專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量氣體濃度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)工程控制和氣體參數(shù)分析領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種測(cè)量氣體 濃度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)工程控制過(guò)程中，排放氣體的參數(shù)分析是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在垃圾焚 燒、火力發(fā)電的燃燒控制、石化、冶金和水泥的生產(chǎn)等領(lǐng)域，排放氣體的參數(shù)測(cè)量更是優(yōu)化 生產(chǎn)和降低能耗的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要從工作環(huán)境中抽出一部分氣體，利用物 理和化學(xué)方法，對(duì)氣體進(jìn)行凈化、提純和分析，過(guò)程復(fù)雜、測(cè)量成本高且實(shí)時(shí)性不好。半導(dǎo)體 激光吸收光譜技術(shù)是一種新興的氣體濃度測(cè)量方法，由于其具有靈敏度高、選擇性好和響 應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于環(huán)境檢測(cè)、大氣科學(xué)和痕量氣體分析等領(lǐng)域，是工業(yè)工程痕量 氣體分析領(lǐng)域的一種最有前途的技術(shù)?？烧{(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù) TDLAS (tunable diode-laser absorption spectroscopy)是半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)中常用的一種，其基本原理是氣體因受激而吸 收能量。一束激光穿過(guò)被測(cè)氣體，當(dāng)激光器的頻率和被測(cè)氣體某個(gè)吸收譜線中心頻率相同 時(shí)，氣體分子或原子會(huì)吸收光子而躍遷到高能級(jí)，表現(xiàn)出來(lái)就是激光能量的衰減。TDLAS的 基本原理符合由Beer-Lambert定律，當(dāng)激光光源發(fā)出一定頻率ν的單頻光穿透一定濃度的 待測(cè)氣體時(shí)，有如下關(guān)系式Iv = IVj0exp [-S ⑴ g(w‘ 0)PpL]其中，Ivitl和Iv分別表示頻率為ν的激光通過(guò)吸收氣體前后的光強(qiáng)，單位mW ； S(T)表示氣體吸收譜線在溫度T時(shí)的譜線的線強(qiáng)度，它表示該譜線的吸收強(qiáng)度，單位為 cm-moFSg^-v' 0)是氣體該吸收譜線的線型函數(shù)，它表示被測(cè)吸收譜線的形狀，與溫度、 壓強(qiáng)和氣體的種類(lèi)及其中的各成分含量有關(guān)；P是待測(cè)氣體的分壓，單位atm ； P是氣體的 體積濃度，單位mol · cm—1 · atm—1 ；L為吸收路徑長(zhǎng)度，即工作光程，單位cm。在已知P、L、T、 S(T),g(v-v' 0)情況下，測(cè)量；…和Iv值即可反演出待測(cè)氣體濃度P。由于氣體的吸收 譜線是由氣體原子結(jié)構(gòu)決定，不同氣體的吸收譜線不同，因此理論上講，工作環(huán)境內(nèi)的其他 氣體對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響?？烧{(diào)諧激光二極管吸收光譜氣體分析儀是最常見(jiàn)的采用半導(dǎo)體激光吸收光譜技 術(shù)的氣體分析儀器。其工作原理如下參見(jiàn)圖la，首先確保半導(dǎo)體激光器的初始輸出波 長(zhǎng)小于工作波長(zhǎng)，然后調(diào)整激光器的工作電流，進(jìn)而改變激光器的輸出波長(zhǎng)，使該工作波 長(zhǎng)的激光掃描通過(guò)被測(cè)痕量氣體吸收譜線，在光子沒(méi)有被吸收的位置，激光的透過(guò)率接近 100%，在吸收譜線位置，激光的透過(guò)率下降；探測(cè)激光器的透過(guò)光強(qiáng)，可以得到一個(gè)電信 號(hào)，如圖Ib所示，其中凹陷的深度就代表了被測(cè)痕量氣體的濃度。工業(yè)工程中的常見(jiàn)痕量氣體的吸收譜線都非常弱，以二氧化碳為例，其在1. 58微 米附近的吸收譜線強(qiáng)度為10_23量級(jí)?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作條件惡劣、干擾很大，上述的 直接測(cè)量的方法將導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度非常低，為了解決這一問(wèn)題，各種調(diào)制技術(shù)被廣
