专利名称：测量气体浓度的方法和系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及工业工程控制和气体参数分析领域，更具体的说，涉及一种测量气体 浓度的方法和系统。
背景技术：
在工业工程控制过程中，排放气体的参数分析是其中的一个重要环节，在垃圾焚 烧、火力发电的燃烧控制、石化、冶金和水泥的生产等领域，排放气体的参数测量更是优化 生产和降低能耗的关键技术。传统的测量方法需要从工作环境中抽出一部分气体，利用物 理和化学方法，对气体进行净化、提纯和分析，过程复杂、测量成本高且实时性不好。半导体 激光吸收光谱技术是一种新兴的气体浓度测量方法，由于其具有灵敏度高、选择性好和响 应时间快等优点，被广泛用于环境检测、大气科学和痕量气体分析等领域，是工业工程痕量 气体分析领域的一种最有前途的技术。可调谐激光二极管吸收光谱技术 TDLAS (tunable diode-laser absorption spectroscopy)是半导体激光吸收光谱技术中常用的一种，其基本原理是气体因受激而吸 收能量。一束激光穿过被测气体，当激光器的频率和被测气体某个吸收谱线中心频率相同 时，气体分子或原子会吸收光子而跃迁到高能级，表现出来就是激光能量的衰减。TDLAS的 基本原理符合由Beer-Lambert定律，当激光光源发出一定频率ν的单频光穿透一定浓度的 待测气体时，有如下关系式Iv = IVj0exp [-S ⑴ g(w‘ 0)PpL]其中，Ivitl和Iv分别表示频率为ν的激光通过吸收气体前后的光强，单位mW ； S(T)表示气体吸收谱线在温度T时的谱线的线强度，它表示该谱线的吸收强度，单位为 cm-moFSg^-v' 0)是气体该吸收谱线的线型函数，它表示被测吸收谱线的形状，与温度、 压强和气体的种类及其中的各成分含量有关；P是待测气体的分压，单位atm ； P是气体的 体积浓度，单位mol · cm—1 · atm—1 ；L为吸收路径长度，即工作光程，单位cm。在已知P、L、T、 S(T),g(v-v' 0)情况下，测量；…和Iv值即可反演出待测气体浓度P。由于气体的吸收 谱线是由气体原子结构决定，不同气体的吸收谱线不同，因此理论上讲，工作环境内的其他 气体对测量没有影响。可调谐激光二极管吸收光谱气体分析仪是最常见的采用半导体激光吸收光谱技 术的气体分析仪器。其工作原理如下参见图la，首先确保半导体激光器的初始输出波 长小于工作波长，然后调整激光器的工作电流，进而改变激光器的输出波长，使该工作波 长的激光扫描通过被测痕量气体吸收谱线，在光子没有被吸收的位置，激光的透过率接近 100%，在吸收谱线位置，激光的透过率下降；探测激光器的透过光强，可以得到一个电信 号，如图Ib所示，其中凹陷的深度就代表了被测痕量气体的浓度。工业工程中的常见痕量气体的吸收谱线都非常弱，以二氧化碳为例，其在1. 58微 米附近的吸收谱线强度为10_23量级。考虑到工业现场的工作条件恶劣、干扰很大，上述的 直接测量的方法将导致系统的测量灵敏度非常低，为了解决这一问题，各种调制技术被广
4泛的采用，它可以改善系统的工作性能，能更好地从背景噪声和干扰中分离出有用的信号， 提高信噪比和测量灵敏度。波长调制技术就是其中的一种，它可以把检测频率提高到一个较高的频率上，能 有效减少由于激光源和探测器自身带来的噪音，并通过相敏检测技术，即锁相放大技术，来 减少检测的频谱带宽，从而可以提高测量信噪比几个数量级，如图2a所示。实际系统中，波 长调制是通过改变激光器的工作电流实现的。在激光器工作电流线性扫描的同时叠加一个 频率为f高频正弦调制，激光器输出波长也会相应的变化，如图2b所示，其横坐标是时间， 纵坐标是激光器输出波长。采用波长调制以后，探测激光通过吸收气体以后的强度，可以得 到图3a所示的信号，其中在气体吸收谱线附近交流信号幅值较大，没有吸收的位置信号趋 近于零；然后利用锁相放大器对信号的二次谐波2f进行解调，可以得到气体吸收谱线的二 阶微分信号，如图3b所示，信号的幅度对应吸收气体的浓度。