CN106500911A - 一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。可调谐激光光源输出光束进入到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，气体池内充入在激光器调谐范围内有窄吸收谱线的气体。对激光器输出波长进行调谐，得到气体吸收光谱。对测得的气体谱线做拟合处理，获得气体的谱线线宽。利用谱线线宽与压强的关系，得到测试过程中气体池内的压强参数。本发明利用窄吸收谱线气体的压力展宽线宽与压强的关系，可以同时对多个待校准的压力计进行实时校准，操作简单，无需对校准仪器做定期校准。
Description
技术领域
本发明涉及压力计校准技术领域，特别涉及一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法。
背景技术
压力是生物、医疗、航空航天、海洋工程以及核能源等尖端科技领域中一个重要的工艺参数。压力传感器是目前压力测量中应用最广泛的传感器，具有体积小、频率响应高的优势。随着国民经济的发展，对压力传感器的精度提出了越来越高的要求。环境的稳定性、校准规范和精度直接关系到产品质量、检测质量优劣。因此，对压力传感器的准确校准具有十分重要的应用价值。目前，压力传感器都在质检部门进行标定，标定完成后再在实际工况中使用，传感器在运输、安装过程中难免会引入误差。实际应用中，测试人员往往希望在工况现场完成压力传感器的标定，因为此时传感器所处的环境、温度都与使用时一致，且无需送检，大大提高了工作效率。传统的检定方法主要是利用活塞式压力计或者数字压力控制器对压力表进行检定。标准活塞式压力计是利用压力作用在活塞上的力与砝码的重力相平衡测量压力的仪表。但是，活塞压力计校准方法对高精度、小量程的真空压力计检测能力受压力产生范围限制，其可生成最小压力介于1-20Kpa之间。此外，该方法易受人为因素影响，准确度不易保证，而且劳动强度大、劳动条件差、检定效率低。在很多应用领域，低压的检测是十分关键的，比如玻尔兹曼常数的测量。它需要在低压状态下测量原子或者分子的多普勒线宽。数字压力控制器通过更高精度的压力计去控制压力源对待检的压力计进行校准。然而，标定过的压力传感器放置或使用了一段时间后，由于环境条件的影响，会产生时漂，零点、灵敏度、非线性等参数都会发生改变，为了保证精度需要频繁校准。
近年来，分子光谱在吸收测量、化学反应动力学、以及分子结构和分子间相互作用等方面的应用得到普遍关注，对光谱谱线的研究也受到了越来越多的重视。气体分子光谱线型和线宽取决于分子间相互作用和温度、气压等环境因素。因此，利用气体吸收光谱的线宽和压强的关系可以对待校准的压力计进行校准。光腔衰荡技术作为一种高灵敏的光谱检测技术，被广泛应用于气体检测领域。它通过测量激光在衰荡腔内的衰荡时间确定腔内总损耗，在腔内充入吸收介质时可测量其吸收光谱信息，从而避免了激光束自身强度漂移的影响。基于光腔衰荡光谱技术和气体吸收光谱压力展宽效应可实现高精度、小量程压力计的精确校准。由于气体吸收特性不随时间变化，所用该方法无需做定期校准，抗干扰能力强。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对传统压力计校准仪器对高精度、小量程的真空压力计检测范围有限的问题，提出一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，具有结构简单、操作方便、成本低廉以及可实现多个压力计同时校准的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，实现步骤如下：
步骤(1)、波长可调谐激光入射到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，两平凹高反射镜凹面相对构成稳定的衰荡腔，部分光从一端耦合进入腔内，在另一端输出的光经聚焦透镜聚焦到探测器上，得到衰荡腔输出信号；
步骤(2)、调谐激光器输出波长，由数据采集卡记录各波长λ下光腔衰荡信号，并按单指数衰减函数拟合得各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，利用关系式计算得到各波长λ下的气体吸收系数α(λ)，进而可绘制气体吸收系数α(λ)与波长λ关系曲线，即气体吸收光谱，其中τ0为腔内没有吸收时的衰荡时间，c为光速；
