本發(fā)明屬于氣體測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的裝置及方法。

背景技術(shù)：

近些年紅外混合氣體檢測得到了越來越廣泛的關(guān)注，許多化合物分子在紅外波段都具有吸收帶，且因物質(zhì)的分子不同，吸收帶所在的波長和吸收的強(qiáng)弱也不相同。根據(jù)吸收帶分布情況與吸收的強(qiáng)弱能夠識(shí)別物質(zhì)分子的類型，從而能夠得出物質(zhì)的組成及組成成分的百分比。因而，紅外混合氣體檢測在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，包括：大氣化學(xué)分析、工業(yè)過程控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，城市環(huán)境質(zhì)量檢測、生命科學(xué)研究等?，F(xiàn)有技術(shù)中利用測定特定氣體對特定波長紅外光的吸收響應(yīng)來定量檢測氣體濃度的方法由來已久。其檢測裝置通常由紅外輻射光源、吸收氣室和紅外探測器組成。紅外輻射光源發(fā)出的紅外光在吸收氣室中被待測氣體吸收然后到達(dá)紅外探測器，通過紅外探測器讀出響應(yīng)電壓再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算即可得到待測氣體的濃度。然而，現(xiàn)有混合氣體檢測裝置往往需要一個(gè)紅外輻射光源同時(shí)配備一個(gè)吸收氣室和紅外探測器來實(shí)現(xiàn)一種特定氣體的檢測。而這一點(diǎn)也就意味著如果需要同時(shí)檢測多種氣體則需要配備相同數(shù)量的紅外輻射光源、吸收氣室和紅外探測器。而現(xiàn)階段吸收氣室與紅外探測器價(jià)格較高，因此導(dǎo)致整個(gè)檢測系統(tǒng)成本高，同時(shí)也存在體積龐大的缺陷。因此，如何實(shí)現(xiàn)精簡紅外混合氣體檢測系統(tǒng)及高效、低成本獲取混合氣體紅外吸收響應(yīng)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員想要解決的技術(shù)問題。故而，亟需一種能夠解決上述技術(shù)問題的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的裝置及方法，使得調(diào)制頻率互不相同的紅外光源通過光纖集束器入射至同一吸收氣室后到達(dá)紅外探測器，而后結(jié)合fft技術(shù)得到各調(diào)制頻率下的光譜響應(yīng)，進(jìn)而獲取各組分濃度。本發(fā)明精簡了檢測裝置體積，降低了成本，同時(shí)提高了檢測精度與靈敏度，具有高效快捷的優(yōu)勢。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的裝置，包括紅外吸收模塊與數(shù)據(jù)處理模塊，其中：紅外吸收模塊包括順次連接的紅外光源、吸收氣室和紅外探測器，所述紅外光源、所述吸收氣室與所述紅外探測器設(shè)置于同一光軸上，其特征在于：紅外光源的數(shù)目至少為兩個(gè)以同時(shí)檢測至少兩種氣體成分，各個(gè)紅外光源的調(diào)制頻率互不相同，調(diào)制頻率互不相同的紅外光源通過光纖連接至光纖集束器，經(jīng)光纖集束器射入同一吸收氣室，從吸收氣室射出到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊相連的紅外探測器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理識(shí)別輸出待檢測混合氣體的成分和測定待檢測混合氣體所包含成分的濃度。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中通過頻率調(diào)制組件實(shí)現(xiàn)對紅外光源的頻率調(diào)制。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，本技術(shù)方案中頻率調(diào)制組件可以由簡單、低成本的小型光學(xué)斬波裝置實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中光纖集束器可以將多路光纖的紅外輻射光集束至同一光路。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中吸收氣室可以是固定腔長氣室，也可以是可調(diào)腔長氣室，相對來說，后者能夠?qū)崿F(xiàn)待測氣體對紅外輻射光的充分吸收。

