基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法和裝置製造方法

2023-06-16 23:52:56 2

基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法和裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量【技術領域】，為提供一種提高可調諧雷射吸收光譜檢測精度的方法和裝置，可以在不增加系統硬體開銷的情況下，完整的採集、記錄譜線的全部信息，從而提高TDLAS系統的測量精度，並適合於氣體濃度、壓力、溫度及流速在線（及原位）或離線檢測或監測應用。為達到上述目的，本發明的技術方案是：基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，步驟是：檢測氣體對雷射的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內的氣體的參數進行測量，其中，在雷射激發階段施加某種變換，在檢測氣體對雷射的吸收譜線階段施加相應的逆變換。本發明主要應用於氣體檢測。
【專利說明】基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量【技術領域】，涉及可調諧二極體雷射吸收光譜分析的方法和裝置，特別是用於痕量氣體檢測的可調諧二極體雷射器的調製方法和裝置，本發明可以用於氣體濃度、溫度、壓力或流速的高精度測量，具體講，涉及基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]可調諧二極體雷射吸收光譜分析(Tunable diode laser absorptionspectroscopy, TDLAS)是一種高靈敏度、高解析度和快速響應的氣體檢測技術，廣泛用於工業流程中的氣體監控、環境大氣檢測以及科學研究等領域。它利用二極體雷射器的波長調諧特性，即通過改變二極體雷射器的溫度或注入電流，改變雷射器的輸出波長。在波長調諧範圍內，檢測待測氣體的特徵吸收光譜，在氣體吸收光譜的線形(spectral line profile)中包含有與氣體濃度、壓力、溫度、流速等相關的信息，通過對吸收光譜的線形分析，可以在線測量氣體的濃度、溫度、壓力或流速。
[0003]對於高濃度或吸收係數較大的氣體，通常採用直接吸收光譜檢測方法。直接吸收光譜是檢測通過被測氣體後光強度隨波長的變化，通過對吸收信號的強度分析，由朗伯-比爾(Beer-Lambert)定律計算被測氣體的濃度。這種測量方法受光源的光強波動、檢測器和放大器噪聲、外界幹擾等影響，其測量誤差較大、靈敏度和精度較低。
[0004]為了提高檢測靈敏度，通常採用波長調製光譜(Wavelength modulationspectroscopy, WMS)技術。WMS技術對雷射做波長掃描和高頻調製，經氣體吸收後的雷射由光電探測器轉換為電信號，利用相敏檢測(通常使用鎖相放大器)技術檢測氣體吸收光譜的高頻調製諧波信號。WMS可以抑制雷射強度起伏、系統Ι/f噪聲、漂移等各種噪聲的影響，極大地提高了信號的信噪比，檢測靈敏度比直接吸收光譜分析技術高兩個數量級以上。
[0005]通常，在雷射吸收光譜分析中技術中採用鋸齒波對雷射波長做線性掃描，這種線性掃描過程中將吸收光譜線形直接傳遞到檢測器，在不同的溫度和壓力條件下，氣體吸收光譜的線形呈現為高斯線形(Gaussian profile)、洛侖茲線形(Lorentzian profile)或福伊特線形(Voigt profile)，要採集完整的線形信息，一方面需要足夠多的採樣點數，即AD轉換器採樣率和數據存儲器要足夠大，這與處理器的速度、運算能力及成本有較大關係，另一方面也需要抑制信號傳遞通道的寄生幅度幹擾、非線性、相位噪聲等對譜線線形的幹擾。目前採用鋸齒波的線性波長掃描技術中，由於受AD採樣率以及數據處理速度的限制，對氣體吸收譜線大多是欠採樣。這影響了光譜信息的準確採集和處理，尤其是存在噪聲和幹擾時，對測量精度的影響很大。