实际的激光二极管，在经过改变激光器的工作电流来调整激光波长的同时也改变 了激光二极管的输出光强度，对激光器的波长进行扫描并叠加频率为f的正弦调制波的同 时，将会产生一个附加光强调制信号，这一附加光强调制信号的幅值与痕量气体吸收谱线 信号的幅值的比值在IO5 1的量级，这样探测器实际测得的信号如图4a所示，吸收谱线 信号淹没在残余光强调制信号中，所述残余光强调制信号即为上述附加光强调制信号。这 种存在残余光强调制信号的结果将带来如下问题1、无法对信号进行全数字处理如上所述，相敏解调器，即锁相放大器，是实现波长调制型可调谐激光二极管吸收 光谱测量的核心信号处理器件。模拟的锁相放大器存在温度稳定性差和系统参数不容易调 整等缺点，其处理精度也不如数字锁相放大器；数字化是一种必然趋势。然而，激光二极管 残余光强调制信号强度是吸收谱线信号强度的几十万倍，如果直接对信号做模/数转换， 需要采用20位以上的A/D转换器才能采集到吸收谱线信号，但是失真非常大。这种在信号 数字化的源头丢失测量的信息，即使采用数字锁相放大器来处理也无法弥补。因而，受残余 光强调制的限制，现有的可调谐激光二极管吸收光谱气体分析仪器的信号无法直接数字化 并进行全数字化处理，而是需要利用高Q值的带通滤波器或者模拟的锁相放大器预处理以 后才能实现数字化。这些模拟电路的引入，加大了系统的调试难度，并且降低了系统的温度 稳定性和抗电磁干扰能力。2、引起二阶谐波形状畸变，带来测量误差残余光强调制信号恶化信噪比的同时，还会引起信号的畸变，图4b是一个实际可 调谐激光二极管吸收光谱气体分析仪的信号经过模拟锁相放大器解调出来的信号。对比图 4b和图3b，实际信号有明显的畸变和左右不对称现象，这些问题都将大大影响仪器的测量 精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种测量气体浓度的方法和系统，通过补偿残余光强调制 信号，从而提高了接收端信号的信噪比，进而可以对接收信号进行全数字化处理，提高了气 体浓度测量的精度，也提高了系统的稳定性。为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案
一种测量气体浓度的方法，包括驱动激光器进行波长扫描并叠加高频调制；补偿波长扫描并叠加高频调制后的光束中的残余光强调制；将补偿后的光束穿过被测气体；将穿过所述被测气体的光束转换成电信号并作预处理；对所述预处理之后的电信号进行数字化处理得到所述被测气体的吸收光谱，依据 该吸收光谱确定所述被测气体的浓度。优选的，所述补偿过程具体为调整光学带阻滤波器下降沿的位置，使其下降沿的中心位置对准激光器初始工 作波长，进而使所述光学带阻滤波器下降沿的光谱能覆盖激光器工作的全部波长范围，即 λ 0 λ 0+ Δ λ ；使所述光学带阻滤波器下降沿的功率损耗斜率满足以下公式
权利要求
一种测量气体浓度的方法，其特征在于，包括驱动激光器进行波长扫描并叠加高频调制；补偿波长扫描并叠加高频调制后的光束中的残余光强调制；将补偿后的光束穿过被测气体；将穿过所述被测气体的光束转换成电信号并作预处理；对所述预处理之后的电信号进行数字化处理得到所述被测气体的吸收光谱，依据该吸收光谱确定所述被测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补偿过程具体为调整光学带阻滤波器下降沿的位置，使其下降沿的中心位置对准激光器初始工作波 长，进而使所述光学带阻滤波器下降沿的光谱能覆盖激光器工作的全部波长范围，即K λ 0+ Δ λ ；使所述光学带阻滤波器下降沿的功率损耗斜率满足以下公式
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光学带阻滤波器下降沿位置的调整 方法具体为通过调节所述光学带阻滤波器中的光纤布拉格光栅的温度来调整所述光学带 阻滤波器的下降沿位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，调整所述光学带阻滤波器下降沿位置之 前还包括过滤掉光学带阻滤波器针对所述激光器发射的光信号的反射信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述预处理之后的电信号进行数字化 处理过程具体为直接通过A/D转换进行全数字化处理。