4泛的采用，它可以改善系統(tǒng)的工作性能，能更好地從背景噪聲和干擾中分離出有用的信號(hào)， 提高信噪比和測(cè)量靈敏度。波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)就是其中的一種，它可以把檢測(cè)頻率提高到一個(gè)較高的頻率上，能 有效減少由于激光源和探測(cè)器自身帶來(lái)的噪音，并通過(guò)相敏檢測(cè)技術(shù)，即鎖相放大技術(shù)，來(lái) 減少檢測(cè)的頻譜帶寬，從而可以提高測(cè)量信噪比幾個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖2a所示。實(shí)際系統(tǒng)中，波 長(zhǎng)調(diào)制是通過(guò)改變激光器的工作電流實(shí)現(xiàn)的。在激光器工作電流線性掃描的同時(shí)疊加一個(gè) 頻率為f高頻正弦調(diào)制，激光器輸出波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)的變化，如圖2b所示，其橫坐標(biāo)是時(shí)間， 縱坐標(biāo)是激光器輸出波長(zhǎng)。采用波長(zhǎng)調(diào)制以后，探測(cè)激光通過(guò)吸收氣體以后的強(qiáng)度，可以得 到圖3a所示的信號(hào)，其中在氣體吸收譜線附近交流信號(hào)幅值較大，沒(méi)有吸收的位置信號(hào)趨 近于零；然后利用鎖相放大器對(duì)信號(hào)的二次諧波2f進(jìn)行解調(diào)，可以得到氣體吸收譜線的二 階微分信號(hào)，如圖3b所示，信號(hào)的幅度對(duì)應(yīng)吸收氣體的濃度。實(shí)際的激光二極管，在經(jīng)過(guò)改變激光器的工作電流來(lái)調(diào)整激光波長(zhǎng)的同時(shí)也改變 了激光二極管的輸出光強(qiáng)度，對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行掃描并疊加頻率為f的正弦調(diào)制波的同 時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)，這一附加光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)的幅值與痕量氣體吸收譜線 信號(hào)的幅值的比值在IO5 1的量級(jí)，這樣探測(cè)器實(shí)際測(cè)得的信號(hào)如圖4a所示，吸收譜線 信號(hào)淹沒(méi)在殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)中，所述殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)即為上述附加光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)。這 種存在殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)的結(jié)果將帶來(lái)如下問(wèn)題1、無(wú)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字處理如上所述，相敏解調(diào)器，即鎖相放大器，是實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)制型可調(diào)諧激光二極管吸收 光譜測(cè)量的核心信號(hào)處理器件。模擬的鎖相放大器存在溫度穩(wěn)定性差和系統(tǒng)參數(shù)不容易調(diào) 整等缺點(diǎn)，其處理精度也不如數(shù)字鎖相放大器；數(shù)字化是一種必然趨勢(shì)。然而，激光二極管 殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度是吸收譜線信號(hào)強(qiáng)度的幾十萬(wàn)倍，如果直接對(duì)信號(hào)做模/數(shù)轉(zhuǎn)換， 需要采用20位以上的A/D轉(zhuǎn)換器才能采集到吸收譜線信號(hào)，但是失真非常大。這種在信號(hào) 數(shù)字化的源頭丟失測(cè)量的信息，即使采用數(shù)字鎖相放大器來(lái)處理也無(wú)法彌補(bǔ)。因而，受殘余 光強(qiáng)調(diào)制的限制，現(xiàn)有的可調(diào)諧激光二極管吸收光譜氣體分析儀器的信號(hào)無(wú)法直接數(shù)字化 并進(jìn)行全數(shù)字化處理，而是需要利用高Q值的帶通濾波器或者模擬的鎖相放大器預(yù)處理以 后才能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。這些模擬電路的引入，加大了系統(tǒng)的調(diào)試難度，并且降低了系統(tǒng)的溫度 穩(wěn)定性和抗電磁干擾能力。2、引起二階諧波形狀畸變，帶來(lái)測(cè)量誤差殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)惡化信噪比的同時(shí)，還會(huì)引起信號(hào)的畸變，圖4b是一個(gè)實(shí)際可 調(diào)諧激光二極管吸收光譜氣體分析儀的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬鎖相放大器解調(diào)出來(lái)的信號(hào)。對(duì)比圖 4b和圖3b，實(shí)際信號(hào)有明顯的畸變和左右不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，這些問(wèn)題都將大大影響儀器的測(cè)量 精度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種測(cè)量氣體濃度的方法和系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償殘余光強(qiáng)調(diào)制 信號(hào)，從而提高了接收端信號(hào)的信噪比，進(jìn)而可以對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字化處理，提高了氣 體濃度測(cè)量的精度，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案