作為優(yōu)選實(shí)施例，本技術(shù)方案中紅外探測器為陣列型紅外探測器。

另一方面，本發(fā)明提供一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的方法，包括如下步驟：

步驟a：測量初始狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)電壓v0；

吸收氣室未通入待測混合氣體，將各個(gè)紅外光源的調(diào)制頻率設(shè)定為0，開啟所述紅外光源使得各路紅外輻射光通過光纖集束器入射至同一吸收氣室，而后經(jīng)吸收氣室射出到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊相連的紅外探測器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理獲取初始狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)v0；

步驟b：測量檢測狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)電壓v1；

吸收氣室中通入待測混合氣體，調(diào)節(jié)各個(gè)紅外光源的調(diào)制頻率互不相同，開啟所述紅外光源使得各路紅外輻射光通過光纖集束器入射至同一吸收氣室，而后經(jīng)吸收氣室射出到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊相連的紅外探測器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理獲取檢測狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)v1；

步驟c：計(jì)算各頻率對應(yīng)光譜響應(yīng)r；

利用步驟a和步驟b得到的v0和v1進(jìn)行快速傅里葉變換，從而獲得各個(gè)調(diào)制頻率下相對應(yīng)的光譜響應(yīng)r；

步驟d：測定待測混合氣體的組分；

將步驟c得到的各光譜響應(yīng)r分別與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜進(jìn)行比對，即可獲得待測混合氣體的成分及待測混合氣體所包含成分的濃度。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中通過頻率調(diào)制組件實(shí)現(xiàn)對紅外光源的頻率調(diào)制。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，本技術(shù)方案中頻率調(diào)制組件可以由簡單、低成本的小型光學(xué)斬波裝置實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中光纖集束器可以將多路光纖的紅外輻射光集束至同一光路。

進(jìn)一步地，本技術(shù)方案中吸收氣室可以是固定腔長氣室，也可以是可調(diào)腔長氣室，相對來說，后者能夠?qū)崿F(xiàn)待測氣體對紅外輻射光的充分吸收。

作為優(yōu)選實(shí)施例，本技術(shù)方案中紅外探測器為陣列型紅外探測器。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過將多個(gè)紅外光源設(shè)置為互不相同的調(diào)制頻率，巧妙結(jié)合快速傅里葉變換(fft)計(jì)算各調(diào)制頻率下的光譜響應(yīng)值，進(jìn)而檢測得到混合氣體中各成分及各成分的濃度，精簡了吸收氣室和紅外探測器的使用量，進(jìn)而有效解決了現(xiàn)有裝置在檢測多組分混合氣體存在體積大、成本高的問題。另外，本發(fā)明在低濃度氣體檢測上具有比現(xiàn)有裝置更高的檢測精度和靈敏度，提高了檢測裝置的檢測效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的檢測裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的檢測流程示意圖。

圖中：1為紅外光源，2為頻率調(diào)制組件，3為光纖，4為光纖集束器，5為吸收氣室，6為紅外探測器，7為數(shù)據(jù)處理模塊。

具體實(shí)施方式

下文結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施例提供了一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的裝置，包括：紅外吸收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其中：紅外吸收模塊包括順次連接的紅外光源1、吸收氣室5和紅外探測器6，所述紅外光源1、所述氣室5與所述紅外探測器6設(shè)置于同一光軸上，其特征在于：紅外光源1的數(shù)目至少為兩個(gè)以同時(shí)檢測至少兩種氣體成分，各個(gè)紅外光源1的調(diào)制頻率互不相同，調(diào)制頻率互不相同的紅外光源1通過光纖3連接至光纖集束器4，經(jīng)光纖集束器4射入同一吸收氣室5，從吸收氣室5射出到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊7相連的紅外探測器6，而后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊7處理識(shí)別輸出待檢測混合氣體的成分和測定待檢測混合氣體所包含成分的濃度。

