CN103616347A - 多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，为提供能够满足多气体谱线检测、并使各谱线均能实现最佳检测的方法和装置，可以提高TDLAS***多气体浓度、压力、温度或流速的检测灵敏度，该方法和装置适用于痕量气体的在线、原位或离线检测或监测应用。为此，本发明的技术方案是：多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。本发明主要应用于气体检测。

Description

多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置

技术领域

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，涉及多气体组分同时检测或者对单一气体的多条吸收谱线的同时检测，通过对所有待测谱线的调制系数最佳，实现多气体谱线检测灵敏度提高的方法和装置，具体讲，涉及多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法和装置。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱分析（Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS）是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛用于工业流程中的气体监控、环境大气检测以及科学研究等领域。它利用二极管激光器的波长调谐特性，即通过改变二极管激光器的温度或注入电流，改变激光器的输出波长。在波长调谐范围内，检测待测气体的特征吸收光谱，通过对吸收光谱的线形分析，可以测量气体的浓度、温度、压力或流速。

对于高浓度或吸收系数较大的气体，通常采用直接吸收光谱检测方法。直接吸收光谱是检测通过被测气体后光强度随波长的变化，通过对吸收信号的强度分析，由比尔朗伯特(Beer-Lambert)定律计算被测气体的浓度。这种测量方法受光源的光强波动、检测器和放大器噪声、外界干扰等影响，其测量误差较大、灵敏度和精度较低。

为了提高检测灵敏度，通常采用波长调制光谱（Wavelength modulation spectroscopy,WMS）技术。WMS技术对激光做波长调制，产生波长扫描和高频调制，经气体吸收后的激光由光电探测器接收，利用相敏检测（通常使用锁相放大器）技术检测气体吸收光谱的高频调制谐波信号。WMS可以抑制激光强度起伏、***1/f噪声、漂移等各种噪声的影响，提高信号的信噪比，检测灵敏度比直接吸收光谱分析技术高两个数量级以上。WMS技术中的波长扫描和高频调制，通过信号发生器给二极管激光器施加锯齿波并叠加正弦实现，锯齿波对应于波长扫描，其扫描范围至少覆盖一条完整的气体吸收谱线；高频正弦信号对应的波长调制幅度与气体吸收谱线半宽度（half width at half-maximum,HWHM）的比值定义为调制系数，调制系数与谐波检测信号的幅度和信噪比有关，对于2次谐波，一般认为最佳调制系数为2.2，此时得到的信号信噪比高，相应的检测灵敏度最高。

然而，对于多条气体谱线同时检测情况，由于这些谱线宽度[半高全宽，FWHM或半高半宽，HWHM]可能不同，为了达到高的信噪比，需要针对每一条谱线的参数分别设定不同的调制系数，即采用不同的高频调制信号幅度。而现有信号发生器及TDLAS***构成方法，是通过信号发生器分别产生的锯齿波和正弦波叠加实现的，采用了某个固定的正弦波幅度，在一个锯齿波扫描周期内，不能兼顾所有谱线参数，从而导致多气体谱线检测的灵敏度和精度较低。

发明内容

本发明旨在克服克服现有技术的不足，提供一种能够满足多气体谱线检测、并使各谱线均能实现最佳检测的方法和装置。基于本发明的方法和装置，可以提高TDLAS***多气体浓度、压力、温度或流速的检测灵敏度，该方法和装置适用于痕量气体的在线、原位或离线检测或监测应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，其特征是，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。

正弦波的幅度V_m由二极管激光器的调制特性、激光驱动器的调制电压-电流转换系数、待测谱线参数共同确定：

δ=V_mαβ   （1）

$\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}_m}\≈2.2---\left(2\right)$

其中，δ是高频正弦信号对应的波长调制深度，单位：nm；γ_m是待测谱线的半高半宽HWHM，单位：nm；α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位：mA/V；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位：nm/mA，一个扫描周期内，每条气体谱线所对应的调制正弦波的宽度W_s=k·γ_m，k为常数，4≤k≤8。

激光波长调制系数的改变是通过改变激光器注入电流中叠加到锯齿波上的高频正弦信号的幅度实现的，在每条气体吸收谱线附近，依据该谱线的宽度设定激光波长的调制系数，不同调制系数之间平滑过渡，不论在一个扫描周期内有几条吸收谱线，均使得对所有吸收谱线的调制系数达到最佳。

