣率，λ ^為鋸齒波最小值對應的為激光輸出波長，DJt)為經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到的光譜數(shù)據(jù)序列，即等時間間隔的數(shù)據(jù)序列；i為一個鋸齒波周期內(nèi)的采樣點序號，Dj(A)為變換后的數(shù)據(jù)序列，即按照波長間隔的光譜數(shù)據(jù)序，f為鋸齒波的頻率，Λ Vni為鋸齒波的幅度，α是激光驅(qū)動器的電壓-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位:mA/V ；β是二極管激光器的電流調(diào)諧速率，單位:nm/mA ;變換后的光譜數(shù)據(jù)序列即為不失真的光譜數(shù)據(jù)，按照公知的方法對光譜線形分析，得到被測氣體包括濃度、壓力、溫度的參量。[0030]一種基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的裝置，包括:激光器驅(qū)動器、二極管激光器、信號發(fā)生器、光電探測器、前置放大器、鎖相放大器、AD轉(zhuǎn)換器、計算機或嵌入式處理器、光準直透鏡、氣體池，激光器驅(qū)動器驅(qū)動二極管激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過氣體池及設置在氣體池兩端的光準直透鏡投射到光電探測器，光電探測器的輸出信號經(jīng)前置放大器、鎖相放大器、AD轉(zhuǎn)換器輸出到計算機或嵌入式處理器，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定函數(shù)的調(diào)制信號疊加到二極管激光器的注入電流中，鎖相放大器還輸出反饋信號到信號發(fā)生器。[0031]其信號發(fā)生器是基于數(shù)字存儲方式，由可編程邏輯器件構(gòu)成的電路或模塊，其輸出信號包括幅度調(diào)制信號、解調(diào)信號和同步信號。[0032]調(diào)制信號通過激光器驅(qū)動器控制二極管激光器的注入電流，實現(xiàn)對激光波長的掃描和/或高頻調(diào)制，激光經(jīng)氣體吸收被光電檢測器接收及鎖相放大器解調(diào)，再由計算機對數(shù)據(jù)做進一步處理。[0033]信號發(fā)生器包括微控制器、程序存儲器、邏輯電路、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲器、調(diào)制信號輸出接口、同步解調(diào)信號輸出接口，微控制器按照程序存儲器中的程序運行而產(chǎn)生調(diào)制信號數(shù)據(jù)并寫入到數(shù)據(jù)存儲器，微控制器控制邏輯電路產(chǎn)生同步解調(diào)信號輸出到同步解調(diào)信號輸出接口，邏輯電路還根據(jù)數(shù)據(jù)存儲器中的調(diào)制信號數(shù)據(jù)通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生調(diào)制信號輸出到調(diào)制信號輸出接口，調(diào)制信號由鋸齒波、正弦波和變換函數(shù)信號疊加而成，同步信號為與鋸齒波同步的脈沖信號。[0034]本發(fā)明的技術(shù)特點及效果:[0035]可以避免現(xiàn)有方法中丟失光譜信息，實現(xiàn)光譜信息的無失真?zhèn)鬟f和檢測，從而提高光譜反演的精度，并提高光譜分析的靈敏度。[0036]本發(fā)明的施加時間坐標變換的可調(diào)諧激光吸收光譜分析方法，可以應用于直接吸收光譜分析方法，也可以應用于激光調(diào)制吸收光譜分析方法。
【專利附圖】

【附圖說明】[0037]圖1是應用本發(fā)明方法和裝置進行氣體檢測的TDLAS系統(tǒng)框圖(實施例1)[0038]I激光器驅(qū)動器
[0039]2 二極管激光器
[0040]3信號發(fā)生器
[0041]4光電探測器
[0042]5前置放大器
[0043]6鎖相放大器
[0044]7AD轉(zhuǎn)換器
[0045]8計算機(嵌入式處理器)
[0046]9、10光準直透鏡
[0047]11氣體池。
[0048]圖2調(diào)制信號產(chǎn)生電路框圖
[0049]21微控制器
[0050]22程序存儲器
[0051]23邏輯電路
[0052]24數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路
[0053]25數(shù)據(jù)存儲器
[0054]26調(diào)制信號輸出接口
[0055]27同步解調(diào)信號輸出接口。
[0056]圖3是實施例1的激光調(diào)制信號
[0057]①鋸齒波信號
[0058]②高頻正弦信號
[0059]③積分高斯信號
[0060]④疊加變換后的調(diào)制信號。
[0061]圖4是應用本發(fā)明方法和裝置進行氣體檢測的TDLAS系統(tǒng)框圖(實施例2)
[0062]I激光器驅(qū)動器
[0063]2 二極管激光器
[0064]3信號發(fā)生器
[0065]4光電探測器
[0066]5前置放大器
[0067]7AD轉(zhuǎn)換器
[0068]8計算機(嵌入式處理器)
[0069]9、10光準直透鏡。
[0070]圖5是實施例2的激光調(diào)制信號
[0071]⑤是鋸齒波信號
[0072]⑥是積分余弦信號
[0073]⑦是疊加變換后的調(diào)制信號。
【具體實施方式】
[0074]本發(fā)明是一種基于坐標變換提高可調(diào)諧激光光譜分析靈敏度的方法和裝置，通過在激光激發(fā)階段施加某種變換，在信號檢測處理階段施加相應的逆變換，以保證光譜數(shù)據(jù)的完備性、提高數(shù)據(jù)采集和處理效率，變換函數(shù)的特征參數(shù)根據(jù)氣體吸收譜線參數(shù)、激光器的調(diào)制特性以及激光驅(qū)動器的傳輸特性參數(shù)設定。本發(fā)明主要用于痕量氣體吸收譜線的分析、檢測，可以用于氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量。