本發(fā)明實(shí)施例中，紅外光源1在現(xiàn)有裝置中通常采用小型激光器實(shí)現(xiàn)，優(yōu)選為能夠提供特定波長的窄帶紅外輻射；紅外光源1的數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置，本發(fā)明對此不做限制；

本發(fā)明實(shí)施例中，頻率調(diào)制組件2為小型光學(xué)斬波器，可以將紅外光源1出射的光按照特定頻率進(jìn)行斬波；在一些具體實(shí)施例中，各個(gè)斬波器的頻率設(shè)置按照一定差值等差設(shè)置，如5hz、10hz、15hz和20hz，以方便后續(xù)操作計(jì)算，差值的大小不做限定，一般來說，差值較大有利于快速傅里葉變換的相關(guān)計(jì)算。

本發(fā)明實(shí)施例中，光纖3為普通寬光譜光纖，可以將通過頻率調(diào)制組件2的紅外輻射傳輸至光纖集束器4中；在一些具體實(shí)施例中，光纖3需要根據(jù)紅外光源1的輻射波長來確定具體型號(hào)與尺寸。

本發(fā)明實(shí)施例中，光纖集束器4為4×1集束器，可以將4路光纖中的紅外輻射集束到同一光路中，然后出射到吸收氣室5的入射口中；在一些具體實(shí)施例中，由于紅外光源1數(shù)量較多，光纖集束器4可以換置為6×1、12×1或者24×1等更多接入口的集束器。

本發(fā)明實(shí)施例中，吸收氣室5為固定腔長吸收氣室，一般采用赫里奧特光學(xué)吸收池，可以保證被測氣體在吸收池內(nèi)對紅外輻射光進(jìn)行有效吸收。在一些具體實(shí)施例中，吸收氣室5會(huì)采用可調(diào)腔長吸收氣室，一般采用懷特光學(xué)吸收池，通過調(diào)節(jié)吸收池的腔長來保證混合氣體都可以進(jìn)行很好的紅外輻射吸收。作為優(yōu)選實(shí)施方式，吸收氣室5內(nèi)壁鍍有光滑、均勻的高反射膜層，使得射入光在吸收氣室內(nèi)多次反射后到達(dá)紅外探測器6，這樣可以增加有效吸收光路的光程。

本發(fā)明實(shí)施例中，本發(fā)明對紅外探測器6的種類不做限定，通常采用陣列紅外探測器，可以對由吸收氣室5出射的紅外輻射進(jìn)行響應(yīng)，紅外探測器6與數(shù)據(jù)處理模塊7相連，從而利用快速傅里葉變換(fft)計(jì)算出各頻率對應(yīng)的光譜響應(yīng)。

如圖2所示，本發(fā)明具體實(shí)施例提供了一種基于快速傅里葉變換檢測混合氣體的方法，包括如下步驟：

步驟a：測量初始狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)電壓v0；

吸收氣室未通入待測混合氣體，將各個(gè)紅外光源的調(diào)制頻率設(shè)定為0，開啟所述紅外光源使得調(diào)制頻率均為0的各路紅外輻射光通過光纖集束器入射至同一吸收氣室后到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊7相連的紅外探測器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊7處理獲取初始狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)v0；

步驟b：測量檢測狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)電壓v1；

吸收氣室中通入待測混合氣體，調(diào)節(jié)各個(gè)紅外光源的調(diào)制頻率互不相同，開啟所述紅外光源使得調(diào)制頻率互不相同的各路紅外輻射光通過光纖集束器入射至同一吸收氣室后到達(dá)與數(shù)據(jù)處理模塊7相連的紅外探測器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊7處理獲取檢測狀態(tài)紅外探測器響應(yīng)v1；

步驟c：計(jì)算各頻率對應(yīng)光譜響應(yīng)r；

利用步驟a和步驟b得到的v0和v1進(jìn)行快速傅里葉變換，從而獲得各個(gè)調(diào)制頻率下相對應(yīng)的光譜響應(yīng)r；

步驟d：測定待測混合氣體的組分；

將步驟c得到的各光譜響應(yīng)r分別與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜進(jìn)行比對，即可獲得待測混合氣體的成分及待測混合氣體所包含成分的濃度。

