專利名稱：多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體檢測(cè)裝置和方法。特別是涉及一種無(wú)需采集氣樣，直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)涉及空氣中多種氣態(tài)成分的在線成分分析和濃度測(cè)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析，基于近紅外調(diào)諧激光光譜的多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置。

背景技術(shù)：
大氣質(zhì)量關(guān)系著生態(tài)平衡及人類的健康和發(fā)展。各類工礦企業(yè)排放大量的工業(yè)廢氣中對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康威脅大且排放量大的廢氣主要有氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、磷(P)、一氧化碳(CO)、鹵代烴、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等有毒氣體。
在我國(guó)目前環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多以SO2、NOx、O3、CO、總碳?xì)浠衔?THC)及懸浮微粒(PM10)等為主。而對(duì)VOCs的監(jiān)測(cè)和控制方面，相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法尚有待進(jìn)一步完善。鑒于VOCs污染物議題逐漸受到矚目及環(huán)境臭氧污染之趨勢(shì)，確認(rèn)其排放的種類及濃度，以在線式自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備取得相關(guān)數(shù)據(jù)，控制其排放，具有非常重要的意義和迫切性，其市場(chǎng)前景廣闊，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。
空氣中VOCs的在線監(jiān)測(cè)研究在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的關(guān)注，有多種(潛在的)方法可以應(yīng)用于VOCs的監(jiān)測(cè)。
如GC/FID或GC/MS分析法，采集被測(cè)氣體的樣品、進(jìn)行預(yù)處理、富集、以氣相層析儀(GC)分離后，再以離子火焰燃燒(FID)或質(zhì)譜儀(MS)等作為檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。這種方法對(duì)被監(jiān)測(cè)物組分的種類的定性與定量最為精準(zhǔn)，可以得到ppb量級(jí)(10-9)，是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)方法。其缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)采樣后送實(shí)驗(yàn)室分析，不具有分析的時(shí)效性及移動(dòng)性，且采樣和檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜；同時(shí)采用“點(diǎn)”的采樣方法，只能給出一個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)值，數(shù)據(jù)代表性較差。目前尚無(wú)法滿足實(shí)時(shí)的自動(dòng)化連續(xù)監(jiān)測(cè)的需要。
又如便攜式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器采用光電離檢測(cè)技術(shù)，由微型真空泵把特定有機(jī)揮發(fā)性化合物抽入光離子化檢測(cè)室，由真空紫外燈對(duì)氣體分子進(jìn)行電離，在極化電場(chǎng)作用下，離子和電子向極板撞擊，從而形成可被檢測(cè)的微弱電流。光電離檢測(cè)器(PID)可以檢測(cè)濃度從ppm(10-6)到ppb量級(jí)的VOCs，可以應(yīng)用于空氣、土壤、淤泥和水中VOCs的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。便攜式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀器多用于較高污染濃度的工業(yè)安全衛(wèi)生環(huán)境檢測(cè)，加上其精準(zhǔn)度較差、可檢測(cè)的氣體種類少，并不適合大氣組成之低濃度VOCs分析或長(zhǎng)期連續(xù)之監(jiān)測(cè)使用。
再如SnO2氣體傳感器陣列，用來(lái)識(shí)別環(huán)境中的揮發(fā)性氣體，如丙烷，甲醇，乙基，苯，二甲苯，乙烷等。模擬結(jié)果表明該系統(tǒng)能在有噪聲條件下成功的辨別出目標(biāo)氣體。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理過(guò)程不但有更好的噪聲容許度，而且能用更少的傳感器來(lái)探測(cè)出目標(biāo)氣體。但是，氣體傳感器陣列方法的靈敏度低，可檢測(cè)氣體種類少；在VOCs檢測(cè)方面還不成熟，尚有待于材料技術(shù)方面的進(jìn)步。
