專利名稱：一種氣體近紅外光譜分析檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體檢測(cè)的近紅外光i普檢測(cè)方法，這種方法可應(yīng)用于檢測(cè) 氣體的近紅外光纖智能傳感器 背景技術(shù)由于氣體分子對(duì)輻射光波的吸收具有選擇性，特定的氣體吸收特定波長(zhǎng)的 光波，大多數(shù)氣體在近紅外區(qū)有特殊的吸收譜，且氣體對(duì)光的吸收程度與其濃度有關(guān)，因此，近紅外光(near infrared ray: NIR);故用來(lái)作為氣體物質(zhì)的 定性和定量分析，這就是光i普分析。NIR光譜分析儀按其光源分有濾光片型、LED 型，光柵色散型、傅里葉變換型，聲光可調(diào)濾光型和陣列檢測(cè)器型儀器，以及 基于DFB激光器的近紅外光纖傳感器。近紅外氣體光譜分析儀無(wú)不是基于氣體 吸收的朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸4丈定律。朗伯比爾定律描述如下當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收，光強(qiáng) 在氣體介質(zhì)中隨濃度c及光穿過(guò)氣體光考呈L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于 氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)a(義)互不相同。朗伯比爾定律用公式表示為/(;i) = /。(;i)exp[—a(/l)CZJ其中/。(;i)為測(cè)量氣室的入射光光強(qiáng)，/(義)為穿過(guò)氣體的出射光強(qiáng)。利用朗伯比爾 公式，直接或間接測(cè)量/(A)可以計(jì)算出氣體的濃度。這種測(cè)量方法有以下不足1.研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)朗伯比爾系數(shù)隨被測(cè)氣體的氣 壓變化，壓強(qiáng)越大吸收系數(shù)越大；2.當(dāng)氣體壓強(qiáng)變化時(shí)，由于吸收系數(shù)變化，測(cè)量的結(jié)果也會(huì)變化，吸收系數(shù)變化的曲線是連續(xù)的，因此針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用處 理數(shù)據(jù)需要無(wú)數(shù)個(gè)吸收系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中這是難以精確實(shí)現(xiàn)的，故這種方法 在壓強(qiáng)變化時(shí)誤差很大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供精確、性能可靠、適應(yīng)于各種氣壓下的氣體近紅外 光譜分析方法，這種方法可以用來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)制造各種近紅外氣體傳感器。這種 方法包括兩個(gè)方面的創(chuàng)新，其一為近紅外光語(yǔ)分析的數(shù)據(jù)處理算法，其二為測(cè) 量數(shù)據(jù)的硬件方法，數(shù)據(jù)處理算法與石更件方法相結(jié)合，數(shù)據(jù)處理算法的硬件實(shí)現(xiàn)。其一數(shù)據(jù)處理算法本發(fā)明根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)NIR光譜分析的數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行了修正， 即用 一個(gè)普適于各種氣壓的常數(shù)//(A)取代朗伯比爾系數(shù)"(A),用分子的密集度 n/V來(lái)取代氣體濃度(n為測(cè)量氣室里氣體的摩爾數(shù)，V為測(cè)量氣室的體積)，數(shù) 據(jù)的計(jì)算公式(C-H公式)為<formula>formula see original document page 4</formula> (1)其中1。(入)為測(cè)量氣室的入射光光強(qiáng)，I(入)為穿過(guò)氣體的出射光強(qiáng)，HU)為 與氣體及近紅外光波長(zhǎng)相關(guān)的一個(gè)常數(shù)，L為光穿過(guò)氣體光程。氣體壓強(qiáng)影響分 子的密集度，密度越大，則吸收越強(qiáng)。分子的密集度是與分子的摩爾數(shù)和氣體 的體積相關(guān)，壓強(qiáng)是通過(guò)影響分子的密集度間接影響氣體對(duì)光的吸收的，因此 H(入)與氣壓不直接相關(guān)聯(lián)，在不同的氣壓下是恒定常數(shù)。根據(jù)這個(gè)常數(shù)可計(jì)算 被測(cè)氣體的分子密集度，再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程^^ = "^^計(jì)算氣體的濃度。 其二測(cè)量數(shù)據(jù)的硬件方法數(shù)據(jù)的算法由硬件系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明采用DFB近紅外激光器作為測(cè)量 光源，用光纖耦合器將光源分成兩路，用光纖和透鏡組實(shí)現(xiàn)光的傳輸和耦合， PIN PD來(lái)探測(cè)被測(cè)量氣室的出射光，綜合利用雙光路差分和微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù) 之相關(guān)檢測(cè)來(lái)探測(cè)數(shù)據(jù)，用先相關(guān)檢測(cè)后差分的方法除去噪聲干擾。其硬件系 統(tǒng)如圖l.其中1為光纖，2為氣室兩端的透鏡組。