多气体谱线检测的最佳调制系数实现装置，包括：激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生两个或两个以上的正弦波幅度的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。

信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、两个或两个以上的正弦波幅度信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。

本发明的技术特点及效果：

可以对扫描范围内的所有吸收谱线都做到最佳调制系数，减小对谱线周边的各种噪声的响应，实现最佳光谱信号检测。据此，提高光谱分析的精度，本发明可以用于单个吸收谱线的检测，也可以用于多个吸收谱线的检测。尤其是对多谱线调制光谱分析（如多谱线温度测量）的精度提高作用更大。

附图说明

图1是本发明的二极管激光器调制信号波形（实施例1）

a.CO2、CO、C2H2在1582nm附近的吸收谱线

b.高频正弦调制信号

c.锯齿波调谐信号。

图2是本发明的调制信号产生电路框图。

微控制器

程序存储器

逻辑电路

数字-模拟转换电路

数据存储器

调制信号输出接口

同步解调信号输出接口。

图3（实施例1）、图5（实施例2）是应用本发明方法和装置进行气体检测的TDLAS***框图

8 激光器驱动器

9 二极管激光器

10 信号发生器

11 光电探测器

12 前置放大器

13 锁相放大器

14 AD转换器

15 计算机（嵌入式处理器）

16、17 光准直透镜

18 气体池。

图4是本发明的二极管激光器调制信号波形（实施例2）

a.H2O在1395nm附近的吸收谱线

b.高频正弦调制信号

c.锯齿波调谐信号。

具体实施方式

多气体谱线：指多种气体组分的吸收谱线或气体的多条吸收谱线。

本发明一种对多个气体吸收谱线做最佳调制系数检测的方法和装置，在激光波长的一个扫描周期内，基于待测气体谱线参数、激光器调谐特性和激光驱动器的电压-电流转换系数，灵活设置多个调制信号幅度，以保证每一条待测谱线的检测达到最佳调制系数。在一个波长扫描周期内的多种调制信号幅度是基于数字存储方式的信号发生器实现的，信号发生器为可编程逻辑器件（FPGA和/或CPLD）构成的电路（模块）。本发明主要用于多条吸收谱线的同时分析、检测，可以用于气体浓度、温度、压力或流速的测量。

本发明的技术方案是：

一种调制系数可变的波长调制吸收光谱方法，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。正弦波的幅度Vm由二极管激光器的调制特性、激光驱动器的调制电压-电流转换系数、待测谱线参数共同确定。

δ=V_mαβ  （1）

$\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}_m}\≈2.2---\left(2\right)$

其中，δ是高频正弦信号对应的波长调制深度（单位：nm）；γ_m是待测谱线的半高半宽[HWHM（单位：nm）]；α是激光驱动器的电压-电流转换系数（单位：mA/V）；β是二极管激光器的电流调谐速率（单位：nm/mA）。

所述调制系数可变的波长调制吸收光谱方法，激光波长调制系数的改变是通过改变激光器注入电流中叠加到锯齿波上的高频正弦信号的幅度实现的。在每条气体吸收谱线附近，依据该谱线的宽度设定激光波长的调制系数，不同调制系数之间平滑过渡。不论在一个扫描周期内有几条吸收谱线，均使得对所有吸收谱线的调制系数达到最佳。在偏离气体吸收光谱时的调制系数减小（常规调制系数的十分之一以下），以此可以消除谱线附近的干扰。

所述调制系数可变的波长调制吸收光谱装置，其具体实现方法是，由信号发生器或专门设计的信号发生电路产生调制（和/或调谐）信号。可以使用信号发生器及其软件编辑任意波形信号，通过信号发生模块输出特定的调制信号；还可以采用专门设计的信号发生电路板，基于数字存储方式，由可编程逻辑器件（FPGA和/或CPLD）构成的电路（模块），其输出信号包括幅度调制信号用于激光器注入电流的调制，还包括解调信号输出用于锁相检测所需要的参考信号，还包括同步信号输出用于数据采集或处理。

调制信号通过激光器驱动器控制二极管激光器的注入电流，实现对激光波长的扫描和高频调制，激光经气体吸收被光电检测器接收及锁相放大器解调，再由计算机对数据做进一步处理，得到气体的浓度、温度、压力以及流速等参量。

