本發(fā)明涉及壓力計校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于氣體吸收譜線壓力展寬效應(yīng)的壓力計校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

壓力是生物、醫(yī)療、航空航天、海洋工程以及核能源等尖端科技領(lǐng)域中一個重要的工藝參數(shù)。壓力傳感器是目前壓力測量中應(yīng)用最廣泛的傳感器，具有體積小、頻率響應(yīng)高的優(yōu)勢。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對壓力傳感器的精度提出了越來越高的要求。環(huán)境的穩(wěn)定性、校準(zhǔn)規(guī)范和精度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、檢測質(zhì)量優(yōu)劣。因此，對壓力傳感器的準(zhǔn)確校準(zhǔn)具有十分重要的應(yīng)用價值。目前，壓力傳感器都在質(zhì)檢部門進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后再在實際工況中使用，傳感器在運輸、安裝過程中難免會引入誤差。實際應(yīng)用中，測試人員往往希望在工況現(xiàn)場完成壓力傳感器的標(biāo)定，因為此時傳感器所處的環(huán)境、溫度都與使用時一致，且無需送檢，大大提高了工作效率。傳統(tǒng)的檢定方法主要是利用活塞式壓力計或者數(shù)字壓力控制器對壓力表進(jìn)行檢定。標(biāo)準(zhǔn)活塞式壓力計是利用壓力作用在活塞上的力與砝碼的重力相平衡測量壓力的儀表。但是，活塞壓力計校準(zhǔn)方法對高精度、小量程的真空壓力計檢測能力受壓力產(chǎn)生范圍限制，其可生成最小壓力介于1-20Kpa之間。此外，該方法易受人為因素影響，準(zhǔn)確度不易保證，而且勞動強(qiáng)度大、勞動條件差、檢定效率低。在很多應(yīng)用領(lǐng)域，低壓的檢測是十分關(guān)鍵的，比如玻爾茲曼常數(shù)的測量。它需要在低壓狀態(tài)下測量原子或者分子的多普勒線寬。數(shù)字壓力控制器通過更高精度的壓力計去控制壓力源對待檢的壓力計進(jìn)行校準(zhǔn)。然而，標(biāo)定過的壓力傳感器放置或使用了一段時間后，由于環(huán)境條件的影響，會產(chǎn)生時漂，零點、靈敏度、非線性等參數(shù)都會發(fā)生改變，為了保證精度需要頻繁校準(zhǔn)。

近年來，分子光譜在吸收測量、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、以及分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用等方面的應(yīng)用得到普遍關(guān)注，對光譜譜線的研究也受到了越來越多的重視。氣體分子光譜線型和線寬取決于分子間相互作用和溫度、氣壓等環(huán)境因素。因此，利用氣體吸收光譜的線寬和壓強(qiáng)的關(guān)系可以對待校準(zhǔn)的壓力計進(jìn)行校準(zhǔn)。光腔衰蕩技術(shù)作為一種高靈敏的光譜檢測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于氣體檢測領(lǐng)域。它通過測量激光在衰蕩腔內(nèi)的衰蕩時間確定腔內(nèi)總損耗，在腔內(nèi)充入吸收介質(zhì)時可測量其吸收光譜信息，從而避免了激光束自身強(qiáng)度漂移的影響?；诠馇凰ナ幑庾V技術(shù)和氣體吸收光譜壓力展寬效應(yīng)可實現(xiàn)高精度、小量程壓力計的精確校準(zhǔn)。由于氣體吸收特性不隨時間變化，所用該方法無需做定期校準(zhǔn)，抗干擾能力強(qiáng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對傳統(tǒng)壓力計校準(zhǔn)儀器對高精度、小量程的真空壓力計檢測范圍有限的問題，提出一種基于氣體吸收譜線壓力展寬效應(yīng)的壓力計校準(zhǔn)方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉以及可實現(xiàn)多個壓力計同時校準(zhǔn)的優(yōu)點。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于氣體吸收譜線壓力展寬效應(yīng)的壓力計校準(zhǔn)方法，實現(xiàn)步驟如下：

步驟(1)、波長可調(diào)諧激光入射到兩端裝有平凹高反射率腔鏡的氣體池，兩平凹高反射鏡凹面相對構(gòu)成穩(wěn)定的衰蕩腔，部分光從一端耦合進(jìn)入腔內(nèi)，在另一端輸出的光經(jīng)聚焦透鏡聚焦到探測器上，得到衰蕩腔輸出信號；