還有傅立葉紅外線光譜(FTIR)分析技術(shù)，包括開(kāi)放式傅立葉紅外光譜儀(Open-PathFTIR)、被動(dòng)式傅立葉紅外光譜儀(Passive FTIR)。FTIR利用邁克爾遜干涉儀，通過(guò)傅立葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)換成紅外光譜圖，得到氣體成分的光譜信息，對(duì)吸收光譜與實(shí)驗(yàn)參考光譜的擬合進(jìn)行光譜分析，可以對(duì)多種成份同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。FITR系統(tǒng)的靈敏度低、價(jià)格昂貴，水、二氧化碳等干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響大；另外，傅立葉變換計(jì)算耗時(shí)，有的探測(cè)系統(tǒng)需要冷卻；設(shè)備體積龐大。
可調(diào)諧激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)基于可調(diào)諧二極管激光器，通過(guò)控制二極管激光器的溫度或者注入電流，能夠進(jìn)行輸出激光波長(zhǎng)的微調(diào)，在中紅外區(qū)(2～30um)進(jìn)行開(kāi)放式激光長(zhǎng)程測(cè)量。TDLAS的缺點(diǎn)是調(diào)諧范圍限制了可探測(cè)的氣體種類，另外在中紅外波段的激光器和檢測(cè)器需要液氮制冷、光學(xué)元件的價(jià)格、穩(wěn)定性有待于科技的發(fā)展。目前，在國(guó)內(nèi)外TDLAS多用于對(duì)汽車摩托車尾氣排放、瓦斯、甲烷等的監(jiān)測(cè)，而進(jìn)行痕量VOCs監(jiān)測(cè)的研究較少。
由于環(huán)境中的VOCs大多含量很低，屬于微量和痕量范圍，目前世界上還沒(méi)有成熟的VOCs連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品，也還沒(méi)有正式的官方VOCs濃度的限值。
近紅外譜(波長(zhǎng)在780-2500nm范圍內(nèi))區(qū)的吸收主要是由于分子振動(dòng)的倍頻(振動(dòng)狀態(tài)在相隔一個(gè)或幾個(gè)能級(jí)間的躍遷)或合頻(分子兩種振動(dòng)狀態(tài)的能級(jí)間同時(shí)發(fā)生躍遷)吸收所造成的。近紅外光譜主要是含C-H、O-H、N-H等鍵基團(tuán)的化合物在中紅外區(qū)域基頻振動(dòng)的倍頻吸收與合頻吸收。含H鍵基團(tuán)的有機(jī)物以及與其結(jié)合的無(wú)機(jī)物樣品隨著成份含量的變化，其近紅外光譜特征也將隨之發(fā)生變化。根據(jù)光譜的變化特征，可以求得被測(cè)成份的含量。近紅外光譜技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的結(jié)合極大地提高了定量分析的靈敏度、精度、準(zhǔn)確性和可靠性，在藥學(xué)、農(nóng)業(yè)、石油等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；與中紅外光譜段相比，檢測(cè)器具有更高的靈敏度和響應(yīng)速度；光源的輻射效率更高；其光學(xué)元件更為穩(wěn)定、受工作環(huán)境影響小，價(jià)格便宜；無(wú)需樣品準(zhǔn)備，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)和實(shí)時(shí)在線分析，具有快速、非破壞、高效等優(yōu)點(diǎn)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種通過(guò)拓展半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧范圍以覆蓋多種氣體的特征吸收、在溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)以提高測(cè)量速度、高頻信號(hào)檢測(cè)提高檢測(cè)的靈敏度、以線形識(shí)別結(jié)合多變量建模的方法，從而實(shí)現(xiàn)多種氣體成分的快速、同時(shí)檢測(cè)的基于內(nèi)腔半導(dǎo)體激光器的多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種多成分氣體在線檢測(cè)方法，是通過(guò)近紅外調(diào)諧激光光譜對(duì)空氣中的多種氣體進(jìn)行成分分析和濃度檢測(cè)，采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，分別覆蓋不同的波長(zhǎng)范圍，對(duì)多個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器控制半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部溫度，在溫度的變化過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，所需要的精確波長(zhǎng)由實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值和注入電流計(jì)算得到，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量，首先將開(kāi)放式多光程池置于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，然后進(jìn)行檢測(cè)；所述的檢測(cè)包括有如下步驟 由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器提供高頻電流調(diào)制信號(hào)的激光驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制半導(dǎo)體激光器的注入電流對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行電流調(diào)諧； 