[0006]德國慕尼黑工業大學的J.Chen等人提出一種非線性波長掃描方法，通過使在吸收光譜峰值附近的波長掃描速率為零，以增加對吸收譜峰值的採樣點數，並通過數據擬合提高光譜分析的靈敏度。這種方法理論上可以將測量簡化、優化，但是，它需要準確獲取並保持吸收光譜的峰值相對位置，任何小的溫度或注入電流擾動(噪聲)都可能將產生較大的影響，這在實踐中實現的技術要求高，另外，這種檢測方法只記錄了氣體吸收譜線的線強信息，而丟棄了吸收光譜中的線形信息，只能用於氣體濃度的測量，並需要對溫度和壓力進行補償。不能用於氣體溫度、壓力及流速的測量。

【發明內容】

[0007]本發明旨在解決克服現有技術的不足，提供一種提高可調諧雷射吸收光譜檢測精度的方法和裝置。基於本發明的方法和裝置，可以在不增加系統硬體開銷的情況下，完整的採集、記錄譜線的全部信息，從而提高TDLAS系統的測量精度，並適合於氣體濃度、壓力、溫度及流速在線(及原位)或離線檢測或監測應用。 [0008]為達到上述目的，本發明的技術方案是:基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，步驟是:檢測氣體對雷射的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內的氣體的參數進行測量，其中，在雷射激發階段施加某種變換，在檢測氣體對雷射的吸收譜線階段施加相應的逆變換。
[0009]施加某種變換採用的變換函數包括但不限於高斯函數、洛侖茲函數、正弦或餘弦函數、鐘形函數中的一種，所施加變換函數的特徵參數與氣體吸收譜線參數、雷射器的調製特性以及雷射驅動器的傳輸特性參數相關。
[0010]所述傳輸特性參數相關具體為:所施加變換函數的幅值a、中心位置b、和寬度c特徵參數與氣體吸收譜線中心位置λ。、線寬Ym參數、鋸齒波周期Τ、幅度AVm參數以及包括雷射驅動器的電壓-電流轉換係數α、二極體雷射器的電流調諧速率β的雷射器的調製特性相關，具體如下:
[0011]波形幅值a與施加的調製鋸齒波斜率相關，取為:
AV
[0012]a<^-(I)
T
[0013]其中，T是鋸齒波周期，單位:ms，Λ Vni是鋸齒波的幅度，單位:V ；
[0014]中心位置b取值為:
[0015]b= λ c(t) =kT(2)
[0016]其中，Xc(t)為譜線的中心位置出現的時刻，k為常數係數且k〈l,k取0.5~0.8 ;
[0017]寬度c與待測氣體譜線寬度FWHM，Y m，單位:nm、雷射波長調諧範圍Λ vm,單位:nm和鋸齒波的周期T有關:
[0018]C = k^--T(3)
[0019]其中，Ic1為經驗係數，取值範圍為1.1~3，雷射波長調諧範圍Avm與鋸齒波幅度關係為
[0020]Δ V m= α.β.Vm(4)
[0021]α是雷射驅動器的電壓-電流轉換係數，單位:mA/V ； β是二極體雷射器的電流調諧速率，單位:nm/mA。
[0022]在雷射激發階段施加的變換，是通過在雷射器注入電流中疊加特定函數的調製信號實現的；在光譜數據處理環節，對採集的光譜數據序列做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數據序列。[0023]在雷射激發階段施加的變換，是通過在雷射器注入電流中疊加特定函數的調製信號實現的，變換函數記做G(t)，疊加到注入電流中的信號Q(t)為，[0024]Q(t)= / G(t)dt (5)[0025]在吸收譜線光譜數據處理環節，對採集的光譜數據序列Di (t)做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數據序列& ( λ )，具體為:[0026]Dj ( λ ) =Di (t)(6)[0027]λ」=λ 0+(i AVmf-G(t)) α β (7)[0028]i = 0，1，2，....，INT (S/f) -1[0029]式中，INTO為取整運算，S為數據的採樣率，λ ^為鋸齒波最小值對應的為雷射輸出波長，DJt)為經AD轉換得到的光譜數據序列，即等時間間隔的數據序列；i為一個鋸齒波周期內的採樣點序號，Dj(A)為變換後的數據序列，即按照波長間隔的光譜數據序，f為鋸齒波的頻率，Λ Vni為鋸齒波的幅度，α是雷射驅動器的電壓-電流轉換係數，單位:mA/V ；β是二極體雷射器的電流調諧速率，單位:nm/mA ;變換後的光譜數據序列即為不失真的光譜數據，按照公知的方法對光譜線形分析，得到被測氣體包括濃度、壓力、溫度的參量。