電源控制提供激光器的軟開(kāi) 關(guān)穩(wěn)壓電源及激光器的直流偏置；控溫電路用來(lái)提供激光半導(dǎo)體冷卻器件的電 流控制；調(diào)制電路用來(lái)在激光器閾值電流Ith疊加一頻率為co正弦調(diào)制信號(hào)；參 考信號(hào)電路產(chǎn)生頻率為co的矩形波參考信號(hào)輸出給乘法器；PIN PD用來(lái)探測(cè)氣室出射光的光強(qiáng)，鎖相放大器用來(lái)提取測(cè)量信號(hào)，減法電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量氣室 信號(hào)和參考?xì)馐倚盘?hào)的差分相減。本發(fā)明根據(jù)式(1)，以上述硬件系統(tǒng)綜合利用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)之相關(guān)檢 測(cè)以及差分檢測(cè)法來(lái)測(cè)量氣體近紅外吸收數(shù)據(jù)，采用先相關(guān)檢測(cè)提取有用信號(hào)， 后差分檢測(cè)除去噪聲干擾的方法實(shí)現(xiàn)氣體近紅外光譜分析傳感器。傳感器的數(shù) 據(jù)處理算法如下相關(guān)4全測(cè)法由于紅外光在光纖中傳輸光強(qiáng)有一定的衰減系數(shù)k,光源電路和光電探測(cè)電 路的噪聲電流會(huì)引入光強(qiáng)的噪聲系數(shù)N ,因而實(shí)際的光i普吸收方程如<formula>formula see original document page 4</formula> (2)將激光光源的輸出光強(qiáng)以正弦波調(diào)制，在激光器的閾值電流直流偏置Ith之上增加一頻率為co正弦調(diào)制信號(hào)，貝'J:/0 (義)=X。 x [1 + M sin(M + 6>)] (3)上式中AO為〉Ith直流偏置產(chǎn)生的光強(qiáng)，M為調(diào)制幅度。以co的矩形波作為相 關(guān)檢測(cè)的參考信號(hào)，方波信號(hào)的傅立葉展開(kāi)如下 ，02"%，=八 TVLo %《k r (4) + r)=，七 J7 2「 1其寸專立葉分解為r(0= —+—(siiuur +—sin3" +…) (5)則PIN PD的輸出信號(hào)為/(義)=/0 (a)a:(;l) exp[—〃(;i)a:+w(zi)] x [i+附sin(欣+。] (6) 令/。(A)/:(;l)exp[-i/(;l)CL+w(;l)] = ￡,. , Ein為一隨被測(cè)氣體濃度變化的常量，經(jīng)過(guò)模擬乘法器，(5) x (6)得/(;i)F(,)=x [1 + m sin(W + 6>)] x1 2F, 、 ( 7 )=^ +-^ (sin wZ + — sin 3e^ + ...) +sin(wf + ——(sin Z + sin 3<yf +…)2 ;r 3 ;r經(jīng)過(guò)一階帶通濾波電路后，上式經(jīng)過(guò)進(jìn)一步推到，濾去交流和直流信號(hào)得式(8)/(義)K(。 =-^~ sin+ m-^ sin sin(cy, +;r ;r (8)=——^ sin M + m ~^ [cos <9 + cos(2w/ + 60] = m ~^ cos <9式(8)經(jīng)鎖相放大器移相，使e等于o，可測(cè)的與濃度相關(guān)的直流值7T差分4全測(cè)法將光源用光纖耦合器分成光強(qiáng)相等的兩路，設(shè)參考?xì)馐冶粶y(cè)氣體濃度為c,，出射光強(qiáng)為/,(A),測(cè)量氣室濃度為C2，出射光強(qiáng)為/2(義)，貝'J，+。 鄧[-"(;i)c,丄+ a^(;i)]+,.", (9)/2 (義)=會(huì)/。exp[_，c2z+w2 (;t)]=會(huì)￡,. 2 (io)由(9) + (10)得<formula>formula see original document page 6</formula>(11) 這里假定Ni (入)=N2 (入)，由此推出<formula>formula see original document page 6</formula>(12)<formula>formula see original document page 6</formula> (13)其中"a(入)、L是常數(shù)，C,是可以設(shè)定的，可以通過(guò)程序加上Ci，則可得<formula>formula see original document page 6</formula>(14) 差分的方法不需測(cè)量入射光強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)測(cè)量。差分的方法能消除光 源和光路產(chǎn)生的噪聲。若先相關(guān)檢測(cè)法提出Ein，后差分法除去噪聲，則由式(8) 推導(dǎo)得m^ll/m~ = ^L,結(jié)果同式(")本發(fā)明采用嵌入式系統(tǒng)處理上述算法，不需測(cè)量光源輸出光強(qiáng)，本發(fā)明所 制造的傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)氣體的濃度，可廣泛應(yīng)用于化工，煤礦，燃油 燃?xì)庹?，環(huán)保等安全生產(chǎn)中危險(xiǎn)氣體的監(jiān)測(cè)。本發(fā)明提供的方法不受氣壓的影 響，監(jiān)測(cè)精度高，適應(yīng)范圍廣。