溫度檢測(cè)/控制器通過(guò)半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的熱電制冷器控制激光器的內(nèi)部溫度，改變溫度以對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行溫度調(diào)諧； 半導(dǎo)體激光器經(jīng)過(guò)溫度和電流的雙調(diào)制后，激光波長(zhǎng)得到了調(diào)諧，出射的激光通過(guò)光纖到光纖耦合器后分出一部分激光再經(jīng)光纖傳輸?shù)介_(kāi)放式多光程池，在開(kāi)放式多光程池內(nèi)激光發(fā)生多次反射，經(jīng)被測(cè)氣體的吸收后出射的激光再經(jīng)光纖傳輸?shù)狡胶饨邮掌鳎? 經(jīng)光纖耦合器分出的另一部分激光也經(jīng)光纖送入平衡接收器； 平衡接收器拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后送入鎖相放大器，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
本發(fā)明可以采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，以時(shí)分和頻分中的一種工作模式，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量。
本發(fā)明的用于測(cè)量氣體成分的光的波段可以包括多成分氣體分子的倍頻振動(dòng)和合頻振動(dòng)的近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)為從800nm到2500nm。
同時(shí)檢測(cè)調(diào)制譜的多個(gè)諧波成分，f、2f、3f、……、nf，對(duì)吸收譜的多次諧波進(jìn)行融合處理。
所述的平衡接收器拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后，由多個(gè)鎖相放大器組成多個(gè)信號(hào)通道，分別接收吸收譜的多個(gè)諧波成分，對(duì)多個(gè)諧波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)。
在計(jì)算機(jī)中采用傅立葉變換的方法進(jìn)行頻譜分析，將不同的諧波成分予以分離。
其中的檢測(cè)裝置，包括有依次連接的調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、激光驅(qū)動(dòng)器、激光光譜光路、信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)，其中，計(jì)算機(jī)還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，計(jì)算機(jī)還通過(guò)溫度檢測(cè)/控制器與激光光譜光路相連接。
所述的激光光譜光路包括有多個(gè)半導(dǎo)體激光器、光纖耦合器、開(kāi)放式多光程池和平衡式光電接收器，其中，半導(dǎo)體激光器的輸入端連接激光驅(qū)動(dòng)器，輸出端通過(guò)光纖與光纖耦合器相連，光纖耦合器的一個(gè)輸出端通過(guò)光纖連接開(kāi)放式多光程池，開(kāi)放式多光程池的輸出端和光纖耦合器的另一個(gè)輸出端分別通過(guò)光纖連接平衡式光電接收器，平衡式光電接收器的輸出連接信號(hào)調(diào)理電路。
所述的信號(hào)調(diào)理電路包括有依次連接的前置放大器、多個(gè)鎖相放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，其中，前置放大器的輸入端連接激光光譜光路中的平衡式光電接收器，鎖相放大器還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，A/D轉(zhuǎn)換器連接計(jì)算機(jī)。
所述的信號(hào)調(diào)理電路包括有前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，其中，前置放大器的輸入端連接激光光譜光路中的平衡式光電接收器，A/D轉(zhuǎn)換器連接計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明的多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置，是一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法及裝置，通過(guò)基于溫度、電流的雙重調(diào)諧方式拓展半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧范圍，以盡可能多的覆蓋目標(biāo)氣體的特征吸收；通過(guò)在溫度的調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，由實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值和注入電流計(jì)算得到精確波長(zhǎng)，將溫度的精確控制轉(zhuǎn)化為溫度的精確測(cè)量，可以降低檢測(cè)中對(duì)溫度的高精度要求、并提高測(cè)量速度；對(duì)激光器的注入電流進(jìn)行高頻調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)調(diào)制譜可以有效降低各種噪聲的影響，提高信號(hào)的信噪比；吸收譜的線形識(shí)別結(jié)合多變量建模的方法提高檢測(cè)的靈敏度和檢測(cè)的特異性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體成分的同時(shí)檢測(cè)。