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式：

实施例1：（1580nm附近测量三种气体浓度）

在1580.5mn～1581.0nm波长范围内，可以测量CO₂、CO、C₂H₂三种气体，吸收谱线的参数可以查阅HITRAN数据库得到。使用DFB激光器，在一个波长扫描周期可以覆盖、测量这三种气体的浓度。但是待测的三条谱线具有不同的谱线参数，如表1所示。

表1.CO₂、CO、C₂H₂在1580nm附近吸收谱线的参数（T=296K,P=1atm,x_CO2=x_CO=x_C2H2=1%,97%的空气）

序号

气体分子

谱线波长/nm

吸收线强/cm/molecule

谱线宽度/nm

1.	CO2	1580.993	1.13E-23	0.0359
					2.	CO	1580.828	1.57E-23	0.0319
3.	C2H2	1581.129	9.08E-25	0.0385

使用DFB激光器可以在一个波长扫描周期内覆盖这三条谱线，以目前现有方法，对激光器的高频正弦调制幅度是固定的，因此，对这三条谱线的波长调制幅度相同，但是调制系数不同。无法兼顾使得他们都能够达到最佳检测。

本发明的多谱线检测的光谱分析方法，通过在一个波长扫描周期中设置多个不同的调制信号幅度，可以实现对所有谱线的最佳检测（本实施例中有三条谱线）。待测气体的三条吸收谱线、拟设置的高频调制信号、锯齿波扫描信号如图1所示。其中图1a给出的是待测三种气体的吸收谱线，图1b是高频正弦信号、图1c是锯齿波信号，图1b和图1c所示波形叠加即构成二极管激光器的调制信号。

本发明的检测多谱线的光谱分析装置，包括二极管激光器9、激光器驱动器8、信号发生器10、光电探测器11、前置放大器12、锁相放大器13、气体池18、计算机（或嵌入式处理器）15、光准直透镜16/17、气体池18等部分，其构成原理如图3所示。其中二极管激光器、锁相放大器、气体池、计算机可以采用商品化的仪器或模块。信号发生器可以采用支持编程模式的任意函数发生器，或者采用专门设计的信号发生电路（模块），本实施例中使用的是专门设计的信号发生电路模块，其电路原理框图如图2所示。其中正弦波的幅度基于表1的谱线宽度，按照式（1）进行计算，分别为：

A₁=79mV

A₂=70mV

A₃=85mV

A_min=7mV

不同幅度的正弦信号之间平滑过渡，形成所需要的调制信号，并与锯齿波相叠加形成激光器驱动器的调制信号，写入到信号发生电路的数据存储器（如图2所示），该调制信号输出到激光器驱动器的调制信号输入端（如图3所示）。

信号发生电路模块输出的正弦信号频率f可以为数kHz—数百kHz（本实施例中取10kHz），提供给锁相放大器的解调信号为频率为2f（本实施例中取20kHz）的方波信号。信号发生电路模块还产生同步信号，用于数据的采集处理。

本发明的检测多谱线光谱分析装置的工作原理为，激光器驱动器控制二极管激光器的温度和注入电流，注入电流受输入调制信号的控制，产生波长调谐的激光，经气体池中的气体吸收后，光电探测器拾取光谱信号并经前置放大器放大后送入锁相放大器，信号发生器提供激光器驱动器需要的调制信号和锁相放大器需要的参考信号。锁相放大器的输出的模拟信号经AD转换器转换为数字信号送入到计算机（或嵌入式处理器）进行处理、分析，由Lambert-beer定律计算气体的浓度。

实施例2：（1.395um测量温度、开放光路）

通过测量水分子的多条吸收谱线测量温度，1395.6nm附近H₂O的吸收谱线参数可以查阅HITRAN数据库得到，如表2所示。使用DFB激光器，一个波长扫描周期可以覆盖两条H2O的吸收谱线。然而由于待测的两条谱线具有不同的谱线宽度，它们分别为：

表2.H₂O在1395.6nm附近吸收谱线的参数（T=296K,P=1atm,x_H2O=10%，90%的空气）

序号	谱线波长/nm	波数/cm-1	吸收线强/cm/molecule	谱线宽度/nm
					1.	1395.693	7164.90	1.47E-22	0.0202
2.	1395.514	7165.82	5.93E-21	0.0505

使用DFB激光器可以在一个波长扫描周期内覆盖这两条谱线，以目前现有方法，对激光器的高频正弦调制幅度是固定的，因此，对这两条谱线的波长调制幅度相同，但是调制系数不同。无法兼顾使得他们都能够达到最佳检测。