[0030]一種基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的裝置，包括:雷射器驅動器、二極體雷射器、信號發生器、光電探測器、前置放大器、鎖相放大器、AD轉換器、計算機或嵌入式處理器、光準直透鏡、氣體池，雷射器驅動器驅動二極體雷射器產生的雷射經過氣體池及設置在氣體池兩端的光準直透鏡投射到光電探測器，光電探測器的輸出信號經前置放大器、鎖相放大器、AD轉換器輸出到計算機或嵌入式處理器，信號發生器用於產生特定函數的調製信號疊加到二極體雷射器的注入電流中，鎖相放大器還輸出反饋信號到信號發生器。[0031]其信號發生器是基於數字存儲方式，由可編程邏輯器件構成的電路或模塊，其輸出信號包括幅度調製信號、解調信號和同步信號。[0032]調製信號通過雷射器驅動器控制二極體雷射器的注入電流，實現對雷射波長的掃描和/或高頻調製，雷射經氣體吸收被光電檢測器接收及鎖相放大器解調，再由計算機對數據做進一步處理。[0033]信號發生器包括微控制器、程序存儲器、邏輯電路、數字-模擬轉換電路、數據存儲器、調製信號輸出接口、同步解調信號輸出接口，微控制器按照程序存儲器中的程序運行而產生調製信號數據並寫入到數據存儲器，微控制器控制邏輯電路產生同步解調信號輸出到同步解調信號輸出接口，邏輯電路還根據數據存儲器中的調製信號數據通過數字-模擬轉換電路產生調製信號輸出到調製信號輸出接口，調製信號由鋸齒波、正弦波和變換函數信號疊加而成，同步信號為與鋸齒波同步的脈衝信號。[0034]本發明的技術特點及效果:[0035]可以避免現有方法中丟失光譜信息，實現光譜信息的無失真傳遞和檢測，從而提高光譜反演的精度，並提高光譜分析的靈敏度。[0036]本發明的施加時間坐標變換的可調諧雷射吸收光譜分析方法，可以應用於直接吸收光譜分析方法，也可以應用於雷射調製吸收光譜分析方法。
【專利附圖】

【附圖說明】[0037]圖1是應用本發明方法和裝置進行氣體檢測的TDLAS系統框圖(實施例1)[0038]I雷射器驅動器
[0039]2 二極體雷射器
[0040]3信號發生器
[0041]4光電探測器
[0042]5前置放大器
[0043]6鎖相放大器
[0044]7AD轉換器
[0045]8計算機(嵌入式處理器)
[0046]9、10光準直透鏡
[0047]11氣體池。
[0048]圖2調製信號產生電路框圖
[0049]21微控制器
[0050]22程序存儲器
[0051]23邏輯電路
[0052]24數字-模擬轉換電路
[0053]25數據存儲器
[0054]26調製信號輸出接口
[0055]27同步解調信號輸出接口。
[0056]圖3是實施例1的雷射調製信號
[0057]①鋸齒波信號
[0058]②高頻正弦信號
[0059]③積分高斯信號
[0060]④疊加變換後的調製信號。
[0061]圖4是應用本發明方法和裝置進行氣體檢測的TDLAS系統框圖(實施例2)
[0062]I雷射器驅動器
[0063]2 二極體雷射器
[0064]3信號發生器
[0065]4光電探測器
[0066]5前置放大器
[0067]7AD轉換器
[0068]8計算機(嵌入式處理器)
[0069]9、10光準直透鏡。
[0070]圖5是實施例2的雷射調製信號
[0071]⑤是鋸齒波信號
[0072]⑥是積分餘弦信號
[0073]⑦是疊加變換後的調製信號。
【具體實施方式】
[0074]本發明是一種基於坐標變換提高可調諧雷射光譜分析靈敏度的方法和裝置，通過在雷射激發階段施加某種變換，在信號檢測處理階段施加相應的逆變換，以保證光譜數據的完備性、提高數據採集和處理效率，變換函數的特徵參數根據氣體吸收譜線參數、雷射器的調製特性以及雷射驅動器的傳輸特性參數設定。本發明主要用於痕量氣體吸收譜線的分析、檢測，可以用於氣體濃度、溫度、壓力或流速的測量。
[0075]本發明的技術方案是:
[0076]一種對可調諧雷射吸收光譜分析施加坐標變換的方法，即在雷射的激發階段施加某種變換，而在信號的檢測處理階段施加相應的逆變換，所施加變換的作用是保證光譜數據的記錄完備性、提高數據採集和處理的效率、提高測量精度或其它好處。