圖1是本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖； 圖2是本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
其中 1調(diào)制信號(hào)發(fā)生器 2激光驅(qū)動(dòng)器 3、4、5半導(dǎo)體激光器 6光纖耦合器 7、8光纖 9是溫度檢測(cè)/控制器 10是開(kāi)放式多光程池10是平衡式光電接收器 12前置放大器 13、14、15鎖相放大器 16是A/D轉(zhuǎn)換器 17計(jì)算機(jī) 18打印機(jī) 19實(shí)時(shí)時(shí)鐘 20顯示器
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置做出詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明的多成分氣體在線檢測(cè)方法，是通過(guò)近紅外調(diào)諧激光光譜對(duì)空氣中的多種氣體進(jìn)行成分分析和濃度檢測(cè)，采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，分別覆蓋不同的波長(zhǎng)范圍，對(duì)多個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器控制半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部溫度，在溫度的變化過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，所需要的精確波長(zhǎng)由實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值和注入電流計(jì)算得到，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量，首先將開(kāi)放式多光程池10置于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，然后進(jìn)行檢測(cè)；所述的檢測(cè)包括有如下步驟 當(dāng)開(kāi)始測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)對(duì)激光器的溫度調(diào)諧，同時(shí)由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1提供高頻電流調(diào)制信號(hào)的激光驅(qū)動(dòng)器2通過(guò)控制半導(dǎo)體激光器3、4、5的注入電流對(duì)半導(dǎo)體激光器3、4、5進(jìn)行電流調(diào)諧；溫度檢測(cè)/控制器9通過(guò)半導(dǎo)體激光器3、4、5內(nèi)部的熱電制冷器控制激光器的內(nèi)部溫度，改變溫度以對(duì)半導(dǎo)體激光器3、4、5進(jìn)行溫度調(diào)諧； 半導(dǎo)體激光器3、4、5經(jīng)過(guò)溫度和電流的雙調(diào)制后，激光波長(zhǎng)得到了調(diào)諧，出射的激光經(jīng)光纖7到光纖耦合器6后分出一部分激光再經(jīng)光纖耦合(或傳輸)到開(kāi)放式多光程池10，在開(kāi)放式多光程池10內(nèi)激光發(fā)生多次反射，經(jīng)被測(cè)氣體的吸收后出射的激光再經(jīng)光纖8傳輸?shù)狡胶饨邮掌?1；經(jīng)光纖耦合器6分出的另一部分激光也經(jīng)光纖8送入平衡接收器11； 平衡接收器11拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器12放大后送入鎖相放大器13、14、15，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器16將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)17進(jìn)行處理。
本發(fā)明是采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，以時(shí)分和頻分中的一種工作模式，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量。用于測(cè)量氣體成分的光的波段包括多成分氣體分子的倍頻振動(dòng)和合頻振動(dòng)的近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)為從800nm到2500nm。
本發(fā)明同時(shí)檢測(cè)調(diào)制譜的多個(gè)諧波成分，f、2f、3f、……、nf，對(duì)吸收譜的多次諧波進(jìn)行融合處理。
所述的平衡接收器11拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器12放大后，由多個(gè)鎖相放大器13、14、15組成多個(gè)信號(hào)通道，分別接收吸收譜的多個(gè)諧波成分，對(duì)多個(gè)諧波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)17。在計(jì)算機(jī)17中采用傅立葉變換的方法進(jìn)行頻譜分析，將不同的諧波成分予以分離。