本发明的多谱线检测的光谱分析方法，通过在一个波长扫描周期中设置多个不同的调制信号幅度，可以实现对所有谱线的最佳检测（本实施例中有两条谱线）。待测气体的两条吸收谱线、拟设置的高频调制信号、锯齿波扫描信号如图4所示。其中图4a给出的是扫描波段内H₂O的吸收谱线，图4b是高频正弦信号、图4c是锯齿波信号，图4b和图4c所示波形叠加即构成二极管激光器的调制信号。

本发明的检测多谱线的光谱分析装置，包括二极管激光器、激光器驱动器、信号发生器、锁相放大器、气体池、计算机等部分，其构成原理如图5所示。其中二极管激光器、锁相放大器、气体池、计算机可以采用商品化的仪器或模块。信号发生器可以采用支持编程模式的任意函数发生器，或者采用专门设计的信号发生电路（模块），本实施例中使用的是专门设计的信号发生电路模块，其电路原理框图如图2所示。其中正弦波的幅度基于表2的谱线宽度，按照式（1）进行计算，分别为：

A₁=45mV

A₂=111mV

A_min=5mV

不同幅度的正弦信号之间平滑过渡，形成所需要的调制信号，并与锯齿波相叠加形成激光器驱动器的调制信号，写入到信号发生电路的数据存储器（如图2所示），该调制信号输出到激光器驱动器的调制信号输入端（如图5所示）。

信号发生电路模块输出的正弦信号频率f可以为数kHz—数百kHz（本实施例中取50kHz），提供给锁相放大器的解调信号为频率为2f（本实施例中取100kHz）的方波信号。信号发生电路模块还产生同步信号，用于数据的采集处理。

Claims (5)

1.一种多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度及流速在内的气体的参数的测量，其特征是，在激光波长的一个扫描周期内，激光的波长调制系数是变化的，即在一个扫描周期内采用两个或两个以上的正弦波幅度。

2.如权利要求1所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，正弦波的幅度V_m由二极管激光器的调制特性、激光驱动器的调制电压-电流转换系数、待测谱线参数共同确定：

δ=V_mαβ   （1）

$\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\γ}}_m}\≈2.2---\left(2\right)$

其中，δ是高频正弦信号对应的波长调制深度，单位：nm；γ_m是待测谱线的半高半宽HWHM，单位：nm；α是激光驱动器的电压-电流转换系数，单位：mA/V；β是二极管激光器的电流调谐速率，单位：nm/mA，一个扫描周期内，每条气体谱线所对应的调制正弦波的宽度W_s=k·γ_m，k为常数，4≤k≤8。

3.如权利要求1所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现方法，其特征是，激光波长调制系数的改变是通过改变激光器注入电流中叠加到锯齿波上的高频正弦信号的幅度实现的，在每条气体吸收谱线附近，依据该谱线的宽度设定激光波长的调制系数，不同调制系数之间平滑过渡，不论在一个扫描周期内有几条吸收谱线且谱线不重叠，均使得对所有吸收谱线的调制系数达到最佳。

4.一种多气体谱线检测的最佳调制系数实现装置，其特征是，包括：激光器驱动器、二极管激光器、信号发生器、光电探测器、前置放大器、锁相放大器、AD转换器、计算机或嵌入式处理器、光准直透镜、气体池，激光器驱动器驱动二极管激光器产生的激光经过气体池及设置在气体池两端的光准直透镜投射到光电探测器，光电探测器的输出信号经前置放大器、锁相放大器、AD转换器输出到计算机或嵌入式处理器，信号发生器用于产生两个或两个以上的正弦波幅度的调制信号叠加到二极管激光器的注入电流中，锁相放大器还输出反馈信号到信号发生器。

5.如权利要求4所述的多气体谱线检测的最佳调制系数实现装置，其特征是，信号发生器包括微控制器、程序存储器、逻辑电路、数字-模拟转换电路、数据存储器、调制信号输出接口、同步解调信号输出接口，微控制器按照程序存储器中的程序运行控制逻辑电路产生同步解调信号输出到同步解调信号输出接口，逻辑电路还通过数字-模拟转换电路产生调制信号输出到调制信号输出接口，调制信号由锯齿波、两个或两个以上的正弦波幅度信号叠加而成，同步信号为与锯齿波同步的脉冲信号。

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