步骤(3)、在压强较大的情况下，因为大量分子之间的无规则碰撞，谱线展宽轮廓认为是洛伦兹轮廓。利用公式拟合吸收谱线，其中y是归一化的吸收强度，γ是拟合得到的谱线半高宽，λ0是谱线的中心波长，a1和A0为常量。
步骤(4)、在温度T的状态下，改变气体池内压强，重复步骤(2)和步骤(3)。同时记录待校准压力计读数P，得到不同压强读数下的谱线半高宽γ(P,T)。
步骤(5)、由于洛伦兹线宽与压强成正比，当测量气体中吸收气体含量很低，即吸收气体所占的分压可忽略时，线宽与压强关系可以近似成其中，γair(Pref,Tref)为吸收气体在参考压强Pref和参考温度Tref下的压力展宽系数，P为总压强，n为一个与温度有关的系数。γair(Pref,Tref)和n的值都可从HITRAN红外光谱数据库中得到。
步骤(6)、根据HITRAN红外光谱数据库中给出的吸收气体压力展宽系数γair(Pref,Tref)、实测温度T以及拟合得到的谱线半宽γ(P,T)，可以反推出气体池内的理论压强大小PHITRAN，绘制待测压力计指示压强P与PHITRAN的关系图，对待校准压力计进行校准。
其中，所述构成衰荡腔的两块平凹高反射镜的反射率在激光器扫描范围内大于99.9％，所构成的衰荡腔为稳定腔或者共焦腔，腔长L满足0<L≤2r，其中r为平凹高反镜凹面的曲率半径。
其中，所述光源是可宽调谐的窄线宽激光器，其调谐范围应覆盖待测吸收气体一个完整的吸收峰轮廓，其线宽不影响吸收谱线线宽。
其中，所述气体的吸收光谱与温度相关，通过在气体池中集成温度检测装置对检测过程中气体池内气体状态实时监控。
本发明和现有技术相比具有的优点：
(1)本发明通过测量光在光腔中的衰荡时间获得吸收系数，所测结果不受激光器光强波动的影响，具有较高的信噪比和抗干扰能力，因此具有更高的测量精度；
(2)本发明***结构简单，易于搭建调节，操作方便；
(3)本发明可以同时对多个压力计进行实时校准，无需对校准仪器做定期校准，大大降低了测量的成本。
附图说明
图1为本发明的基于吸收谱线压力展宽的压力计校准装置示意图；
图2为本发明的实施例中不同待校准压力计读数下的水汽吸收光谱；
图3为本发明的实施例中待校准压力计的校准结果；
图中附图标记含义为：1为光源，2为光隔离器，3为声光调制器，4为633nm的He-Ne激光器，5为测量腔，6为探测器，7为高速数字采集卡，8为计算机，9为函数发生器，10为温度传感器，11为待校准压力计或待校准压力组，12为真空泵，13为聚焦透镜，14为压电陶瓷，15为分光镜，16为光源波长调谐控制器。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的基于吸收谱线压力展宽的压力计校准方法。
本实施例以高光束质量(TEM00模)的宽调谐窄线宽量子级联激光器为光源1，调谐范围为1810-1985cm-1，最小调谐步长0.01cm-1；由两块相同的、凹面镀高反射膜的平凹高反射镜(反射率大于99.9％)凹面相对构成衰荡腔，衰荡腔为稳定腔或共焦腔，腔长L满足0＜L≤2r，其中r为腔镜凹面的曲率半径；衰荡腔镜安装于气体池两端，衰荡腔与样品池组成密封的测量腔5；激光光束经光隔离器2和声光调制器3后进入衰荡腔，从衰荡腔后腔镜透射的激光束由聚焦透镜13会聚到快速红外探测器6，探测器6将光信号转化成电信号，转换后的电信号由高速数据采集卡7记录并输入计算机8处理及存储；在其中一个腔镜上安装压电陶瓷(PZT)14，由函数发生器9产生三角波信号周期性驱动压电陶瓷14来调谐衰荡腔长，以实现窄线宽激光与谐振腔的耦合。为便于光路调节由高反镜和分光镜15引入可见的He-Ne光源4。
由于水汽在激光器调谐范围内存在丰富的窄吸收谱线，下面以水汽光谱测量为例，介绍基于吸收谱线压力展宽的压力计校准方法的具体步骤。
首先腔内充入0级空气，它的主要成分由氮气和氧气组成。利用真空泵12保证腔内压强稳定，调节两个腔镜俯仰使光腔输出信号幅值最大，通过激光器光源波长调谐控制器16来调谐量子级联激光器输出波长，调谐步长为0.01cm-1。当探测器6输出的电信号大于设定的阈值时，计算机8产生一个触发信号传递给声光调制器3关断入射光，由高速数据采集卡7记录各波长λ下光腔输出的衰荡信号，并按单指数衰减函数拟合，得到各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，其中A、B为拟合系数；在腔内冲入高纯氮气，得到没有气体吸收时的衰荡时间τ0，利用关系式计算得到各波长λ下的气体吸收系数α(λ)。