被測(cè)氣體的多次諧波數(shù)據(jù)來(lái)源于其吸收譜的各階導(dǎo)數(shù)，即在各次諧波數(shù)據(jù)中都包含有氣體的成分、濃度等特征信息，被測(cè)氣體吸收譜的多次諧波獲取的是一種高頻、窄帶信號(hào)，可以有效抑制系統(tǒng)漂移、外界電磁干擾、電路噪聲以及共存干擾物的吸收等的影響；而且階次高的信號(hào)對(duì)低頻干擾的抑制能力更好。然而信號(hào)的幅值隨階次增高而減小很快，使得隨著階次增大，信噪比減小。
偶次諧波(2f、4f、6f、……)的最大值在氣體吸收線的中心處，且其線型都以此中心線對(duì)稱；氣體吸收線的中心處與奇次諧波(f、3f、5f、……)的0點(diǎn)對(duì)應(yīng)，n階奇次諧波最大值對(duì)應(yīng)于(n-1)階諧波的變化率最值點(diǎn)。吸收譜的各次諧波本質(zhì)上反映了譜的線形，其數(shù)據(jù)包含了被測(cè)氣體的濃度、溫度、壓力、不同類型噪聲等信息。
對(duì)獲取的多次諧波數(shù)據(jù)采用偏最小二乘法(PLS)的方法建立定量分析模型，將光譜的多次諧波數(shù)據(jù)X和待測(cè)物理量y(濃度、溫度、壓力等)提取主成分矩陣T＝[t1，t2，...，tf]和U＝[u1，u2，...，uf]，PLS分解的要求是使得t1和u1的協(xié)方差達(dá)到最大 將主成分矩陣T和U作線性回歸，b為關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣U＝Tb+e (1)b＝(TTT)-1TTU (2) 對(duì)于未知樣品的光譜Xun，得到預(yù)測(cè)值yun＝Xunb (3) 將測(cè)得的低階光譜諧波數(shù)據(jù)(如2階)進(jìn)行預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化，消除儀器響應(yīng)函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮預(yù)處理，得到選定的若干個(gè)特征點(diǎn)波長(zhǎng)，基于這些特征點(diǎn)波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)，應(yīng)用偏最小二乘法建立定量預(yù)測(cè)模型。其輸入量X為各特征波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)(Xλ1、Xλ2、Xλ3、…)，其輸出量y為待測(cè)被測(cè)氣體的種類及濃度信息(C1、C2、C3、…)。建模過(guò)程與上述相同。
如圖1所示，本發(fā)明的多成分氣體在線檢測(cè)裝置，包括有依次串連的調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1、激光驅(qū)動(dòng)器2、激光光譜光路21、信號(hào)調(diào)理電路22、計(jì)算機(jī)17，其中，計(jì)算機(jī)17還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1，計(jì)算機(jī)17還通過(guò)溫度檢測(cè)/控制器9與激光光譜光路21相連接。計(jì)算機(jī)17還連接有打印機(jī)(18)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(19)、顯示器(20)。
所述的激光光譜光路21包括有做為光源的多個(gè)半導(dǎo)體激光器3、4、5、光纖耦合器6、開(kāi)放式多光程池10和平衡式光電接收器11，其中，半導(dǎo)體激光器3、4、5的輸入端連接激光驅(qū)動(dòng)器2，輸出端通過(guò)光纖7與光纖耦合器6相連，光纖耦合器6的一個(gè)輸出端通過(guò)光纖8連接開(kāi)放式多光程池10，開(kāi)放式多光程池10的輸出端和光纖耦合器6的另一個(gè)輸出端分別通過(guò)光纖8連接平衡式光電接收器11，用于消除半導(dǎo)體激光器3、4、5的噪聲和其它的共模噪聲。平衡式光電接收器11的輸出連接信號(hào)調(diào)理電路22。
激光器3、4、5通過(guò)激光驅(qū)動(dòng)器2注入電流的功率驅(qū)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)激光的高頻電流調(diào)諧；溫度檢測(cè)/控制器9通過(guò)半導(dǎo)體激光器3、4、5內(nèi)部的熱電制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)控制激光器3、4、5的內(nèi)部溫度，并通過(guò)半導(dǎo)體激光器3、4、5內(nèi)部的熱敏電阻(NTC)測(cè)量激光器3、4、5的內(nèi)部溫度。
上述的光源也可以使用氣體激光器或染料激光器，使用N個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)不同的激光器以覆蓋目標(biāo)氣體的波長(zhǎng)范圍。
所述的信號(hào)調(diào)理電路22包括有依次串連的前置放大器12、多個(gè)鎖相放大器13、14、15和A/D轉(zhuǎn)換器16，其中，前置放大器12的輸入端連接激光光譜光路21中的平衡式光電接收器11，鎖相放大器13、14、15還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1，A/D轉(zhuǎn)換器16連接計(jì)算機(jī)17。前置放大器12對(duì)平衡式光電接收器11的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，前置放大器12的輸出信號(hào)送入到多個(gè)鎖相放大器13、14、15，調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1的輸出也分別輸入至這些鎖相放大器13、14、15，并使這些鎖相放大器13、14、15的中心頻率分別設(shè)置為f、2f、3f……nf，鎖相放大器的解調(diào)輸出信號(hào)分別送入到多路A/D轉(zhuǎn)換器16，從而將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