[0075]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0076]一種對可調(diào)諧激光吸收光譜分析施加坐標變換的方法，即在激光的激發(fā)階段施加某種變換，而在信號的檢測處理階段施加相應的逆變換，所施加變換的作用是保證光譜數(shù)據(jù)的記錄完備性、提高數(shù)據(jù)采集和處理的效率、提高測量精度或其它好處。
[0077]所施加的變換函數(shù)可以是任意有利于光譜數(shù)據(jù)采集、記錄和/或便于運算的函數(shù)，比如，高斯函數(shù)、洛侖茲函數(shù)、正弦或余弦函數(shù)、鐘形函數(shù)(bell shaped curve)等。所施加變換函數(shù)的特征參數(shù)(幅值a、中心位置b、和寬度c)與氣體吸收譜線參數(shù)(中心位置λ。、線寬Ym)、鋸齒波參數(shù)(周期Τ、幅度AVm)以及激光器的調(diào)制特性(激光驅(qū)動器的電壓-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)α、二極管激光器的電流調(diào)諧速率β )等相關(guān)。具體如下:
[0078]波形幅值a與施加的調(diào)制鋸齒波斜率相關(guān)，通常情況下可以取為:
[0079]
【權(quán)利要求】
1.一種基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，步驟是:利用非線性調(diào)諧方法對激光器的發(fā)射波長進行掃描，檢測氣體對激光的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內(nèi)的氣體的參數(shù)進行測量，其特征是，激光掃描階段施加某種非線性變換，在檢測氣體對激光的吸收譜線階段施加相應的逆變換。
2.如權(quán)利要求1所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，其特征是，施加某種變換采用的變換函數(shù)包括但不限于高斯函數(shù)、洛侖茲函數(shù)、正弦或余弦函數(shù)、鐘形函數(shù)中的一種，所施加變換函數(shù)的特征參數(shù)與氣體吸收譜線參數(shù)、激光器的調(diào)制特性以及激光驅(qū)動器的傳輸特性參數(shù)相關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，其特征是，所述傳輸特性參數(shù)相關(guān)具體為:所施加變換函數(shù)的幅值a、中心位置b、和寬度c特征參數(shù)與氣體吸收譜線中心位置λ。、線寬Ym參數(shù)、鋸齒波周期Τ、幅度AVmS數(shù)以及包括激光驅(qū)動器的電壓-電流轉(zhuǎn)換系數(shù)α、二極管激光器的電流調(diào)諧速率β的激光器的調(diào)制特性相關(guān)，具體如下: 波形幅值a與施加的調(diào)制鋸齒波斜率相關(guān),取為:
4.如權(quán)利要求1所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，其特征是，在激光激發(fā)階段施加的變換，是通過在激光器注入電流中疊加特定函數(shù)的調(diào)制信號實現(xiàn)的；在光譜數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，對采集的光譜數(shù)據(jù)序列做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數(shù)據(jù)序列。
5.如權(quán)利要求1所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的方法，其特征是，在激光激發(fā)階段施加的變換，是通過在激光器注入電流中疊加特定函數(shù)的調(diào)制信號實現(xiàn)的，變換函數(shù)記做G⑴，疊加到注入電流中的信號Q (t)為，
6.一種基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的裝置，其特征是，包括:激光器驅(qū)動器、二極管激光器、信號發(fā)生器、光電探測器、前置放大器、鎖相放大器、AD轉(zhuǎn)換器、計算機或嵌入式處理器、光準直透鏡、氣體池，激光器驅(qū)動器驅(qū)動二極管激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過氣體池及設置在氣體池兩端的光準直透鏡投射到光電探測器，光電探測器的輸出信號經(jīng)前置放大器、鎖相放大器、AD轉(zhuǎn)換器輸出到計算機或嵌入式處理器，信號發(fā)生器用于產(chǎn)生特定函數(shù)的調(diào)制信號疊加到二極管激光器的注入電流中，鎖相放大器還輸出反饋信號到信號發(fā)生器。
7.如權(quán)利要求5所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的裝置，其特征是，信號發(fā)生器是基于數(shù)字存儲方式，由可編程邏輯器件構(gòu)成的電路或模塊，其輸出信號包括調(diào)制信號、解調(diào)信號和同步信號輸出。
8.如權(quán)利要求5所述的基于非線性調(diào)諧提高激光氣體分析靈敏度的裝置，其特征是，信號發(fā)生器包括微控制器、程序存儲器、邏輯電路、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲器、調(diào)制信號輸出接口、同步解調(diào)信號輸出接口，微控制器按照程序存儲器中的程序運行而產(chǎn)生調(diào)制信號數(shù)據(jù)并寫入到 數(shù)據(jù)存儲器，微控制器控制邏輯電路產(chǎn)生同步解調(diào)信號輸出到同步解調(diào)信號輸出接口，邏輯電路還根據(jù)數(shù)據(jù)存儲器中的調(diào)制信號數(shù)據(jù)通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生調(diào)制信號輸出到調(diào)制信號輸出接口，調(diào)制信號由鋸齒波、正弦波和變換函數(shù)信號疊加而成，同步信號為與鋸齒波同步的脈沖信號。
【文檔編號】G01N21/39GK103604774SQ201310660930
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】杜振輝, 李金義, 劉翰蔚 申請人:天津大學