然后绘制出气体吸收系数α(λ)与λ的气体吸收光谱曲线如图2所示，并对该曲线按照进行拟合处理，得到谱线的半高宽γ(p,T)，记录此时待校准压力计11读数。利用真空泵12改变气体池内压强，重复上述步骤，得到不同压强下的气体吸收谱和谱线半宽。图2为不同待校准压力计读数下的0级空气中水汽吸收光谱；
最后由公式利用HITRAN红外光谱数据库中给出的吸收气体压力展宽系数γair(Pref,Tref)、实测温度T以及拟合得到的谱线半宽γ(P,T)，可以反推出气体池内的理论压强大小PHITRAN，绘制待测压力计指示压强PMea与PHITRAN的关系图，对待校准压力计进行校准。图3为待校准压力计的校准结果。拟合关系可以表示为PMea＝a+b×PHITRAN，用最小二乘法估计参数，要求测量值偏差的加权平方和最小。a为偏置，比例系数b为0.9987。
总之，本发明提出了基于吸收谱线压力展宽的压力计校准方法，其测量结果不受激光器强度波动的影响，该方法具有结构简单，易于搭建调节，操作方便，可同时对多个待校准的压力计进行实时测量，无需对校准仪器做定期校准等优点。
Claims (4)
1.一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤(1)、波长可调谐激光入射到两端装有平凹高反射率腔镜的气体池，两平凹高反射镜凹面相对构成稳定的衰荡腔，部分光从一端耦合进入腔内，在另一端输出的光经聚焦透镜聚焦到探测器上，得到衰荡腔输出信号；
步骤(2)、调谐激光器输出波长，由数据采集卡记录各波长λ下光腔衰荡信号，并按单指数衰减函数拟合得各波长λ下的衰荡时间τ(λ)，利用关系式计算得到各波长λ下的气体吸收系数α(λ)，进而可绘制气体吸收系数α(λ)与波长λ关系曲线，即气体吸收光谱，其中τ0为腔内没有吸收时的衰荡时间，c为光速；
步骤(3)、在压强较大的情况下，因为大量分子之间的无规则碰撞，谱线展宽轮廓认为是洛伦兹轮廓，利用公式拟合吸收谱线，其中y是归一化的吸收强度，γ是拟合得到的谱线半高宽，λ0是谱线的中心波长，a1和A0为常量；
步骤(4)、在温度T的状态下，改变气体池内压强，重复步骤(2)和步骤(3)，同时记录待校准压力计读数P，得到不同压强读数下的谱线半高宽γ(P,T)；
步骤(5)、由于洛伦兹线宽与压强成正比，当测量气体中吸收气体含量很低，即吸收气体所占的分压可忽略时，线宽与压强关系可以近似成其中，γair(Pref,Tref)为吸收气体在参考压强Pref和参考温度Tref下的压力展宽系数，P为总压强，n为一个与温度有关的系数，γair(Pref,Tref)和n的值都可从HITRAN红外光谱数据库中得到；
步骤(6)、根据HITRAN红外光谱数据库中给出的吸收气体压力展宽系数γair(Pref,Tref)、实测温度T以及拟合得到的谱线半宽γ(P,T)，可以反推出气体池内的理论压强大小PHITRAN，绘制待测压力计指示压强P与PHITRAN的关系图，对待校准压力计进行校准。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，其特征在于：构成衰荡腔的两块平凹高反射镜的反射率在激光器扫描范围内大于99.9％，所构成的衰荡腔为稳定腔或者共焦腔，腔长L满足0<L≤2r，其中r为平凹高反镜凹面的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，其特征在于：光源是可宽调谐的窄线宽激光器，其调谐范围应覆盖待测吸收气体一个完整的吸收峰轮廓，且其线宽不影响吸收谱线线宽测量。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体吸收谱线压力展宽效应的压力计校准方法，其特征在于：气体的吸收光谱与温度相关，通过在气体池中集成温度检测装置对检测过程中气体池内气体状态实时监控。
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