步驟(2)、調(diào)諧激光器輸出波長，由數(shù)據(jù)采集卡記錄各波長λ下光腔衰蕩信號，并按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合得各波長λ下的衰蕩時間τ(λ)，利用關(guān)系式計算得到各波長λ下的氣體吸收系數(shù)α(λ)，進(jìn)而可繪制氣體吸收系數(shù)α(λ)與波長λ關(guān)系曲線，即氣體吸收光譜，其中τ₀為腔內(nèi)沒有吸收時的衰蕩時間，c為光速；

步驟(3)、在壓強(qiáng)較大的情況下，因為大量分子之間的無規(guī)則碰撞，譜線展寬輪廓認(rèn)為是洛倫茲輪廓。利用公式擬合吸收譜線，其中y是歸一化的吸收強(qiáng)度，γ是擬合得到的譜線半高寬，λ₀是譜線的中心波長，a₁和A₀為常量。

步驟(4)、在溫度T的狀態(tài)下，改變氣體池內(nèi)壓強(qiáng)，重復(fù)步驟(2)和步驟(3)。同時記錄待校準(zhǔn)壓力計讀數(shù)P，得到不同壓強(qiáng)讀數(shù)下的譜線半高寬γ(P,T)。

步驟(5)、由于洛倫茲線寬與壓強(qiáng)成正比，當(dāng)測量氣體中吸收氣體含量很低，即吸收氣體所占的分壓可忽略時，線寬與壓強(qiáng)關(guān)系可以近似成其中，γ_air(P_ref,T_ref)為吸收氣體在參考壓強(qiáng)P_ref和參考溫度T_ref下的壓力展寬系數(shù)，P為總壓強(qiáng)，n為一個與溫度有關(guān)的系數(shù)。γ_air(P_ref,T_ref)和n的值都可從HITRAN紅外光譜數(shù)據(jù)庫中得到。

步驟(6)、根據(jù)HITRAN紅外光譜數(shù)據(jù)庫中給出的吸收氣體壓力展寬系數(shù)γ_air(P_ref,T_ref)、實測溫度T以及擬合得到的譜線半寬γ(P,T)，可以反推出氣體池內(nèi)的理論壓強(qiáng)大小P_HITRAN，繪制待測壓力計指示壓強(qiáng)P與P_HITRAN的關(guān)系圖，對待校準(zhǔn)壓力計進(jìn)行校準(zhǔn)。

其中，所述構(gòu)成衰蕩腔的兩塊平凹高反射鏡的反射率在激光器掃描范圍內(nèi)大于99.9％，所構(gòu)成的衰蕩腔為穩(wěn)定腔或者共焦腔，腔長L滿足0<L≤2r，其中r為平凹高反鏡凹面的曲率半徑。

其中，所述光源是可寬調(diào)諧的窄線寬激光器，其調(diào)諧范圍應(yīng)覆蓋待測吸收氣體一個完整的吸收峰輪廓，其線寬不影響吸收譜線線寬。

其中，所述氣體的吸收光譜與溫度相關(guān)，通過在氣體池中集成溫度檢測裝置對檢測過程中氣體池內(nèi)氣體狀態(tài)實時監(jiān)控。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過測量光在光腔中的衰蕩時間獲得吸收系數(shù)，所測結(jié)果不受激光器光強(qiáng)波動的影響，具有較高的信噪比和抗干擾能力，因此具有更高的測量精度；

(2)本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建調(diào)節(jié)，操作方便；

(3)本發(fā)明可以同時對多個壓力計進(jìn)行實時校準(zhǔn)，無需對校準(zhǔn)儀器做定期校準(zhǔn)，大大降低了測量的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于吸收譜線壓力展寬的壓力計校準(zhǔn)裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明的實施例中不同待校準(zhǔn)壓力計讀數(shù)下的水汽吸收光譜；

圖3為本發(fā)明的實施例中待校準(zhǔn)壓力計的校準(zhǔn)結(jié)果；

圖中附圖標(biāo)記含義為：1為光源，2為光隔離器，3為聲光調(diào)制器，4為633nm的He-Ne激光器，5為測量腔，6為探測器，7為高速數(shù)字采集卡，8為計算機(jī)，9為函數(shù)發(fā)生器，10為溫度傳感器，11為待校準(zhǔn)壓力計或待校準(zhǔn)壓力組，12為真空泵，13為聚焦透鏡，14為壓電陶瓷，15為分光鏡，16為光源波長調(diào)諧控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1描述本發(fā)明的基于吸收譜線壓力展寬的壓力計校準(zhǔn)方法。