一種測(cè)量氣體濃度的方法，包括驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制；補(bǔ)償波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制后的光束中的殘余光強(qiáng)調(diào)制；將補(bǔ)償后的光束穿過(guò)被測(cè)氣體；將穿過(guò)所述被測(cè)氣體的光束轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并作預(yù)處理；對(duì)所述預(yù)處理之后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理得到所述被測(cè)氣體的吸收光譜，依據(jù) 該吸收光譜確定所述被測(cè)氣體的濃度。優(yōu)選的，所述補(bǔ)償過(guò)程具體為調(diào)整光學(xué)帶阻濾波器下降沿的位置，使其下降沿的中心位置對(duì)準(zhǔn)激光器初始工 作波長(zhǎng)，進(jìn)而使所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿的光譜能覆蓋激光器工作的全部波長(zhǎng)范圍，即 λ 0 λ 0+ Δ λ ；使所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿的功率損耗斜率滿足以下公式
權(quán)利要求
一種測(cè)量氣體濃度的方法，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制；補(bǔ)償波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制后的光束中的殘余光強(qiáng)調(diào)制；將補(bǔ)償后的光束穿過(guò)被測(cè)氣體；將穿過(guò)所述被測(cè)氣體的光束轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并作預(yù)處理；對(duì)所述預(yù)處理之后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理得到所述被測(cè)氣體的吸收光譜，依據(jù)該吸收光譜確定所述被測(cè)氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述補(bǔ)償過(guò)程具體為調(diào)整光學(xué)帶阻濾波器下降沿的位置，使其下降沿的中心位置對(duì)準(zhǔn)激光器初始工作波 長(zhǎng)，進(jìn)而使所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿的光譜能覆蓋激光器工作的全部波長(zhǎng)范圍，即K λ 0+ Δ λ ；使所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿的功率損耗斜率滿足以下公式
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿位置的調(diào)整 方法具體為通過(guò)調(diào)節(jié)所述光學(xué)帶阻濾波器中的光纖布拉格光柵的溫度來(lái)調(diào)整所述光學(xué)帶 阻濾波器的下降沿位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，調(diào)整所述光學(xué)帶阻濾波器下降沿位置之 前還包括過(guò)濾掉光學(xué)帶阻濾波器針對(duì)所述激光器發(fā)射的光信號(hào)的反射信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述預(yù)處理之后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化 處理過(guò)程具體為直接通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行全數(shù)字化處理。