6.一种测量气体浓度的系统，包括发射系统和接收系统，其特征在于，所述发射系统包括激光器调制驱动电路；与所述驱动电路相连的激光器，所述激光器在驱动电路的驱动下进行波长扫描并叠加 高频调制；与所述激光器相连的光学滤波器，以补偿波长扫描并叠加高频调制后的光束中的残余 光强调制；连接所述光学滤波器和被测气体工作气室的光束一次处理装置； 所述接收系统包括连接所述被测气体工作气室的光束二次处理装置；与所述光束二次处理装置和所述驱动电路相连的信号处理装置，所述信号处理装置用 于控制所述驱动电路工作，以及接收经过所述二次处理装置的光束并处理得到携带被测气 体吸收谱线信息的光信号，并将该光信号转换成电信号，然后对所述电信号进行数字化处 理得到被测气体的吸收光谱，并依据所述吸收光谱得到被测气体的浓度。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光学滤波器为光学带阻滤波器，包括光纤布拉格光栅，其下降沿用于补偿激光器残余光强调制信号，起到光学滤波的作用；温度控制器，包括温控电路和温控装置，在所述温控电路的驱动下，温控装置控制所述 光纤布拉格光栅的工作温度，进而调整所述光纤布拉格光栅的下降沿位置以适应不同激光 器的工作波长。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光学带阻滤波器还包括光隔离器，所 述光隔离器只允许光信号单向传输，以避免光学带阻滤波器将光信号反射回激光器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光束一次处理装置包括 传输光纤，将所述光学带阻滤波器的光束传输到下一个工作元件；光纤准直器，接收所述传输光纤的光束并将其转换成平行光束； 光学扩束器，将经过所述光纤准直器的平行光束转换成直径较大的平行光束，以穿过 所述被测气体；所述光束二次处理装置包括光学缩束器，将穿过所述被测气体后的平行光束直径缩小；空间光_光纤耦合器，将经过所述光学缩束器的平行光束耦合到光纤中。传输光纤，将经过所述空间光-光纤耦合器的光束传输到下一个工作元件。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述信号处理装置包括探测器，用于接收所述光束二次处理装置末端传输光纤的光束，并将其转换成电信号；信号预处理电路，用于对所述探测器输出的电信号进行预处理，将其转换成适合A/D 转换的电信号，所述电信号中携带被测气体吸收谱线信息；全数字解调和信号处理模块，包括数字锁相滤波器和信号处理器，用于对所述携带被 测气体吸收谱线信息的电信号进行A/D转换，从而采集到被测气体的吸收光谱，并依据所 述吸收光谱计算得到被测气体的浓度；显示模块，用于显示被测气体的吸收光谱和被测气体的浓度。
全文摘要
本发明实施例公开了一种气体浓度测量方法和系统，该方法包括驱动激光器进行波长扫描并叠加高频调制；补偿波长调制后的光束中的残余光强调制；将补偿后的光束穿过被测气体；将穿过被测气体的光束转换成电信号并作预处理，对该预处理后的电信号进行数字化处理得到被测气体的吸收光谱，依据该吸收光谱确定被测气体的浓度。该系统包括激光器调制驱动电路；与所述驱动电路相连的激光器；与所述激光器相连的光学滤波器；连接所述光学滤波器和被测气体容器的光束一次处理装置；连接所述被测气体容器的光束二次处理装置；与所述光束二次处理装置和所述驱动电路相连的信号处理装置。本实施例提高了气体浓度测量的精度和系统的稳定性。
文档编号G01N21/31GK101963577SQ20091010462
公开日2011年2月2日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者朱永, 梁波, 陈俊清 申请人:重庆川仪自动化股份有限公司