計(jì)算機(jī)17(嵌入式或PC計(jì)算機(jī))采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、參照儲(chǔ)存在其存儲(chǔ)器中的一條標(biāo)定曲線計(jì)算目標(biāo)氣體成分的預(yù)測(cè)值，并將計(jì)算的目標(biāo)氣體濃度值在顯示器20上顯示，同時(shí)計(jì)算機(jī)還對(duì)激光驅(qū)動(dòng)器2、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器1、溫度檢測(cè)/控制器9、顯示器20進(jìn)行控制和管理。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理為，進(jìn)行數(shù)字濾波、粗大誤差剔除、溫度補(bǔ)償、背景扣除預(yù)處理。
如圖2所示，所述的信號(hào)調(diào)理電路22還可以是包括有前置放大器12和A/D轉(zhuǎn)換器16，其中，前置放大器12的輸入端連接激光光譜光路21中的平衡式光電接收器11，A/D轉(zhuǎn)換器16連接計(jì)算機(jī)17。
在本實(shí)施例沒(méi)有使用硬件的鎖相放大器13、14、15，而是使用高速A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由軟件相敏檢測(cè)方法將各次諧波成分提取出來(lái)，再進(jìn)行與上述實(shí)施例相同的方法進(jìn)行處理。
在本發(fā)明的例中選用 激光驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為MAX3735； 半導(dǎo)體激光器的型號(hào)為QDFBSS-1600、QDFBLD-1460； 光纖耦合器為3×1； 平衡式光電接收器的型號(hào)為1817-FC； 前置放大器的型號(hào)為AMT-07； A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為AD7714。
權(quán)利要求
1.一種多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，是通過(guò)近紅外調(diào)諧激光光譜對(duì)空氣中的多種氣體進(jìn)行成分分析和濃度檢測(cè)，采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，分別覆蓋不同的波長(zhǎng)范圍，對(duì)多個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器控制半導(dǎo)體激光器的內(nèi)部溫度，在溫度的變化過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量，所需要的精確波長(zhǎng)由實(shí)時(shí)測(cè)量的溫度值和注入電流計(jì)算得到，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量，首先將開(kāi)放式多光程池(10)置于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，然后進(jìn)行檢測(cè)；所述的檢測(cè)包括有如下步驟
由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(1)提供高頻電流調(diào)制信號(hào)的激光驅(qū)動(dòng)器(2)通過(guò)控制半導(dǎo)體激光器(3、4、5)的注入電流對(duì)半導(dǎo)體激光器(3、4、5)進(jìn)行電流調(diào)諧；
溫度檢測(cè)/控制器(9)通過(guò)半導(dǎo)體激光器(3、4、5)內(nèi)部的熱電制冷器控制激光器的內(nèi)部溫度，改變溫度以對(duì)半導(dǎo)體激光器(3、4、5)進(jìn)行溫度調(diào)諧；
半導(dǎo)體激光器(3、4、5)經(jīng)過(guò)溫度和電流的雙調(diào)制后，激光波長(zhǎng)得到了調(diào)諧，出射的激光通過(guò)光纖(7)到光纖耦合器(6)后分出一部分激光再經(jīng)光纖傳輸?shù)介_(kāi)放式多光程池(10)，在開(kāi)放式多光程池(10)內(nèi)激光發(fā)生多次反射，經(jīng)被測(cè)氣體的吸收后出射的激光再經(jīng)光纖(8)傳輸?shù)狡胶饨邮掌?11)；
經(jīng)光纖耦合器(6)分出的另一部分激光也經(jīng)光纖(8)送入平衡接收器(11)；
平衡接收器(11)拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器(12)放大后送入鎖相放大器(13、14、15)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(16)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)(17)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器，以時(shí)分和頻分中的一種工作模式，基于調(diào)制譜和多變量建模相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的成分分析和濃度測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，用于測(cè)量氣體成分的光的波段包括多成分氣體分子的倍頻振動(dòng)和合頻振動(dòng)的近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