6.一種測(cè)量氣體濃度的系統(tǒng)，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射系統(tǒng)包括激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路；與所述驅(qū)動(dòng)電路相連的激光器，所述激光器在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行波長(zhǎng)掃描并疊加 高頻調(diào)制；與所述激光器相連的光學(xué)濾波器，以補(bǔ)償波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制后的光束中的殘余 光強(qiáng)調(diào)制；連接所述光學(xué)濾波器和被測(cè)氣體工作氣室的光束一次處理裝置； 所述接收系統(tǒng)包括連接所述被測(cè)氣體工作氣室的光束二次處理裝置；與所述光束二次處理裝置和所述驅(qū)動(dòng)電路相連的信號(hào)處理裝置，所述信號(hào)處理裝置用 于控制所述驅(qū)動(dòng)電路工作，以及接收經(jīng)過(guò)所述二次處理裝置的光束并處理得到攜帶被測(cè)氣 體吸收譜線信息的光信號(hào)，并將該光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處 理得到被測(cè)氣體的吸收光譜，并依據(jù)所述吸收光譜得到被測(cè)氣體的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)濾波器為光學(xué)帶阻濾波器，包括光纖布拉格光柵，其下降沿用于補(bǔ)償激光器殘余光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)，起到光學(xué)濾波的作用；溫度控制器，包括溫控電路和溫控裝置，在所述溫控電路的驅(qū)動(dòng)下，溫控裝置控制所述 光纖布拉格光柵的工作溫度，進(jìn)而調(diào)整所述光纖布拉格光柵的下降沿位置以適應(yīng)不同激光 器的工作波長(zhǎng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)帶阻濾波器還包括光隔離器，所 述光隔離器只允許光信號(hào)單向傳輸，以避免光學(xué)帶阻濾波器將光信號(hào)反射回激光器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束一次處理裝置包括 傳輸光纖，將所述光學(xué)帶阻濾波器的光束傳輸?shù)较乱粋€(gè)工作元件；光纖準(zhǔn)直器，接收所述傳輸光纖的光束并將其轉(zhuǎn)換成平行光束； 光學(xué)擴(kuò)束器，將經(jīng)過(guò)所述光纖準(zhǔn)直器的平行光束轉(zhuǎn)換成直徑較大的平行光束，以穿過(guò) 所述被測(cè)氣體；所述光束二次處理裝置包括光學(xué)縮束器，將穿過(guò)所述被測(cè)氣體后的平行光束直徑縮??；空間光_光纖耦合器，將經(jīng)過(guò)所述光學(xué)縮束器的平行光束耦合到光纖中。傳輸光纖，將經(jīng)過(guò)所述空間光-光纖耦合器的光束傳輸?shù)较乱粋€(gè)工作元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理裝置包括探測(cè)器，用于接收所述光束二次處理裝置末端傳輸光纖的光束，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；信號(hào)預(yù)處理電路，用于對(duì)所述探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換成適合A/D 轉(zhuǎn)換的電信號(hào)，所述電信號(hào)中攜帶被測(cè)氣體吸收譜線信息；全數(shù)字解調(diào)和信號(hào)處理模塊，包括數(shù)字鎖相濾波器和信號(hào)處理器，用于對(duì)所述攜帶被 測(cè)氣體吸收譜線信息的電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而采集到被測(cè)氣體的吸收光譜，并依據(jù)所 述吸收光譜計(jì)算得到被測(cè)氣體的濃度；顯示模塊，用于顯示被測(cè)氣體的吸收光譜和被測(cè)氣體的濃度。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種氣體濃度測(cè)量方法和系統(tǒng)，該方法包括驅(qū)動(dòng)激光器進(jìn)行波長(zhǎng)掃描并疊加高頻調(diào)制；補(bǔ)償波長(zhǎng)調(diào)制后的光束中的殘余光強(qiáng)調(diào)制；將補(bǔ)償后的光束穿過(guò)被測(cè)氣體；將穿過(guò)被測(cè)氣體的光束轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并作預(yù)處理，對(duì)該預(yù)處理后的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理得到被測(cè)氣體的吸收光譜，依據(jù)該吸收光譜確定被測(cè)氣體的濃度。該系統(tǒng)包括激光器調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路；與所述驅(qū)動(dòng)電路相連的激光器；與所述激光器相連的光學(xué)濾波器；連接所述光學(xué)濾波器和被測(cè)氣體容器的光束一次處理裝置；連接所述被測(cè)氣體容器的光束二次處理裝置；與所述光束二次處理裝置和所述驅(qū)動(dòng)電路相連的信號(hào)處理裝置。本實(shí)施例提高了氣體濃度測(cè)量的精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101963577SQ20091010462
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月10日
發(fā)明者朱永, 梁波, 陳俊清 申請(qǐng)人:重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司