本實施例以高光束質(zhì)量(TEM₀₀模)的寬調(diào)諧窄線寬量子級聯(lián)激光器為光源1，調(diào)諧范圍為1810-1985cm^-1，最小調(diào)諧步長0.01cm^-1；由兩塊相同的、凹面鍍高反射膜的平凹高反射鏡(反射率大于99.9％)凹面相對構(gòu)成衰蕩腔，衰蕩腔為穩(wěn)定腔或共焦腔，腔長L滿足0＜L≤2r，其中r為腔鏡凹面的曲率半徑；衰蕩腔鏡安裝于氣體池兩端，衰蕩腔與樣品池組成密封的測量腔5；激光光束經(jīng)光隔離器2和聲光調(diào)制器3后進(jìn)入衰蕩腔，從衰蕩腔后腔鏡透射的激光束由聚焦透鏡13會聚到快速紅外探測器6，探測器6將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號由高速數(shù)據(jù)采集卡7記錄并輸入計算機(jī)8處理及存儲；在其中一個腔鏡上安裝壓電陶瓷(PZT)14，由函數(shù)發(fā)生器9產(chǎn)生三角波信號周期性驅(qū)動壓電陶瓷14來調(diào)諧衰蕩腔長，以實現(xiàn)窄線寬激光與諧振腔的耦合。為便于光路調(diào)節(jié)由高反鏡和分光鏡15引入可見的He-Ne光源4。

由于水汽在激光器調(diào)諧范圍內(nèi)存在豐富的窄吸收譜線，下面以水汽光譜測量為例，介紹基于吸收譜線壓力展寬的壓力計校準(zhǔn)方法的具體步驟。

首先腔內(nèi)充入0級空氣，它的主要成分由氮氣和氧氣組成。利用真空泵12保證腔內(nèi)壓強(qiáng)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)兩個腔鏡俯仰使光腔輸出信號幅值最大，通過激光器光源波長調(diào)諧控制器16來調(diào)諧量子級聯(lián)激光器輸出波長，調(diào)諧步長為0.01cm^-1。當(dāng)探測器6輸出的電信號大于設(shè)定的閾值時，計算機(jī)8產(chǎn)生一個觸發(fā)信號傳遞給聲光調(diào)制器3關(guān)斷入射光，由高速數(shù)據(jù)采集卡7記錄各波長λ下光腔輸出的衰蕩信號，并按單指數(shù)衰減函數(shù)擬合，得到各波長λ下的衰蕩時間τ(λ)，其中A、B為擬合系數(shù)；在腔內(nèi)沖入高純氮氣，得到?jīng)]有氣體吸收時的衰蕩時間τ₀，利用關(guān)系式計算得到各波長λ下的氣體吸收系數(shù)α(λ)。

然后繪制出氣體吸收系數(shù)α(λ)與λ的氣體吸收光譜曲線如圖2所示，并對該曲線按照進(jìn)行擬合處理，得到譜線的半高寬γ(p,T)，記錄此時待校準(zhǔn)壓力計11讀數(shù)。利用真空泵12改變氣體池內(nèi)壓強(qiáng)，重復(fù)上述步驟，得到不同壓強(qiáng)下的氣體吸收譜和譜線半寬。圖2為不同待校準(zhǔn)壓力計讀數(shù)下的0級空氣中水汽吸收光譜；

最后由公式利用HITRAN紅外光譜數(shù)據(jù)庫中給出的吸收氣體壓力展寬系數(shù)γ_air(P_ref,T_ref)、實測溫度T以及擬合得到的譜線半寬γ(P,T)，可以反推出氣體池內(nèi)的理論壓強(qiáng)大小P_HITRAN，繪制待測壓力計指示壓強(qiáng)P_Mea與P_HITRAN的關(guān)系圖，對待校準(zhǔn)壓力計進(jìn)行校準(zhǔn)。圖3為待校準(zhǔn)壓力計的校準(zhǔn)結(jié)果。擬合關(guān)系可以表示為P_Mea＝a+b×P_HITRAN，用最小二乘法估計參數(shù)，要求測量值偏差的加權(quán)平方和最小。a為偏置，比例系數(shù)b為0.9987。

總之，本發(fā)明提出了基于吸收譜線壓力展寬的壓力計校準(zhǔn)方法，其測量結(jié)果不受激光器強(qiáng)度波動的影響，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建調(diào)節(jié)，操作方便，可同時對多個待校準(zhǔn)的壓力計進(jìn)行實時測量，無需對校準(zhǔn)儀器做定期校準(zhǔn)等優(yōu)點。