)為從800nm到2500nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，同時(shí)檢測(cè)調(diào)制譜的多個(gè)諧波成分，f、2f、3f、……、nf，對(duì)吸收譜的多次諧波進(jìn)行融合處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，所述的平衡接收器(11)拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器(12)放大后，由多個(gè)鎖相放大器(13、14、15)組成多個(gè)信號(hào)通道，分別接收吸收譜的多個(gè)諧波成分，對(duì)多個(gè)諧波數(shù)據(jù)分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多成分氣體在線檢測(cè)方法，其特征在于，在計(jì)算機(jī)(17)中采用傅立葉變換的方法進(jìn)行頻譜分析，將不同的諧波成分予以分離。
7.一種多成分氣體在線檢測(cè)裝置，其特征在于，包括有依次連接的調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(1)、激光驅(qū)動(dòng)器(2)、激光光譜光路(21)、信號(hào)調(diào)理電路(22)、計(jì)算機(jī)(17)，其中，計(jì)算機(jī)(17)還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(1)，計(jì)算機(jī)(17)還通過(guò)溫度檢測(cè)/控制器(9)與激光光譜光路(21)相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多成分氣體在線檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的激光光譜光路(21)包括有多個(gè)半導(dǎo)體激光器(3、4、5)、光纖耦合器(6)、開(kāi)放式多光程池(10)和平衡式光電接收器(11)，其中，半導(dǎo)體激光器(3、4、5)的輸入端連接激光驅(qū)動(dòng)器(2)，輸出端通過(guò)光纖(7)與光纖耦合器(6)相連，光纖耦合器(6)的一個(gè)輸出端通過(guò)光纖(8)連接開(kāi)放式多光程池(10)，開(kāi)放式多光程池(10)的輸出端和光纖耦合器(6)的另一個(gè)輸出端分別通過(guò)光纖(8)連接平衡式光電接收器(11)，平衡式光電接收器(11)的輸出連接信號(hào)調(diào)理電路(22)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多成分氣體在線檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理電路(22)包括有依次連接的前置放大器(12)、多個(gè)鎖相放大器(13、14、15)和A/D轉(zhuǎn)換器(16)，其中，前置放大器(12)的輸入端連接激光光譜光路(21)中的平衡式光電接收器(11)，鎖相放大器(13、14、15)還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(1)，A/D轉(zhuǎn)換器(16)連接計(jì)算機(jī)(17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多成分氣體在線檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理電路(22)包括有前置放大器(12)和A/D轉(zhuǎn)換器(16)，其中，前置放大器(12)的輸入端連接激光光譜光路(21)中的平衡式光電接收器(11)，A/D轉(zhuǎn)換器(16)連接計(jì)算機(jī)(17)。
全文摘要
一種多成分氣體在線檢測(cè)方法及裝置，方法是對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行電流調(diào)諧和溫度調(diào)諧；半導(dǎo)體激光器經(jīng)過(guò)雙調(diào)制后，出射的激光經(jīng)光纖耦合器一部分激光到開(kāi)放式多光程池，在開(kāi)放式多光程池內(nèi)經(jīng)被測(cè)氣體的吸收后出射的光再經(jīng)光纖傳輸?shù)狡胶饨邮掌?；光纖耦合器分出的另一部分激光也送入平衡接收器；平衡接收器拾取的信號(hào)經(jīng)前置放大器后送入鎖相放大器，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。檢測(cè)裝置為依次連接的調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、激光驅(qū)動(dòng)器、激光光譜光路、信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)還連接調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，還通過(guò)溫度檢測(cè)/控制器與激光光譜光路相連接。本發(fā)明將溫度的精確控制轉(zhuǎn)化為溫度的精確測(cè)量，提高檢測(cè)的靈敏度和特異性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體成分的同時(shí)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/25GK101109701SQ200710058428
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者杜振輝, 齊汝賓, 鋒 陳, 徐可欣 申請(qǐng)人:天津大學(xué)