[0077]所施加的變換函數可以是任意有利於光譜數據採集、記錄和/或便於運算的函數，比如，高斯函數、洛侖茲函數、正弦或餘弦函數、鐘形函數(bell shaped curve)等。所施加變換函數的特徵參數(幅值a、中心位置b、和寬度c)與氣體吸收譜線參數(中心位置λ。、線寬Ym)、鋸齒波參數(周期Τ、幅度AVm)以及雷射器的調製特性(雷射驅動器的電壓-電流轉換係數α、二極體雷射器的電流調諧速率β )等相關。具體如下:
[0078]波形幅值a與施加的調製鋸齒波斜率相關，通常情況下可以取為:
[0079]
【權利要求】
1.一種基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，步驟是:利用非線性調諧方法對雷射器的發射波長進行掃描，檢測氣體對雷射的吸收譜線，對包括濃度、壓力、溫度及流速在內的氣體的參數進行測量，其特徵是，雷射掃描階段施加某種非線性變換，在檢測氣體對雷射的吸收譜線階段施加相應的逆變換。
2.如權利要求1所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，其特徵是，施加某種變換採用的變換函數包括但不限於高斯函數、洛侖茲函數、正弦或餘弦函數、鐘形函數中的一種，所施加變換函數的特徵參數與氣體吸收譜線參數、雷射器的調製特性以及雷射驅動器的傳輸特性參數相關。
3.如權利要求2所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，其特徵是，所述傳輸特性參數相關具體為:所施加變換函數的幅值a、中心位置b、和寬度c特徵參數與氣體吸收譜線中心位置λ。、線寬Ym參數、鋸齒波周期Τ、幅度AVmS數以及包括雷射驅動器的電壓-電流轉換係數α、二極體雷射器的電流調諧速率β的雷射器的調製特性相關，具體如下: 波形幅值a與施加的調製鋸齒波斜率相關,取為:
4.如權利要求1所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，其特徵是，在雷射激發階段施加的變換，是通過在雷射器注入電流中疊加特定函數的調製信號實現的；在光譜數據處理環節，對採集的光譜數據序列做逆坐標變換，得到以波長間隔的光譜數據序列。
5.如權利要求1所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的方法，其特徵是，在雷射激發階段施加的變換，是通過在雷射器注入電流中疊加特定函數的調製信號實現的，變換函數記做G⑴，疊加到注入電流中的信號Q (t)為，
6.一種基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的裝置，其特徵是，包括:雷射器驅動器、二極體雷射器、信號發生器、光電探測器、前置放大器、鎖相放大器、AD轉換器、計算機或嵌入式處理器、光準直透鏡、氣體池，雷射器驅動器驅動二極體雷射器產生的雷射經過氣體池及設置在氣體池兩端的光準直透鏡投射到光電探測器，光電探測器的輸出信號經前置放大器、鎖相放大器、AD轉換器輸出到計算機或嵌入式處理器，信號發生器用於產生特定函數的調製信號疊加到二極體雷射器的注入電流中，鎖相放大器還輸出反饋信號到信號發生器。
7.如權利要求5所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的裝置，其特徵是，信號發生器是基於數字存儲方式，由可編程邏輯器件構成的電路或模塊，其輸出信號包括調製信號、解調信號和同步信號輸出。
8.如權利要求5所述的基於非線性調諧提高雷射氣體分析靈敏度的裝置，其特徵是，信號發生器包括微控制器、程序存儲器、邏輯電路、數字-模擬轉換電路、數據存儲器、調製信號輸出接口、同步解調信號輸出接口，微控制器按照程序存儲器中的程序運行而產生調製信號數據並寫入到 數據存儲器，微控制器控制邏輯電路產生同步解調信號輸出到同步解調信號輸出接口，邏輯電路還根據數據存儲器中的調製信號數據通過數字-模擬轉換電路產生調製信號輸出到調製信號輸出接口，調製信號由鋸齒波、正弦波和變換函數信號疊加而成，同步信號為與鋸齒波同步的脈衝信號。
【文檔編號】G01N21/39GK103604774SQ201310660930
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】杜振輝, 李金義, 劉翰蔚 申請人:天津大學