利用紅外吸收光譜法測定氣體濃度是基于非對稱結(jié)構(gòu)分子對紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性而實(shí)現(xiàn)的一種定量或者定性分析的方法。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段均存在一定的吸收峰，而吸收峰的強(qiáng)弱及所在波長是由其分子本身的結(jié)構(gòu)決定。在現(xiàn)有的檢測裝置中均是根據(jù)紅外光通過氣體時(shí)，氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)波長處產(chǎn)生光強(qiáng)的衰減，而衰減程度與氣體濃度的大小有關(guān)，其關(guān)系符合朗伯比爾定律，如公式(1)所示：

i＝i0e^-kcl

其中：i為射出光強(qiáng)度，i0為射入光強(qiáng)度，k為氣體吸收系數(shù)，c為氣體濃度，l為紅外光透過氣體的路程。

氣體吸收系數(shù)k取決于氣體特性，不同氣體的吸收系數(shù)互不相同，對于同一種氣體，k是吸收峰波長的函數(shù)，當(dāng)待測氣體種類一定時(shí)，k為一定值。當(dāng)l一定時(shí)，只需測量射出光強(qiáng)度i即可確定待測氣體濃度。由于光強(qiáng)易受外界環(huán)境的影響且不方便測量，因此，現(xiàn)有技術(shù)是采用紅外探測器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對氣體濃度的間接測量。

本發(fā)明的紅外吸收模塊中紅外光源1與頻率調(diào)制組件2一一連接，通過調(diào)節(jié)頻率調(diào)制組件使得各紅外光源的調(diào)制頻率互不相同，然后通過光纖3連接，多路光纖的紅外輻射光通過光纖集束器4集中到同一光路，光路進(jìn)入吸收氣室5，吸收氣室5的數(shù)目只有一個(gè)，這一設(shè)置不僅精簡了裝置的體積而且達(dá)到高效、低成本的目的；吸收氣室5內(nèi)充有待檢測混合氣體，紅外輻射光通過待檢測混合氣體時(shí)，各種氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)波長處產(chǎn)生光強(qiáng)的衰減，而這一光學(xué)信號(hào)通過射出到達(dá)紅外探測器6被轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)輸出，本發(fā)明中紅外探測器6與數(shù)據(jù)處理模塊7相連，本發(fā)明巧妙將快速傅里葉變換運(yùn)用于混合氣體組分檢測，將紅外探測器6輸出的電學(xué)信號(hào)通過快速傅里葉變化獲得各調(diào)制頻率下的光譜響應(yīng)值，由于快速傅里葉變換能將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取，而后在頻譜圖上得到該信號(hào)在各頻率下相對應(yīng)的響應(yīng)，因此，通過與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜進(jìn)行比對，能夠獲得待測混合氣體的成分及待測混合氣體所包含成分的濃度。

根據(jù)本領(lǐng)域公知常識(shí)可知，快速傅里葉變換(fft)是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的，在matlab等數(shù)學(xué)工具中已有成熟的函數(shù)庫可以調(diào)用，因而，通過快速傅里葉變化獲得各調(diào)制頻率下的光譜響應(yīng)值r為本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。

快速傅里葉變換(fft)能夠?qū)⒁粋€(gè)信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，而這一轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢在于：有些信號(hào)在時(shí)域上不易識(shí)別，而轉(zhuǎn)換到頻域之后，就很容易識(shí)別。尤其是當(dāng)信號(hào)比較微弱或者背景噪聲干擾較大的時(shí)候，時(shí)域信號(hào)幾乎已無法識(shí)別，但將其經(jīng)過fft轉(zhuǎn)換獲得的頻域信號(hào)卻可以很好被識(shí)別。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。