圖1本發(fā)明測(cè)量數(shù)據(jù)的硬件系統(tǒng)圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例近紅外光譜曱烷光纖智能傳感器功能框圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例近紅外光i普曱烷光纖智能傳感器處理流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例近紅外光譜曱烷光纖智能傳感器采用先相關(guān)檢測(cè)提出信號(hào)，后差分的方法設(shè)計(jì)。近紅外光譜曱烷光纖智能傳感器設(shè)計(jì)如圖1，紅外激光光源采用1665nm DFB LD,紅外波長(zhǎng)峰值1650腦《入《1670nm,典型^直為1660nm。電源控制電路采用軟啟動(dòng)電路，以防止電源瞬間啟動(dòng)所引起的尖峰浪涌損 壞DFBLD。長(zhǎng)期的尖峰浪涌電流容易燒壞激光器或損壞LD的解理面，使其功能 劣化。由于持續(xù)電流的作用，激光器的解理面會(huì)激光器持續(xù)工作的時(shí)間是有限的，所以電源控制電路的啟動(dòng)和關(guān)閉由MCU控制，使系統(tǒng)間歇工作。電源控制 電路同時(shí)控制著光源調(diào)制電路和激光器直流偏置電路的導(dǎo)通，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)， 調(diào)制電路和偏置電路關(guān)閉，激光器處于失電狀態(tài)。激光器發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)光 耦合器分成光強(qiáng)相等的兩路，分別入射參考?xì)馐液蜏y(cè)量氣室，并由各自的光電 探測(cè)探測(cè)。氣室的長(zhǎng)度可以是幾十厘米到幾米長(zhǎng)。光電探測(cè)器可以選用模擬PIN PD,PIN探測(cè)電路設(shè)計(jì)成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路，兩路光信號(hào)經(jīng)減法電路放大后輸出給鎖 相放大器，其輸出信號(hào)由MCU處理。光源電路，調(diào)制電路，光電探測(cè)電路，鎖 相放大器電路及帶通濾波電路共同實(shí)現(xiàn)式(9) - (14)的算法。MCU選用支持 DSP指令，能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；支持CAN總線通信，UART通信，有A/D轉(zhuǎn)換輸入 口的嵌入式CPU,減法放大器電路輸出的信號(hào)可以從A/D 口直接輸入。 實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理相關(guān)檢測(cè)算法和差分算法用硬件電路實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)相關(guān)檢測(cè)和差分處理得到 的信號(hào)可以直4妄輸入給ARM CPU的A/D 口 ，由ARM來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。凄t據(jù)處理 的程序依賴于通過(guò)設(shè)定濃度測(cè)得大量的驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定準(zhǔn)確的吸收系數(shù)，吸收 系數(shù)應(yīng)該通過(guò)大量數(shù)據(jù)來(lái)取均值，在測(cè)量系數(shù)之前應(yīng)測(cè)定雙光路的入射光的分 配比和衰減系數(shù)，若光纖耦合器不能將光源光路均分或衰減系數(shù)不同，在數(shù)據(jù) 處理時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)據(jù)處理流程如圖2。
權(quán)利要求
1. 一種氣體檢測(cè)的近紅外光譜檢測(cè)方法，其特征在于用一個(gè)普適于各種氣壓的常數(shù)H(λ)取代朗伯比爾系數(shù)α(λ)，用分子的密集度n/V來(lái)取代氣體濃度(n為測(cè)量氣室里氣體的摩爾數(shù)，V為測(cè)量氣室的體積)，數(shù)據(jù)的計(jì)算公式(C-H公式)為
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的譜檢測(cè)方法，其特征在于所述方法應(yīng)用于檢測(cè)氣 體的近紅外光纖智能傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種氣體近紅外光譜分析檢測(cè)方法。用一個(gè)普適于各種氣壓的常數(shù)H(λ)取代朗伯比爾系數(shù)α(λ)。氣體壓強(qiáng)影響分子的密度，密度越大，則吸收越強(qiáng)。分子的密度是與分子的摩爾數(shù)和氣體的體積相關(guān)，因此，本發(fā)明用分子的摩爾密度n/V來(lái)取代氣體濃度，n為測(cè)量氣室里氣體的摩爾數(shù)，V為測(cè)量氣室的體積，推論的表達(dá)公式(C-H公式)為I(λ)=I₀exp[-H(λ)(n/v)L]。基于C-H公式本發(fā)明綜合利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)和差分檢測(cè)技術(shù)制造氣體近紅外光譜傳感器，以嵌入式系統(tǒng)來(lái)處理數(shù)據(jù)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于化工，煤礦，燃油燃?xì)庹?，環(huán)保等安全生產(chǎn)中危險(xiǎn)氣體的監(jiān)測(cè)傳感器。本發(fā)明提供的方法不受氣壓的影響，監(jiān)測(cè)精度高，適應(yīng)范圍廣。
文檔編號(hào)G01N21/35GK101251481SQ20081008838
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者程小輝, 胡勇堅(jiān) 申請(qǐng)人:桂林工學(xué)院